一种基于特征约束的单视角点云定位方法

摘要

本发明涉及路系统装配质量检测技术领域，解决了无法快速准确对管路系统装配质量不合格位置进行定位的技术问题，尤其涉及一种基于特征约束的单视角点云定位方法，包括以下过程：S1、从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云；S2、通过单帧深度相机获取第二管路系统的单帧点云数据并拟合出第二管路系统的第二管道轴线；S3、根据第一管路系统的目标点云提取第一管路系统中的若干单帧点云第一管道轴线。本发明达到了对管路系统中装配质量不合格管道快速定位的目的，结合定位能够实现对航空航天发动机管路系统的装配质量进行检测，由此提高了检测效率，并且采用单视角点云的定位方法能大幅度降低计算量。

权利要求

1.一种基于特征约束的单视角点云定位方法，其特征在于，包括以下过程：S1、从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云；

S2、通过单帧深度相机获取第二管路系统的单帧点云数据并拟合出第二管路系统的第二管道轴线；

S3、根据第一管路系统的目标点云提取第一管路系统中的若干单帧点云第一管道轴线；

S4、采用基于分形原理的曲线段描述方法构建与第二管道轴线相匹配的描述子并确定特征信息；

S41、在第二管道轴线上固定长度 选择至少三个初始点作为种子点，分别设为种子点、种子点 和种子点 ；

S42、以种子点为起点，以固定种子点所在管道位置半径为半径旋转截取一段接近于第二管道轴线的曲线段的离散点；

S43、在曲线段的离散点中找到两个最远点作为基础点，分别为点 和点 ；

S44、在曲线段的离散点中寻找另外一个点到前面两个点所在直线最远的一个点 ，作为第三个点；

S45、根据右手定则为曲线段的三个点 、 和 加一个方向后确定一个坐标系；

S46、以描述子三个点的质心点 为起点，以右手定则确定的方向为方向向量，向上平移距离 得到点 ，得到与第二管道轴线匹配的描述子，并确定描述子的特征信息；

特征信息包括点 和 的三维坐标值，以及右手定则确定的方向，其他点和长度信息为特征信息的附加信息；

S5、根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线；

S6、采用投票机制对多个第三管道轴线确定正确的对应关系以完成快速定位。

2.根据权利要求1所述的单视角点云定位方法，其特征在于：在步骤S1中，从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云，具体过程包括以下步骤：S11、从航空装备的管路系统三维模型中提取三维模型草图轮廓线，三维模型草图轮廓线包括管路系统的轴线；

S12、对三维模型草图轮廓线离散化处理得到第一管路系统的目标点云。

3.根据权利要求1所述的单视角点云定位方法，其特征在于：在步骤S5中，根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线，具体过程包括以下步骤：S51、遍历管路系统三维模型中第一管道轴线生成的离散点，分别设为；

S52、以固定长度 为半径R，找到与步骤S1中遍历过程中的每个点的距离为 的点 和；

S53、在管路系统三维模型中检索第三个满足要求的点；

若检索到与单视角描述子中第三个点对应的点，则完成匹配过程；

若检索不到，则返回至步骤S51对在下一个位置点判断是否有匹配的特征。

4.根据权利要求1所述的单视角点云定位方法，其特征在于：在步骤S5中，具体包括：以步骤S4所得到的描述子的特征信息在目标点云中检索与其相似的三个点构成第三管道轴线。

说明书

一种基于特征约束的单视角点云定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及路系统装配质量检测技术领域，尤其涉及一种基于特征约束的单视角点云定位方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天技术发展，对其性能和可靠性要求不断提高，从而对装配技术和检测技术手段不断提出新的需求。管路系统作为航空航天装备的血管起着至关重要的作用。但是因为设计空间限制，以及推重比的要求，管路系统结构形状各异，分布错综复杂。管路系统在装配过程中仍旧采用人工装配，但是人工装配精度、可靠性有限，无法保证每次装配能用设计模型完全一致，会产生很大的积累误差。

