一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法技术

本发明专利技术为一种基于截面线分析的点云与几何模型对齐方法。首先把点云和几何模型初步对齐；然后，在几何模型上确定定位点的位置，并确定至少３条截面线，这些截面线用于修正点云中定位点的位置。然后，在点云中取截面线，通过比例关系或特征关系，确定出定位点的修正量。判断修正后定位点与几何模型定位点的差值，如果相差比较大，采用修正后的三个定位点，根据三点定位原理，对点云进行平移和旋转。对旋转和平移后再次取截面线，修正定位点，判断正后定位点与几何模型定位点的差值，直到差值很小为止。采用这种方法，可使点云数据和几何模型按特定的要求对齐。该发明专利技术在冲压零件回弹分析等方面有一定应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一套薄板冲压成型领域。具体为一种基于截面线分析的点云与 几何数模对齐方法。
技术介绍
汽车车身上主要是薄板冲压件。为了提高车身的安全性，减少车身重量， 在汽车车身零件上采用越来越多高强度钢，而高强度钢的冲压回弹问题特别突 出。所谓回弹，是指零件从冲压模具退出时，冲压件中弹性应力的释放，造成 零件的变形。回弹后的零件与模具的几何型面不再吻合，如果按照零件几何模 型加工型面，回弹导致冲压后零件的尺寸精度达不到设计尺寸要求。为了克服回弹问题，需要准确知道各个部位的回弹量，在对应部位修改型 面，这样使回弹后的零件刚好达到设计尺寸要求。有限元分析软件对回弹的模 拟精度还达不到工程应用阶段，它可以减少回弹误差，但很难消除回弹误差。 实际工厂一般先在采用样模制造出合格零件后，在制作样模前，有限元分析软件对回弹的模拟，可用于模具型面的初步回弹补偿；然后做实际模具。所谓样 模，也称为"软模"， 一般采用比较廉价的材料制作；用高强度钢实际生成模具， 对模具材料有很高要求，材料的价格高，并且加工性能差一些。做软模主要是为了避免高强度钢板料的回弹误差。激光或白光扫描技术在 模具公司中普遍采用。通过扫描零件，可得到零件的点云数据。通过点云模型 与零件几何模型的位置对上，可分析零件的几何精度，分析零件的回弹部位和 回弹量，从而有针对性的对模具型面进行修改，补偿零件回弹。以上分析的前 提是点云数据和几何模型能准确的对齐，点云与数模的准确对齐是一个比较棘手的问题。一些商业点云处理软件中采用最小平方法对齐点云和几何数模，也就是使 点云与几何数模的平均误差最小，由于零件回弹后的几何位置与几何模型是有 差别的，某些部位的回弹量很小，不需要补偿，采用上面定位方式可能导致零 件在这些部位也需要进行回弹补偿。三点定位原理是本专利技术的基础。所谓三点定位原理，是指两个坐标系中， 有不共线的三点在两个不同坐标系的位置是对应并且坐标位置已知，通过这三 个点可以确定坐标平移和旋转矩阵。通过坐标平移和旋转矩阵，可以把一个坐 标系里的模型，平移和旋转到另一坐标系中去。零件几何数模坐标系与零件扫 描点云所在坐标系一般不重合，零件几何模型坐标系中三点是任意选取的，但 这三点在零件扫描点云所在坐标系的位置很难确定，导致点云数据和几何模型很难准确对齐。本专利技术提出一种点云与数模对应的新方法。该方法通过在初步对齐的点云上取3条截面线，在这3条截面线上有3个定位点。通过3个定位点的准确查 找和修正，可得到准确的3个点。通过点云中的3个定位点，如果与数模上三 个点的对应关系，可以准确的把点云数据和几何模型对应起来。该方法可精确 对齐点云数据和几何数模，是冲压模具型面回弹补偿的基础，在工业上有广泛 的应用价值。
技术实现思路
