一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法技术

本发明专利技术公布了一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，该缝隙宽度测量法包括以下步骤：步骤1、采集接缝区域点云；步骤2、点云分割，将点云划分为目标区域与缝隙区域；步骤3、缝隙边缘点提取，获取目标点云缝隙边缘点；步骤4、对缝隙边缘点进行四次B样条曲线拟合；步骤5、计算缝隙边缘点拟合曲线间距，获得缝隙宽度最小、最大值；步骤6、判断缝隙宽度最大值是否大于1mm。本发明专利技术利用执行机构装置搭载3D工业相机，能够自动定位碳纤维料片间缝隙、测量缝隙宽度，进而解决传统碳纤维料片间缝隙检测误检率高、缝隙宽度测量精度低、可靠性差等问题。本发明专利技术方法适用于碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量，具有稳定、高效、精确等优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法


[0001]本专利技术涉及碳纤维复合材料铺叠缝隙检测领域，尤其涉及一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法。

技术介绍

[0002]目前航空制造业逐渐向智能化、信息化、自动化转型，智能制造已然成为航空制造业未来的主要方向。其中，碳纤维复合材料铺叠是航空制造中飞机部件加工生产的重要环节。在铺叠过程中，以特定形状裁剪后的碳纤维复合材料会按照预定方向和顺序在模具上逐层铺叠和拼接。之后，带有多层复合材料的模具将会送入热压炉中加压、加热、固化成形，进而形成飞机的关键部件。在上述铺叠过程中，由于手工或机械铺叠易造成碳纤维料片间缝隙宽度不一致的问题，进而影响部件的整体性能。
[0003]针对铺叠过程中存在碳纤维料片间缝隙宽度过大的问题。生产车间制订了严格的工艺要求(碳纤维料片间缝隙宽度小于1mm)与配套铺叠缝隙宽度检测方案(每层铺叠完成后，工人需要用肉眼逐区域地检测碳纤维料片间缝隙宽度是否符合工艺要求)。但是该检测方案不仅费时、费力，而且检测工人容易产生视觉疲劳，无法准确、可靠的测量碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过3D工业相机采集接缝区域点云数据，并采用区域反向搜索算法，将点云数据划分为目标区域与缝隙区域；2)对目标区域的点云数据采用自适应向量角度判别模型提取缝隙边缘点，作为目标点云缝隙边缘点；3)对缝隙边缘点进行四次B样条曲线拟合；4)采用基于粒子群算法的曲线间距计算模型对拟合曲线进行曲线间距计算，得到料片间缝隙宽度最小值和最大值；5)判断料片间缝隙宽度最大值是否大于阈值，若大于，则发出报警；否则，提示正常，继续铺叠下一层碳纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下步骤：1.1)构建kd树快速搜索点云数据，选取d
t
作为无向图构建中边的阈值，构建多张无向图；1.2)遍历接缝区域点云集合P，获得曲率最小点p
i
，作为区域生长初始种子，将种子所在区域作为当前区域；1.3)对种子点p
i
的k近邻点N
k
(p
i
)采用主成分分析估计近邻点法向量，计算近邻点与种子点的法向量夹角θ、曲率差值ρ：点p
s
、p
j
，p
s
、p
j
∈N
k
(p
i
)法向量夹角θ、曲率差值ρ定义为：θ＝arccosn
sT
n
j
ρ＝σ
s
‑
σ
j
其中，n
s
、n
j
和σ
s
、σ
j
分别为p
s
、p
j
的法向量和曲率；1.4)选取法向量夹角阈值θ
t
、曲率阈值ρ
t
；若θ≤θ
t
、ρ≤ρ
t
，则将该近邻点添加到当前区域，并加入种子序列，否则，对该近邻点所在距离无向图进行深度优先搜索，若该近邻点能反向搜索到当前种子点，则将近邻点添加到当前区域，并加入种子序列；否则该近邻点不划入当前区域且不加入种子序列；1.5)删除当前种子点，从种子序列中取出新的种子点；1.6)重复执行步骤1.3)～步骤1.5)直至种子序列中没有种子，将种子序列所在数据点赋予标签，并返回步骤1.2)，直到遍历所有数据点并赋予标签后，获取标签数量最多的两片点云，记为目标点云区域P
seg
，其余点云作为缝隙点云区域。3.根据权利要求2所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，所述步骤1.1)具体为：设接缝区域点云集合P＝{p
i
p
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
),i∈[1,n]}，采用kd树模型建立三维空间拓扑结构，得到k邻域的索引，选取P中任意点p
i
，记p
i
的k邻域为N
k
(p
i
)，p
i+1
为N
k
(p
i
)中的任意点，两点间距离d为：以d
t
作为距离无向图边的阈值，若d小于等于d
t
，则p
i
与p
i+1
所代表的顶点用边相连，否
则p
i
与p
i+1
所对应的顶点不用边相连，对点云P进行上述操作，构建距离无向图集合G
d
表示为：为：其中，V
id
为无向图的顶点集合，为无向图的边集合，m
d
为距离无向图数量，n为P中数据点个数。4.根据权利要求2所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，所述步骤1.2)具体为：选取P中任意点p
e
，则N
k
(p
e
)的协方差矩阵R为：计算R的特征值集合λ，则点p
e
的曲率σ
pe
为：计算P中所有点的曲率，获取曲率最小点p
i
为：5.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：2.1)遍历目标区域点云Pseg＝{P
i
seg|i∈[1,m
seg
]}及其近邻点p
t
，若近邻点集合存在缝隙区域点，则将加入缝隙边缘点候选集P
can
＝{P
ican
|i∈[1,m
can
]}；其中，点是在点云P内选择近邻点p
t
，m
seg
为目标区域数据点个数，m
can
为缝隙边缘点候选集数据点个数；2.2)选择集合P
can
中任意点p
ican
及其近邻点p
s
，组成点集并拟合平面，将点集投影到该拟合平面上；其中，点是在目标区域P
seg
内选择近邻点p
s
；2.3)以投影点为起点，近邻点p
s
投影点为终点，定义向量2.4)计算向量与相机坐标系Y轴之间夹角2.5)对夹角按小到大排序得到则相邻向量夹角α
j
，j＝1
…
k表示为：2.6)重复执行步骤2.2)～步骤2.5)，得到P
can
的相邻向量夹角集合α＝{α
i,j
|i∈[1,s],j∈[1,k]}，统计集合α，生成相邻向量夹角分布直方图，并设置角度差阈值θ
vec
；2.7)遍历α取出相邻向量夹角大于θ
vec
的对应数据点集合，作为缝隙边缘点集合P
seam
。6.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，
其特征在于，所述步骤3)中的边缘点拟合曲线表达式C(u)为：其中，R为控制顶点集合，u为节点向量集合。7.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉的碳纤维复合材料铺叠缝隙宽度测量方法，其特征在于，所述步骤4)包括以下步骤：4.1)在拟合曲线C(u)和上均随机选择T个粒子得到o
m
和s
m
，以o
i,m
，1≤i≤T为圆心作一个圆，半径满足工艺生产缝隙最大宽度标准，对o
i,m
和被圆包含部分sj
,m
中的一个粒子进行配对，配对规则为粒子间距离最短，配对成功的配对粒子记为o
i,j,m
，1≤i≤T,1≤j≤T；4.2)重复步骤4.1)直到所有粒子配对完毕，且o
m
与s
m
间满足一对一配对的条件；4.3)配对粒子初始化，给予粒子初...

【专利技术属性】
技术研发人员：张吟龙，梁炜，袁立标，王恺，刘帅，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：