[0003] 在复杂装配场景中，目前还没有可靠性高的装配质量检测设备。目前在航空发动机管路系统检测中有研究者使用高精度扫描仪，扫描装配完成后的整台发动机然后与发动机整体数模对比分析，这种分析方式在存在积累误差状况下，很难定位到真正的装配不合格的位置，而且效率低、计算量大。针对现有技术中无法快速准确对装配质量不合格位置定位问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于特征约束的单视角点云定位方法，解决了无法快速准确对管路系统装配质量不合格位置进行定位的技术问题，达到了对管路系统中装配质量不合格管道快速定位的目的，结合定位能够实现对航空航天发动机管路系统的装配质量进行检测，由此提高了检测效率，并且采用单视角点云的定位方法能大幅度降低计算量。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于特征约束的单视角点云定位方法，包括以下过程：

[0006] S1、从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云；

[0007] S2、通过单帧深度相机获取第二管路系统的单帧点云数据并拟合出第二管路系统的第二管道轴线；

[0008] S3、根据第一管路系统的目标点云提取第一管路系统中的若干单帧点云第一管道轴线；

[0009] S4、采用基于分形原理的曲线段描述方法构建与第二管道轴线相匹配的描述子并确定特征信息；

[0010] S5、根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线；

[0011] S6、采用投票机制对多个第三管道轴线确定正确的对应关系以完成快速定位。

[0012] 进一步地，在步骤S1中，从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云，具体过程包括以下步骤：

[0013] S11、从航空装备的管路系统三维模型中提取三维模型草图轮廓线，三维模型草图轮廓线包括管路系统的轴线；

[0014] S12、对三维模型草图轮廓线离散化处理得到第一管路系统的目标点云。

[0015] 进一步地，在步骤S4中，采用基于分形原理的曲线段描述方法构建与第二管道轴线相匹配的描述子并确定特征信息，具体过程包括以下步骤：

[0016] S41、在第二管道轴线上固定长度 选择至少三个初始点作为种子点，分别设为种子点 、种子点 和种子点 ；

[0017] S42、以种子点为起点，以固定种子点所在管道位置半径为半径旋转截取一段接近于第二管道轴线的曲线段的离散点；

[0018] S43、在曲线段的离散点中找到两个最远点作为基础点，分别为点 和点 ，如图3中的点 与 ；

[0019] S44、在曲线段的离散点中寻找另外一个点到前面两个点所在直线最远的一个点，作为第三个点；

[0020] S45、根据右手定则为曲线段的三个点 、 和 加一个方向后确定一个坐标系；

[0021] S46、以描述子三个点的质心点 为起点，以右手定则确定的方向为方向向量，向上平移距离h得到点 ，得到与第二管道轴线匹配的描述子，并确定描述子的特征信息。

[0022] 进一步地，特征信息包括点 、 和 的三维坐标值，以及右手定则确定的方向，其他点和长度信息为特征信息的附加信息。

[0023] 进一步地，在步骤S5中，根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线，具体过程包括以下步骤：

[0024] S51、遍历管路系统三维模型中第一管道轴线生成的离散点，分别设为；

[0025] S52、以固定长度 为半径R，找到与步骤S1中遍历过程中的每个点的距离为 的点 和 ；

[0026] S53、在管路系统三维模型中检索第三个满足要求的点；

[0027] 若检索到与单视角描述子中第三个点对应的点，则完成匹配过程；

[0028] 若检索不到，则返回至步骤S51对在下一个位置点判断是否有匹配的特征。

[0029] 进一步地，在步骤S5中，具体包括：以步骤S4所得到的描述子的特征信息在目标点云中检索与其相似的三个点构成第三管道轴线。

[0030] 借由上述技术方案，本发明提供了一种基于特征约束的单视角点云定位方法，至少具备以下有益效果：

[0031] 1、本发明所提供的方法在航空航天装备管路系统装配过程中或者装配完成后，通过单视角采集设备快速获取管路系统表面信息，并根据管路结构约束将单帧表面数据快速定位到数模，完成装配质量的对比分析。

