基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法，包括如下步骤：取焊接图，通过基于K

【技术实现步骤摘要】
基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法


[0001]本专利技术涉及一种基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法，属于区域生长算法


技术介绍

[0002]如何在坡口焊接中准确有效地提取焊件上的焊缝，从而获取焊接的路径，是目前焊接领域的研究热点之一。目前工业领域应用最多的是结构光中心线提取，在焊接过程中数据易受到弧光干扰，从而影响该算法的分割效果。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对上述现有存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法，基于三维点云算法处理焊接区域得到焊缝，通过八叉树的区域生长算法划分出焊缝所在区域，并对该区域进行轮廓提取，得到焊缝的形态，对获取的工件点云进行区域划分并提取焊缝形态。
[0004]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：取焊接图，通过基于K
‑
近邻搜索的法向量估计算法，计算每个点的法向量，计算出K个近邻点的协方差矩阵，再采用如下主成分分析法计算出协方差矩阵的最小特征值对应的特征向量即为估计的法向量：
[0007][0008][0009]步骤2：计算估计的点组成的表面曲率，设协方差矩阵有三个特征向量，分别是λ0，λ1，λ2，且λ0≤λ1≤λ2，曲率δ表示为：
[0010][0011]用表示，表示每个点的方向，则约束方程表示为：
[0012][0013]将每个点的曲率按升序排序，并选取最小曲率的点作为种子开始生长，设置输入的点云集合为{A}，区域集合{R
c
}，种子集合{S
c
}，所有点的曲率集合为{c},法向量集合为{N}，当种子点的邻域点与种子点之间的法向量夹角小于设定的夹角阈值时，则认为该点与种子点属于同一区域如果此点的曲率小于设定的阈值，则将该点设置为新的种子点，按照上述算法进行新一轮的区域生长，直到所有种子点生长完毕且原始点云中的点全部转化为区域生长的点；
[0014]步骤3：利用八叉树体素化点云，确定输入点云数据的最小包围盒，以此作为八叉
树生长的根节点或零级节点，在分割时会根据点云密度的最小值初始化体素的大小，即根据点云中最稀疏的部分来确定分割粒度，这样可以确保在后续的分割中不会出现分割区域间断的情况。点云的密度计算如下：
[0015][0016]其中，k代表八叉树邻域范围内的点，r
k
代表从计算的点到邻域最远点的间距；
[0017]步骤4：通过激光扫描仪测距和允许的近邻点最大角度偏差，得出实际需要计算的邻域点个数，如下式所示：
[0018][0019]其中，常数12代表此比例可以达到基于体素法向量估计的最优值；
[0020]步骤5：划分的体素格大小需要保证准确包含所有的邻域点，所以体素格边长要大于公式(3.3)所计算的值：
[0021][0022]步骤6：采用剩余阈值作为八叉树终止划分的依据，剩余阈值的计算如下：
[0023][0024]其中，k表示体素内所有邻域点的个数，d表示体素内各点到由中心点和该中心点的法向量拟合的平面的距离。
[0025]进一步的，步骤3中具体步骤为：以根节点为起点，将包围盒内的空间进行八叉树递归划分，并将个数大于等于三的非空子节点的指针存储于它的上一级节点中，以确保每个节点中的指针都能指向它的子节点，增加树的深度，并且从父节点到子节点的所有链接均为单向，所有非空节点都被分成八个相同的子节点，从而使同一深度上所有体素大小相同。
[0026]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：为了解决焊缝结构光中心线提取算法中存在的弧光干扰等问题，本基于三维点云的焊缝提取方案，以取得焊接区域的形态。对于坡口增材而言，第一层焊缝的轮廓会为第二层焊接提供路径的信息，并且一层一道焊的焊接质量的好坏将直接影响后续层数的焊接效果。而第二层焊缝则为第三层的焊接提供路径指引，决定了第三层焊接是否能完美填充坡口，因此，前两层焊缝的提取将变得尤为重要。利用八叉树区域生长算法对工件的一层一道焊焊缝进行识别并提取，在实验结果上相比于传统的点云区域生长算法F1
