一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法制造技术

本发明专利技术公布了一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，所述提取算法包括4个步骤：S1、采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得到支铰轴端面拟合平面P的方程与支铰轴端面拟合平面P的法向量；S2、利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法向量进行处理得到支铰轴轴线L上一点的坐标;S3、利用支铰轴端面拟合平面P与轴线L获得支铰轴端面中心点；S4、将端面中心点进行平移获取支铰轴中心点;本发明专利技术无需工作人员通过高空放置标志点获取支铰轴中心，并且求解精度更高，有效的解决标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周且安置的标志点存在误差，导致支铰轴中心求解不准确并且高空作业存在安全隐患的问题。全隐患的问题。全隐患的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法


[0001]本专利技术涉及水利工程弧形闸门支铰轴的安装与形位公差检测领域，特别是涉及一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法。

技术介绍

[0002]弧形闸门具有启闭省力，运转可靠，闸墩的厚度较小、没有影响水流流态的门槽，泥沙多时工作状态好、启闭力较小、泄流条件好等等的优点,所以弧形闸门成为常用的水利设备，支铰轴是弧形闸重要组成部分，承受着水压力与弧门部分重力，对启门力及闸门工作的可靠性影响很大，其安装检测的参数主要有高程偏差、里程偏差、倾斜、支铰轴间距和同轴度等。如何获取支铰轴中心，是检测这些参数的基础。如附图图1所示，目前支铰轴中心的测量多是基于全站仪配合特制工装，通过人工绕边缘多点放置，拟合圆心获取。
[0003]现有方式具有以下弊端：(1)高空放置，标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周，导致圆心拟合存在偏差，影响求解支铰轴中心的准确性；(2)由于铰轴端面存在倒角、人工安置存在人为误差，所以标志点的安置存在的误差，误差一般为1mm左右；(3)高空作业，人员安全隐患大。
[0004]因为现有技术中标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周且安置的标志点存在误差，导致支铰轴中心求解不准确并且高空作业存在安全隐患的问题，所以开展扫描技术获取支铰轴中心的研究具有较强的实用价值。
[0005]因此本专利技术提供一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法来解决此问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本申请的目的是提供一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，利用平面拟合算法与间接拟合法对外业采集到的数据进行处理，其中约束条件将支铰轴设计图纸的精准数据与采集到的数据相结合，从而保证所得到的支铰轴中心数据的准确性，解决了标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周且安置的标志点存在误差，导致得出支铰轴中心存在偏差的问题，于此同时不需要高空放置标志点，解决了高空作业的安全隐患的问题，从而有效的解决现有技术中标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周且安置的标志点存在误差，导致支铰轴中心求解不准确并且高空作业存在安全隐患的问题。
[0007]一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，所述提取算法包括4个步骤：
[0008]S1、采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得到支铰轴端面拟合平面P的方程与支铰轴端面拟合平面P的法向量；
[0009]S2、利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法向量进行处理得到支铰轴轴线L上一点的坐标；
[0010]所述间接拟合法即利用柱面拟合算法、附加约束条件与参数平差对数据进行处理；
[0011]S3、利用支铰轴端面拟合平面P的方程与轴线L的方程获得支铰轴端面中心点；
[0012]S4、将端面中心点进行平移获取支铰轴中心点。
[0013]本专利技术所实现的有益效果：
[0014]本方案利用平面拟合算法与间接拟合法对外业采集到的数据进行处理，约束条件充分将支铰轴设计图纸的精准数据与采集到的数据相结合，得到的支铰轴中心坐标数据的精度比通过放置标志点得到支铰轴中心坐标数据的精度更高，本文方法直接对支铰轴进行检测，不需经过特制的工装进行间接求测，消除了人为误差，工作人员也不需要进行高空作业，显著提高了作业的安全性，解决了现有技术中标志点放置的范围难以完全覆盖支铰圆周且安置的标志点存在误差，导致支铰轴中心求解不准确并且高空作业存在安全隐患的问题。
附图说明
[0015]图1为现有支铰轴中心测量方式示意图。
[0016]图2为扫描获取支铰轴中心的技术路线示意图。
[0017]图3为扫描区域的确定示意图。
[0018]图4为支铰轴端面拟合平面示意图。
[0019]图5为支铰轴拟合柱面示意图。
[0020]图6为支铰轴端面圆心的确定示意图。
[0021]图7为本文方法的外业测量场景1示意图。
[0022]图8为本文方法的外业测量场景2示意图。
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施例，进一步阐述本方案，实施例在以本方案为前提的情况下进行实施，以说明书附图为参考，以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