[0032] 2、本发明所提供的方法利用单视角点云检测，数据量小，检测速度快，误差积累小，鲁棒性强，效率高，可移植到其他特征约束的定位检测任务中，推广应用价值高。

附图说明

[0033] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0034] 图1为本发明单视角点云定位方法的流程图；

[0035] 图2为本发明拟合管道轴线提取过程的示意图；

[0036] 图3为本发明描述子构建过程的示意图；

[0037] 图4为本发明描述子与第三管道轴线匹配过程的示意图；

[0038] 图5为本发明多个第三管道轴线投票过程的示意图；

[0039] 图6为本发明航空航天发动机实测数据定位结果的示意图。

具体实施方式

[0040]  为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

[0041] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0042] 请参照图1‑图6，示出了本实施例的一种具体实施方式，本实施例达到了对管路系统中装配质量不合格管道快速定位的目的，结合定位能够实现对航空航天发动机管路系统的装配质量进行检测，由此提高了检测效率，并且采用单视角点云的定位方法能大幅度降低计算量。

[0043] 请参照图1，本实施例提出了一种基于特征约束的单视角点云定位方法，该方法包括以下过程：

[0044] S1、从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云；

[0045] 在步骤S1中，从航空装备的管路系统三维模型中获取第一管路系统的目标点云，具体过程包括以下步骤：

[0046] S11、从航空装备的管路系统三维模型中提取三维模型草图轮廓线，三维模型草图轮廓线包括管路系统的轴线；

[0047] S12、对三维模型草图轮廓线离散化处理得到第一管路系统的目标点云。

[0048] 在本实施例中，目标点云来源是航空装备的管路系统三维模型，本实施例以航空航天发动机为例进行说明，管路系统三维模型是经过分析论证后设计出最佳的结构状态，在此处，管路系统三维模型可以理解为航空航天发动机管路系统的标准设计，然而在现实中，对于该项标准设计具有保密性，而本实施例还可以通过高精度连续扫描仪直接扫描符合标准设计航空航天发动机的管路系统得到管路系统三维模型，通过设计的管路系统三维模型中可以提取到管道轴线轮廓线，同时我们可以对管路系统三维模型离散化处理得到目标点云，这样完成了对目标点云的预处理。

[0049] S2、通过单帧深度相机获取第二管路系统的单帧点云数据并拟合出第二管路系统的第二管道轴线；

[0050] 第二管路系统为待定位处理的航空航天发动机中的管路系统，单帧点云数据即源点云，源点云的获取来自于单帧深度相机，单帧深度相机每次可以获取一帧点云，源点云是获取航空、航天装备管路系统的单视角点云数据，通过基于生长拟合的方法完成管道结构识别并拟合出第二管道轴线。

[0051] 请参照图2，在步骤S2中，通过基于生长拟合的方法完成管道结构识别并拟合出管道轴线如图2所示，随机在点云中找到一个点记为 ,分割一段点云，然后进行圆柱拟合，如果是管道结构，则分割出点云上的点到圆柱表面偏差之和较小，然后将拟合出圆柱沿轴向V映射到平面，利用最小二乘算法拟合出圆心坐标，然沿轴向V向前平移一段距离L，以上次分割拟合出圆柱的半径R的1.2倍作为半径，构建圆柱形包围盒，再次分割一段点云拟合圆柱，依次下去，拟合出整条管道结构的轴线，并按弦高离散曲线的方法将轴线离散成点。

[0052] 需要说明的是，管道轴线是取自管路系统中管道的中轴线，每一个管道都有一个特定的走向，若干个管道在整个管路系统中有保持直线状态、更多的则是弯曲状态的，而管道轴线对应的则是其中轴线，本实施例以弯曲状态管道为例，管道轴线在本实施例中对应的则是一个曲线。