‑
score提高了5.93个百分点；与RANSAC对比，F1
‑
score则提升12.40个百分点。在第二层的提取效果尽管不及在一层一道焊的提取效果，但与基于点的区域生长算法和RANSAC相比，仍然是最优的，以F1
‑
score为评价指标，分别高于基于点区域生长算法4.43个百分点，高于RANSAC算法10.21个百分点。通过对分割出的一层一道焊和坡口第二层焊区域进行边缘提取，得出焊接区域的轮廓线，并且与实际值之间的平均误差分别为0.138mm和0.18mm，可以为后续的增材提供焊接引导，验证了本算法在坡口增材中的精确性。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的实施例的实验工件示意图；
[0028]图2是本专利技术的实施例的坡口焊接道数编号图；
[0029]图3是本专利技术的八叉树工作原理；
[0030]图4是本专利技术的八叉树剩余阈值法处理点云效果对比图，
[0031]图中：(a)为原始点云数据，(b)为经过八叉树剩余阈值法处理之后的数据；
[0032]图5是本专利技术的八叉树区域生长算法流程图；
[0033]图6是本专利技术的实施例的数据获取平台外观示意图；
[0034]图7是本专利技术的实施例的期望分割区域示意图，
[0035]图中：(a)～(c)为扫描完整工件特征标记图，(d)为扫描不完整工件特征标记图；
[0036]图8是本专利技术的实施例的八叉树区域生长算法在数据集上的提取效果示意图，
[0037]图中：(a)～(c)为扫描完整工件区域提取效果；(d)为扫描不完整工件区域提取效果；
[0038]图9是本专利技术的实施例的基于点的区域生长算法提取效果图，
[0039]图中：(a)～(c)为扫描完整工件区域提取效果；(d)为扫描不完整工件区域提取效果；
[0040]图10是本专利技术的实施例的RANSAC提取效果图，
[0041]图中：(a)～(c)为扫描完整工件区域提取效果；(d)为扫描不完整工件区域提取效果；
[0042]图11是本专利技术的实施例的八叉树区域生长算法在1组为真实值时，不同工件多层多道焊提取效果图，
[0043]图中：(a1)～(a2)为二层一道焊；(b1)～(b2)为二层二道焊；
[0044]图12是本专利技术的实施例的八叉树区域生长算法在2组为实验提取结果时，不同工件多层多道焊提取效果图，
[0045]图中：(c1)～(c2)为二层一道焊；(d1)～(d2)为二层二道焊；
[0046]图13是本专利技术的实施例的基于点区域生长算法和RANSAC算法在坡口二层提取效果，
[0047]图中：(a1)～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于八叉树区域生长的焊接路径提取方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：取焊接图，通过基于K
‑
近邻搜索的法向量估计算法，计算每个点的法向量，计算出K个近邻点的协方差矩阵，再采用如下主成分分析法计算出协方差矩阵的最小特征值对应的特征向量即为估计的法向量：应的特征向量即为估计的法向量：步骤2：计算估计的点组成的表面曲率，设协方差矩阵有三个特征向量，分别是λ0，λ1，λ2，且λ0≤λ1≤λ2，曲率δ表示为：用表示，表示每个点的方向，则约束方程表示为：将每个点的曲率按升序排序，并选取最小曲率的点作为种子开始生长，设置输入的点云集合为{A}，区域集合{R
c
}，种子集合{S
c
}，所有点的曲率集合为{c},法向量集合为{N}，当种子点的邻域点与种子点之间的法向量夹角小于设定的夹角阈值时，则认为该点与种子点属于同一区域如果此点的曲率小于设定的阈值，则将该点设置为新的种子点，按照上述算法进行新一轮的区域生长，直到所有种子点生长完毕且原始点云中的点全部转化为区域生长的点；步骤3：利用八叉树体素化点云，确定输入点云数据的最小包围盒，以此作为八叉树生长的根节点或零级节点，在分割时会根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱勐，蒋琦，陈西北，焦俊勇，王君侠，
申请(专利权)人：南京南暄禾雅科技有限公司，
类型：发明
国别省市：