基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識(shí)別，尤其涉及油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)模型的三 維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于大型油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊，有幾何尺寸和質(zhì)量龐大，接口數(shù)量多等特點(diǎn)，一般采用 分體制造，再總裝拼接的工藝流程。大型鋼結(jié)構(gòu)往往具有嚴(yán)格的外形與準(zhǔn)確度的要求，其 最終質(zhì)量在很大程度上依賴于裝配對(duì)準(zhǔn)的質(zhì)量，所以準(zhǔn)確高效地識(shí)別斷面特征顯得尤為重 要。目前常采用的三維斷面特征識(shí)別技術(shù)，往往通過(guò)對(duì)三維激光掃描出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理并直接提取特征，該方法需要處理大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以很難保證提取特征的精度而且 速度慢效率低，不適于大型油氣鋼結(jié)構(gòu)的裝配對(duì)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種計(jì)算速度更快、識(shí)別精度更高 的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識(shí)別方法。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] 本發(fā)明的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法，它包括以下步驟：
[0006] (1)在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對(duì)理想三維模型斷面 部分的輪廓特征線信息進(jìn)行提取；
[0007] (2)使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)模塊斷面部分進(jìn)行掃描，得到實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn) 云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0008] (3)將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系下；
[0009] (4)以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對(duì)每一個(gè)輪 廓特征線周?chē)O(shè)定區(qū)域的鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索；
[0010] (5)將搜索到的鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，獲得實(shí)際模塊斷面部分輪廓特征 線；
[0011] (6)在CAD三維軟件中建立實(shí)際模塊斷面部分的三維模型；
[0012] (7)重復(fù)所述的步驟（1)至步驟（6)建立另一模塊實(shí)際斷面部分的三維模型；
[0013] (8)在同一坐標(biāo)系下，對(duì)兩端面的特征進(jìn)行對(duì)比分析，判斷出兩個(gè)模塊是否能夠?qū)?接裝配。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：利用三維模型輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征識(shí)別，縮小了點(diǎn)云的搜索范 圍，從而提高了特征識(shí)別的速度，并排除了斷面范圍外其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響，提高了特征提 取的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識(shí)別方 法采用的坐標(biāo)計(jì)算三維示意圖；
[0016] 圖2是發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識(shí)別方法 采用的特征信息周?chē)鷧^(qū)域點(diǎn)云搜索示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0018] 如附圖所示的本發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征 識(shí)別方法，它包括以下步驟：
[0019] (1)在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對(duì)理想三維模型斷面 部分的輪廓特征線信息進(jìn)行提??；
[0020] (2)使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)模塊斷面部分進(jìn)行掃描，得到實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn) 云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維激光 掃描系統(tǒng)可以在市場(chǎng)購(gòu)得，三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理為：
[0021] 三維激光掃描系統(tǒng)是采用脈沖激光測(cè)距的方法，通過(guò)激光脈沖二極管發(fā)射激光脈 沖，射向被測(cè)物體，激光碰到被測(cè)物體的表面后反射回來(lái)，由系統(tǒng)內(nèi)的探測(cè)裝置接收并記 錄。根據(jù)激光束發(fā)射和接收的時(shí)間差T，計(jì)算掃描點(diǎn)到儀器的斜距S，同時(shí)獲取此激光束的 水平方向角度a和垂直方向角度0，計(jì)算出掃描點(diǎn)用空間坐標(biāo)系中X方向、Y方向、Z方向 3個(gè)矢量數(shù)據(jù)表示。見(jiàn)圖1。
[0022] 計(jì)算掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)為系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)距激光發(fā)射的幾何中心，Z軸為儀 器的豎軸，Y軸為掃描默認(rèn)起始方位，X軸與Y、Z軸垂直構(gòu)成空間坐標(biāo)系。通過(guò)計(jì)算可得掃 描點(diǎn)P的坐標(biāo)（Xp，Yp，Zp)，即
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法，其特征在于，它包括以下步驟： (1) 在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對(duì)理想三維模型斷面部分 的輪廓特征線信息進(jìn)行提??； (2) 使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)模塊斷面部分進(jìn)行掃描，得到實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn)云數(shù) 據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)； (3) 將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的坐標(biāo)系下； (4) 以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對(duì)每一個(gè)輪廓特 征線周?chē)O(shè)定區(qū)域的鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索； (5) 將搜索到的鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，獲得實(shí)際模塊斷面部分輪廓特征線； (6) 在CAD三維軟件中建立實(shí)際模塊斷面部分的三維模型； (7) 重復(fù)所述的步驟（1)至步驟（6)建立另一模塊實(shí)際斷面部分的三維模型； (8) 在同一坐標(biāo)系下，對(duì)兩端面的特征進(jìn)行對(duì)比分析，判斷出兩個(gè)模塊是否能夠?qū)友b 配。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法，其特征在于：所 述的步驟（4)中鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)搜索具體步驟為： 步驟一、將理想三維模型的輪廓特征信息整合到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系后，通過(guò)人工移動(dòng) 使點(diǎn)云數(shù)據(jù)和理想三維模型的輪廓線位置基本重合； 步驟二、以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，生成圓柱體， 而后用球體對(duì)特征周?chē)纬傻膱A柱體進(jìn)行空間填充，用一系列球體所包含的點(diǎn)集近似代替 圓柱體內(nèi)部點(diǎn)； 步驟三、使用k-鄰域點(diǎn)云搜索方法對(duì)輪廓線周?chē)M(jìn)行鄰域搜索。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法，其特征在于： 所述的步驟（5)中特征提取方法具體如下： 步驟一、先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中具有法向或曲率突變的點(diǎn)舍去； 步驟二、根據(jù)斷面和與其相交的各面內(nèi)點(diǎn)云法向指向不同特性進(jìn)行區(qū)域分類(lèi)，然后得 到斷面和與其相交的各面兩區(qū)域點(diǎn)云； 步驟三、利用最小二乘法擬合兩區(qū)域空間平面，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中31、131、(31、(11、3 2、132、(32、(12分別為空間平面？1、？ 2表達(dá)式中的系數(shù)，1、7、2分別為 兩面上點(diǎn)的坐標(biāo)； 聯(lián)立兩空間平面方程，求取兩空間平面的交線來(lái)表示實(shí)際模塊斷面部分輪廓特征線； 相交空間直線方程數(shù)學(xué)表示：
式中，（X(l，yQ，Z(l)為空間直線上任意一點(diǎn)，飩為為)為空間直線的方向向量。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識(shí)別方法，包括步驟：建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對(duì)理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進(jìn)行提取；使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)模塊斷面部分進(jìn)行掃描，得到實(shí)際模塊斷面部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)；將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系下；以經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對(duì)每一個(gè)輪廓特征線周?chē)O(shè)定區(qū)域的鄰域點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，獲得實(shí)際模塊斷面部分輪廓特征線；在CAD三維軟件中建立實(shí)際模塊斷面部分的三維模型；建立另一模塊實(shí)際斷面部分的三維模型，判斷出兩個(gè)模塊是否能夠?qū)友b配。采用本方法提高了特征識(shí)別的速度。
【IPC分類(lèi)】G06T17-00, G06F17-50, G06K9-46
【公開(kāi)號(hào)】CN104574502
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410811567
【發(fā)明人】邢海濤, 馮志肖, 劉必江, 楊宗杰
【申請(qǐng)人】博邁科海洋工程股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月22日