用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法，可用于测量任意尺寸的圆形弧面的柱状物体的空间位置坐标与空间姿态角。通过对测量数据点分组顺次进行椭圆拟合，可以识别出任意复杂截面的轮廓数据中属于特定半径的圆柱形物体轮廓数据点；通过对于识别后的椭圆弧的中部数据点进行椭圆拟合并计算两侧数据点与拟合出椭圆的距离，可以精确的筛除不属于椭圆弧的测量数据；应用局部回归方法与三次样条插值方法对椭圆弧数据点进行处理，可以快速而有效的将数据平滑化处理与均匀化处理；对处理后的数据点进行椭圆拟合，准确得到圆柱形物体截面椭圆形状的五个特征参数；通过对参数的空间计算处理，最终得到圆柱形物体的位姿信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物体测量领域，更具体地，涉及一种用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法。
技术介绍
具有圆形弧面的柱状物体(例如圆柱形物体)是工业生产中最基本的、出现频率最高的零部件之一，在生产生活中被大量应用。传统上圆柱形物体生产加工时的装夹定位均采用夹具夹持或模具定位的方式，位姿的精度能够保证。但对于某些圆柱度与直线度较差的圆柱形物体，通过夹具夹持或模具定位的方式并不能保证其各个截面的位姿精度；由于圆柱形物体细长状的形状特殊性，在承受诸如单侧焊接、单侧打孔等加工工艺时也易产生翘曲等热变形，此时单纯靠夹具的定位就很难保证圆柱形物体的定位精度，给生产加工带来困难。因而，传统上对于细长圆柱形物体的高精度要求的加工工艺与易变形的加工工艺均由工人手工完成。例如，锅炉膜式水冷壁管排的螺柱焊加工，其生产的过程极为繁琐，效率低下，且工人工作环境恶劣，劳动强度大，人身安全得不到保障。近年来，随着中国科技的进步和经济的迅猛发展，机器人技术不断进步，工业机器人的应用领域越来越广泛，使得在细长圆柱形物体的易变形性加工中应用机器人代替工人变成了可能，而机器人能够实时获取圆柱形物体的位姿是使用工业机器人代替工人进行生产的先决条件。目前，机器人测量物体多采用视觉传感器，这种方式虽然能够保证测量的精度，可成本较高，识别算法的时间复杂度较高，而且对于圆柱形物体来说，利用复杂的视觉传感器来识别位姿是没有必要的。为保证机器人能够正确可靠的进行圆柱形物体的生产加工，如何在最大限度降低成本的条件下研究出简单快速、实用可靠的圆柱形物体位姿测量方法也就变得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术提出了一种快速准确地识别具有圆形弧面的柱状物体的空间位姿的方法，并且该方法的实现成本低，仅需线性激光二维测量传感器即可实现。根据本专利技术的一方面，提出了一种用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法，该方法包括：步骤101，采用线性激光二维测量传感器测量得到多个轮廓数据点，其中，以激光束发射的截面为xoy平面，所述圆形弧面的轴线不平行于所述xoy平面；步骤102，基于所述多个轮廓数据点进行椭圆拟合，识别出至少一个椭圆弧；步骤103，针对识别出的每个椭圆弧，对位于该椭圆弧中部的轮廓数据点进行椭圆拟合，基于位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点与拟合得到的椭圆周间的绝对欧式距离来筛除位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点中的误差点；步骤104，针对识别出的每个椭圆弧，对筛除误差点后剩余的轮廓数据点进行椭圆拟合，以确定相应椭圆的特征参数，所述特征参数包括椭圆中心在所述xoy平面中的位置、椭圆的长半轴长度a、椭圆的短半轴长度b、椭圆的倾斜方向；步骤105，基于所述特征参数，得到与识别出的每个椭圆弧对应的柱状物体段的位姿。可选的，所述步骤102包括：设在步骤101中测量得到number个轮廓数据点，依次为p(x1,y1)、p(x2,y2)、…、p(xnumber,ynumber)；步骤A1，令i＝1，vertex＝1，flag＝0，进入步骤B1；步骤B1，对i至i+num-1共num个轮廓数据点进行椭圆拟合，进入步骤C1；步骤C1，得到当前参与椭圆拟合的num个轮廓数据点中每一者与相应椭圆周间的绝对欧式距离errorj，j＝i,i+1,...,i+num-1,进入步骤D1；步骤D1，如果当前参与椭圆拟合的num个轮廓数据点与相应椭圆周间的绝对欧式距离errorj，j＝i,i+1,...,i+num-1均不超过测量误差阈值error_measure，则进入步骤E1，否则进入步骤F1；步骤E1，认为该num个轮廓数据点均位于同一椭圆弧上，并且如果flag＝0，则进一步记录p(xi,yi)为该椭圆弧的起点即start(vertex)＝i并且设置flag＝1，进入步骤G1；步骤F1，认为该num个轮廓数据点不位于同一椭圆弧上，并且如果flag＝1，则进一步记录p(xi+num-2,yi+num-2)为该椭圆弧的终点即finish(vertex)＝i+num-2并且设置vertex＝vertex+1以及flag＝0，进入步骤G1；步骤G1，如果i+num-1＝number，则结束；否则设置i＝i+1，回到步骤B1，对下一组num个轮廓数据点进行识别，直至i+num-1＝number。可选地，r是所述圆形弧面对应的半径，line_width是每束激光的线宽，width为总测量宽度，distance是所述传感器的激光源点到所述xoy平面与圆形弧面的轴线的交点间的距离，Slope是所述传感器发射的激光束最外轮廓的斜率。