[0053] S3、根据第一管路系统的目标点云提取第一管路系统中的若干单帧点云第一管道轴线；

[0054] 在该步骤中，第一管道轴线为一个标准路径的曲线，也就是管道在航空航天发动机中的标准走向，该曲线作为与第二管道轴线所对应曲线的对比定位依据，若两个曲线一致则定位管道路径走向无误，相反则存在定位误差，可以认为待定位的航空航天发动机中的管路系统中的管道存在问题。

[0055] 第一管道轴线即航空装备的管路系统三维模型中第一管路系统所对应的管道轴线，根据第一管路系统的单帧点云数据拟合得出，与步骤S2相同的是，都是通过基于生长拟合的方法完成管道结构识别并拟合出管道轴线，为了避免重复叙述，在此不再详细赘述。

[0056] S4、采用基于分形原理的曲线段描述方法构建与第二管道轴线相匹配的描述子并确定特征信息；

[0057] 请参照图3，在步骤S4中，采用基于分形原理的曲线段描述方法构建与第二管道轴线相匹配的描述子并确定特征信息，具体过程包括以下步骤：

[0058] 基于分型原理构造与第二管道轴线匹配的描述子，在步骤S2中提取了单视角下第二管路系统中某一个管道的离散点，也就是第二管路系统的单帧点云数据，每个单视角下的管道固定提取20个不同位置，构造描述子如图3所示。

[0059] S41、在第二管道轴线上固定长度 选择至少三个初始点作为种子点，分别设为种子点 、种子点 和种子点 ；

[0060] 在第二管道轴线点云中均匀分布的20个位置选择20个初始点我们称为种子点，我们以固定长度 截取20段短的曲线段来构建描述子，如图2中的种子点 、种子点 和种子点 为其中一部分选择的种子点。

[0061] S42、以种子点为起点，以固定种子点所在管道位置半径为半径旋转截取一段接近于第二管道轴线的曲线段的离散点；

[0062] S43、在曲线段的离散点中找到两个最远点作为基础点，分别为点 和点 ，如图3中的点 与 ；

[0063] S44、在曲线段的离散点中寻找另外一个点到前面两个点所在直线最远的一个点，作为第三个点；

[0064] S45、根据右手定则为曲线段的三个点 、 和 加一个方向后确定一个坐标系；

[0065] S46、以描述子三个点的质心点 为起点，以右手定则确定的方向为方向向量，向上平移距离h得到点 ，得到与第二管道轴线匹配的描述子，并确定描述子的特征信息，特征信息包括点 、 和 的三维坐标值，以及右手定则确定的方向，其他点和长度信息为特征信息的附加信息，均可用特征信息确定。

[0066] 具体，在步骤S4中，首先在第二管道轴线点云中均匀分布的20个位置选择20个初始点我们称为种子点。如图3中 、 和 为其中一部分选择的种子点；随后以种子点为起点，以固定种子点所在管道位置半径为半径旋转截取一段接近于曲线段的离散点；在曲线段离散点中找到两个最远点作为基础点，如图3中的 与 点；并在曲线段离散点中寻找另外一个点到前面两个点所在直线最远的一个点 ，作为第三个点；此时便找到了一段曲线段的三个点，然后用右手定则为这三个点加一个方向，此时可以在三个点确定一个坐标系，最后以描述子三个点的质心点 为起点，以右手定则确定的方向为方向向量，向上平移距离h得到点 ，这样完全确定了描述子的特征信息。

[0067] 以步骤S4所得到的描述子的特征信息在目标点云中检索与其相似的三个点构成第三管道轴线，通过单视角的管道轴线描述子的特征信息到管路系统三维模型中快速匹配，在三维模型草图轮廓线中的目标点云中检索相似的三个点结构，通过准确检索相似的三个点结构可以求出从扫描点云描述子到模型草图轮廓线的位姿变换矩阵，从而可以完成视角点云到三维模型的快速粗定位。