本专利技术是一种点云与数模对应的方法，该方法实施的步骤如图l所示。 (1)首先使点云数据与几何模型初步对齐。 一般情况下，测量时会指定3 点作为定位基准。由于测量系统误差，即使有3点定位基准，点云和数模难以 准确对上。如果没有3点，可在模型中选择3点，在点云中对应位置选3点由于点云测量误差，以及这3点选择的人为误差，这3点是不准确的。通过3 点定位原理，可把点云和几何模型初步对齐。(2)在模型和点云中取截面线，更新3个定位点。初步对齐后，需要在数模和点云模型中取3条截面线。截面线的取法见图2 所示。因为3维比较难以表示，这里采用二维图来表示，其中，截面线S1和S2 基本上与XZ平面平行，可允许一定角度。截面线S3基本上与YZ平面平行，可 允许一定角度。以上允许角度建议在15度以内。这里3个定位点位P1，P2，P3， 其中，Pl是截面线Sl和S3的交点，P2是截面线S2和S3的交点。P3是截面线 Sl上的点，在S1上有特定的位置。在点云中的3个定位点，分别用Pl' ， P2' ， P3'表示，与几何模型中3个定位 点Pl， P2， P3对应。Pl' ， P2' ， P3'点在点云中开始是3条直线的交点，但这些点 同几何模型上的3点是不对应的，需要修正。本专利技术的关键点是如何通过3条 截面线，修正P1'，P2'，P3，的坐标。该专利技术的基本原理是几何三角形中的平行底 面的交线满足的比例原理，如图3所示。如果三角形的边BC与X轴平行，那么 F点的坐标Y值与E点坐标的Y值是对应的。实际在点云中所取的截面线， 一般与其理想位置有一定差值，如图4所示。 按照图3中的比例关系，可以求出定位点在点云截面线上的位置，如图4中黑 点所示，在几何模型中该点的位置用空心圆点表示。尽管黑点中的Y值坐标与 空心圆点的Y值坐标有差别，但黑点中的X值坐标与空心圆点的X值坐标非常 接近。通过该截面线可确定出X值的坐标。同理，也可确定出Y轴和Z轴的近 似坐标。上面原理实际上是用两个点的坐标值，来修正点云中定位点的位置。选点 Pl说明其修正过程。在点云中，P1在截面S1上的点为S1P1， P1在截面S3上的点为S3P1，如图5所示。按比例关系确定点S3P1和S1P1的位置。在图5中，A， B， Pl是几何模型上 3点，A' ， B' ， S1P1是点云截面线Sl上的3点，S1P1的X坐标可通过下面公式计算<formula>formula see original document page 6</formula>上面表达式中只有S1P1(X)是未知的，因而可求解。A' (X)，B' (X)是点云中该底面的边缘点，找到这些边缘需要一些已有的技术，比如通过曲率分析，找到底面的边缘部位。该分析见图6所示。在点云中取截面线有比较成熟的技术，通过选择截面上的点加以拟合，就可以得到截面线。同理，对点S3P1的Y坐标，可用下面表达式计算。<formula>formula see original document page 6</formula>以上的S3P1，S1P1如果取在某些特征点上，比如孔或凸台的圆心，或直线 中点，不用上面的公式，也可确定出点S3P1，S1P1的位置。定位点的位置实际上是根据两个点的相对位置处理的，如图7所示。根据 这两个坐标的分量，点云定位点P1'的坐标为<formula>formula see original document page 6</formula>同理，截面S2上有点S2P2，截面S3上有点S3P2， P2'的坐标为<formula>formula see original document page 6</formula>P2'(Z) = S2P2(Z):S3P2(Z) (8) 在截面Sl上有点S1P3， P3'的坐标与S1P3的坐标相同5 P3'的坐标为P3' (X)二S1P3(X) (9) P3， (Y)=S1P3(Y) (10) P3， (Z)二S1P3(Z) (11) 根据3点定位原理，第3点只需要与第1点和第2点在同一个平面就可， 该点的坐标不需要采用两条截面线来确定。当然，也可增加一条截面线，来准 确确定该点位置。(3)求出P1'，P2'，P3'的坐标后，判定其是否需要旋转和平移。 如果Pl' ， P2' ， P3'的坐标同Pl， P2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法，其特征在于：测量时指定３点作为定位基准，如果没有３点，可在模型中选择３点，在点云中对应位置选３点，使点云数据和几何模型对齐起来。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘迪辉，李光耀，崔向阳，郑刚，干年妃，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]