可选地，对任意n个轮廓数据点进行椭圆拟合包括：采用最小二乘法(例如非线性最小二乘)、基于使下列目标函数J最小得到椭圆在所述xoy平面上的圆心坐标(x0_n，y0_n)、长半轴长度an、短半轴长度bn、长轴与x轴的夹角θn： J = Σ k = 1 n ( ( x k - x 0 _ n ) 2 + ( y k - y 0 _ n ) 2 - ( x k - x 0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法，该方法包括：步骤101，采用线性激光二维测量传感器测量得到多个轮廓数据点，其中，以激光束发射的截面为xoy平面，所述圆形弧面的轴线不平行于所述xoy平面；步骤102，基于所述多个轮廓数据点进行椭圆拟合，识别出至少一个椭圆弧；步骤103，针对识别出的每个椭圆弧，对位于该椭圆弧中部的轮廓数据点进行椭圆拟合，基于位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点与拟合得到的椭圆周间的绝对欧式距离来筛除位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点中的误差点；步骤104，针对识别出的每个椭圆弧，对筛除误差点后剩余的轮廓数据点进行椭圆拟合，以确定相应椭圆的特征参数，所述特征参数包括椭圆中心在所述xoy平面中的位置、椭圆的长半轴长度a、椭圆的短半轴长度b、椭圆的倾斜方向；步骤105，基于所述特征参数，得到与识别出的每个椭圆弧对应的柱状物体段的位姿。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量具有圆形弧面的柱状物体的位姿的方法，该方法包括：步骤101，采用线性激光二维测量传感器测量得到多个轮廓数据点，其中，以激光束发射的截面为xoy平面，所述圆形弧面的轴线不平行于所述xoy平面；步骤102，基于所述多个轮廓数据点进行椭圆拟合，识别出至少一个椭圆弧；步骤103，针对识别出的每个椭圆弧，对位于该椭圆弧中部的轮廓数据点进行椭圆拟合，基于位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点与拟合得到的椭圆周间的绝对欧式距离来筛除位于该椭圆弧前部和后部的轮廓数据点中的误差点；步骤104，针对识别出的每个椭圆弧，对筛除误差点后剩余的轮廓数据点进行椭圆拟合，以确定相应椭圆的特征参数，所述特征参数包括椭圆中心在所述xoy平面中的位置、椭圆的长半轴长度a、椭圆的短半轴长度b、椭圆的倾斜方向；步骤105，基于所述特征参数，得到与识别出的每个椭圆弧对应的柱状物体段的位姿。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤102包括：设在步骤101中测量得到number个轮廓数据点，依次为p(x1,y1)、p(x2,y2)、…、p(xnumber,ynumber)；步骤A1，令i＝1，vertex＝1，flag＝0，进入步骤B1；步骤B1，对i至i+num-1共num个轮廓数据点进行椭圆拟合，进入步骤C1；步骤C1，得到当前参与椭圆拟合的num个轮廓数据点中每一者与相应椭圆周间的绝对欧式距离errorj，j＝i,i+1,...,i+num-1,进入步骤D1；步骤D1，如果当前参与椭圆拟合的num个轮廓数据点与相应椭圆周间的绝对欧式距离errorj，j＝i,i+1,...,i+num-1均不超过测量误差阈值error_measure，则进入步骤E1，否则进入步骤F1；步骤E1，认为该num个轮廓数据点均位于同一椭圆弧上，并且如果flag＝0，则进一步记录p(xi,yi)为该椭圆弧的起点即start(vertex)＝i并且设置flag＝1，进入步骤G1；步骤F1，认为该num个轮廓数据点不位于同一椭圆弧上，并且如果flag＝1，则进一步记录p(xi+num-2,yi+num-2)为该椭圆弧的终点即finish(vertex)＝i+num-2并且设置vertex＝vertex+1以及flag＝0，进入步骤G1；步骤G1，如果i+num-1＝number，则结束；否则设置i＝i+1，回到步骤B1，对下一组num个轮廓数据点进行识别，直至i+num-1＝number。3.根据权利要求2所述的方法，其中，r是所述圆形弧面对应的半径，line_width是每束激光的线宽，width为总测量宽度，distance是所述传感器的激光源点到所述xoy平面与圆形弧面的轴线的交点间的距离，Slope是所述传感器发射的激光束最外轮廓的斜率。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对任意n个轮廓数据点进行椭圆拟合包括：采用最小二乘法、基于使下列目标函数J最小得到椭圆在所述xoy平面上的圆心坐标(x0_n，y0_n)、长半轴长度an、短半轴长度bn、长轴与x轴的夹角θn： J = Σ k = 1 n ( ( x k - x 0 _ n ) 2 + ( y k - y 0 _ n ) 2 - ( x k - x 0 _ n ) 2 + ( y k - y 0 _ n ) 2 ( x k - x 0 _ n ) 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友东，刘重续，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，北京博创兴盛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11