[0068] S5、根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线，即在管路系统三维模型中的管道轴线中找到与描述子相对位置完全一致的三个点，在该步骤中，与第二管道轴线所对应描述子的特征信息，在检索匹配过程中，能够从管路系统三维模型得到一个或多个对应位置，即第三管道轴线；

[0069] 请参照图4，在步骤S5中，根据描述子的特征信息在若干第一管道轴线中检索与描述子匹配的多个第三管道轴线，具体过程包括以下步骤：

[0070] S51、遍历管路系统三维模型中第一管道轴线生成的离散点，分别设为；

[0071] S52、以固定长度 为半径R，找到与步骤S1中遍历过程中的每个点的距离为 的点 和 ，固定长度 为步骤S41中第二管道轴线上截取20段短的曲线段；

[0072] S53、在管路系统三维模型中检索第三个满足要求的点；

[0073] 若检索到与单视角描述子中第三个点对应的点，则完成匹配过程；

[0074] 若检索不到，则返回至步骤S51对在下一个位置点判断是否有匹配的特征。

[0075] 示例性的，请参照图4，介绍了单视角中一个描述子到整体结构标准管路系统三维模型的匹配过程，在图4中点 为描述子中点 到 、 所在边的垂足， 为 、 的长度，在整体管道轴线的点 中首先找到与 位置关系相同的点 ，然后以 为半径，以点 为圆心构造空间圆，与该空间圆相交的点为与单视角描述子中第三个点对应的点，如果没有该点，继续重复步骤S51对在下一个位置点判断是否有匹配的特征。

[0076] S6、采用投票机制对多个第三管道轴线确定正确的对应关系以完成快速定位；

[0077] 通过步骤S5的匹配过程，单视角点云中第二管道轴线的每个描述子在管路系统三维模型中可能找到一个或者多个对应位置，需要我们对所有的描述子进行投票确定正确的对应关系。

[0078] 请参照图5，展示了单视角中三个描述子定位到标准模型的结果，假设每个描述子在管路系统三维模型中找到三个对应位置。通过每个描述子的特征信息确定与管路系统三维模型中一个位置的对应关系，可以计算出一个单视角数据源点云到目标点云对应位姿变换关系，包括旋转矩阵和平移矩阵。每个描述子中都可能包含一个正确对应关系。如此对上面步骤中20个描述子对应关系进行投票，最终得票最多的对应关系即为正确的位姿变化关系，这样完成单视角点云到整体结构的快速精准定位。

[0079] 最后因为管道结构中可能存在一些变形，需要去除管道部分，以机匣等结构作为参考进行精配准，取单视角点云作为源点云 ，取粗定位后单视角附近点云截取出来作为目标点云 ，增大其配准权重，利用ICP（Iterative Closest Point 迭代最近点）配准方法可以完成单视角点云到整体结构的精确配准。

[0080] 具体的，下面公式中 为 根据粗配准中位姿变化关系而来，同时为了减少ICP计算过程中计算量，我们根据上面粗配准的结果 周围1.5倍的空间从标准点云中中截取一段点云 ，然后用点云 与 进行ICP精配准，标准点云即步骤S3中第一管路系统中的若干单帧点云。

[0081]

[0082] 上式中， 为单视角原始点云， 为上述步骤中提取的管道特征表面点云，即目标点云 ，其中 为单视角去除管道后的点云。

[0083] 请参照图6，为采用本实施例所提出的方法对航空发动机进行实测数据的定位结果，本实施例基于管路特征约束，采用单视角点云定位方法，对航空航天发动机管路系统中管道的装配质量进行对比分析并实现定位，以此能够快速的对待检测的管路系统中装配质量不合格管道快速定位，而且以管道单视角点云的中心轴线最为管道轴线，并以管道轴线的描述子的特征信息进行遍历检索，以此完成待匹配管道轴线与标准轴线之间的粗配准定位，随后采用投票机制，从而完成对于完成单视角点云到整体结构的精确配准定位。

[0084] 以上实施方式对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。