[0024]以下将参照附图，通过实施方式详细的描述本方案提供的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法。
[0025]一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，所述提取算法包括4个步骤：
[0026]S1、采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得到支铰轴端面拟合平面P的方程与支铰轴端面拟合平面P的法向量；
[0027]S2、利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法向量进行处理得到支铰轴轴线L上一点的坐标；
[0028]所述间接拟合法即利用柱面拟合算法、附加约束条件与参数平差对数据进行处理；
[0029]S3、利用支铰轴端面拟合平面P的方程与轴线L的方程获得支铰轴端面中心点；
[0030]S4、将端面中心点进行平移获取支铰轴中心点。
[0031]一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法在获取与支铰轴相关的数据的具体应用技术路线见附图图2；
[0032]外业数据采集：扫描仪架设完成后，外业利用扫描仪对支铰轴进行扫描之前需首先设定扫描参数，设定扫描区域和设定扫描分辨率。由于一般支铰轴露出铰座的部分长度
较小介于50mm～60mm，因此，尽可能增加扫描的分辨率，获取更多关于铰轴柱面的信息，是保证支铰轴圆柱面拟合的关键。在增加扫描分辨率的同时，如附图图3所示，精细化扫描区域，减少无效外业，是减少扫描时间、提高外业效率的有效方法，具体测量场景，如附图图3、图4所示。
[0033]所述S1：采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得出支铰轴端面拟合平面P的方程以及支铰轴端面拟合平面P的法向量，具体内容如下：
[0034]扫描获取支铰轴端面的数据后，如附图图4所示，利用平面拟合算法，拟合获取支铰轴端面拟合平面P与平面支铰轴端面拟合平面P的法向量T；
[0035]附图图4进行平面拟合时，如式(1)所示，需首先利用梯度滤波算法获取支铰轴端面的点云数据，然后利用平面的一般式方程进行拟合，AX+BY+CZ+D＝0(1)，公式(1)中，(X，Y，Z)为扫描点的三维坐标，利用最小二乘算法拟合获取支铰轴端面拟合平面P的一般式方程后，即可获得一般式中的A、B、C、D的值，从而得到支铰轴端面拟合平面P的表达式方程式与支铰轴端面拟合平面P的法向量T(A、B、C)。
[0036]所述S2：利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法向量进行处理得到支铰轴轴线L上一点的坐标，具体内容如下：
[0037]利用柱面拟合算法对支铰轴柱面进行拟合，由于支铰轴的轴线与支铰轴端面的法向量平行，且支铰轴端面的法向量可通过支铰轴端面拟合平面P获取，因此在拟合柱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，其特征在于，所述提取算法包括4个步骤：S1、采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得到支铰轴端面拟合平面P的方程与支铰轴端面拟合平面P的法向量；S2、利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法向量进行处理得到支铰轴轴线L上一点的坐标；所述间接拟合法即利用柱面拟合算法、附加约束条件与参数平差对数据进行处理；S3、利用支铰轴端面拟合平面P与轴线L获得支铰轴端面中心点；S4、将端面中心点进行平移获取支铰轴中心点。2.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，其特征在于，所述外业数据采集的具体过程为：扫描仪架设完成后，外业人员利用扫描仪对支铰轴进行扫描之前需设定扫描区域和设置扫描分辨率；增加扫描的分辨率，获取关于铰轴柱面的数据，在增加扫描分辨率的同时，细化扫描区域，扫描仪扫描结束后，得到外业采集到的数据。3.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，其特征在于，所述步骤S1的具体内容为：S1.1、利用梯度滤波算法从扫描采集到的数据中获取支铰轴端面上的点云数据；S1.2、构建支铰轴端面拟合平面P的一般式方程：AX+BY+CZ+D＝0(1)，公式(1)中(X，Y，Z)为支铰轴端面上的点的三维坐标；S1.3、将支铰轴端面上的点的三维坐标代入公式(1),利用最小二乘算法进行拟合后，即可获得一般式中的A、B、C、D的值，从而得到支铰轴端面拟合平面P的表达式方程式与支铰轴端面你和平面P的法向量T(A、B、C)。4.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法，其特征在于，所述步骤S2的具体内容为：S2.1、扫描前设置扫描的区域，并对外业采集到的数据进行人工裁剪，获取支铰轴柱面上的点云信息；S2.2、构建支铰轴轴线L点向式方程：公式(2)中(x
l
，y
l
，z
l
)为轴线上某点的三维坐标，记为P
l
，(a，b，c)为轴线的方向向量T1，t为轴线上任一点到点P
l
(x
l
，y
l
，z
l
)的距离，公式(2)中(X1，Y1，Z1)为支铰轴轴线上的点的三维坐标；S2.3、构建点到直线的距离方程，直线为S2.2构建的支铰轴柱面轴线L，代入可得到距离d的方程为：公式(3)中的(x，y，z)为支铰轴柱面上的点的三维坐标，(x
l
，y
l
，z
l
)为轴线上某点的三维坐标，(a，b，c)为轴线的方向向量T1；
S2.4、采用附有约束条件的参数平差求解出的支铰轴轴线上L的点P
l
的坐标，具体过程如下：通过公式(3)，可建立支铰轴柱面拟合的误差方程，如公式(4)所示：v＝d

【专利技术属性】
技术研发人员：李东明，王占华，王志颖，张兵，涂从刚，张宇，杜蔚琼，曹世豪，文俊，李帅，郭宁泊，
申请(专利权)人：水利部水工金属结构质量检验测试中心，
类型：发明
国别省市：