一种基于激光雷达的圆孔特征测量与参数提取方法与流程

1.本发明属于精密测量与点云处理领域，尤其涉及一种基于激光雷达的圆孔特征测量与参数提取方法。


背景技术：

2.激光雷达在大型装备、零件检测领域具有极其广泛的应用。激光雷达工作原理，如附图1所示，其中，将仪器方位轴定义为y轴，仪器俯仰轴定义为x轴，仪器激光水平出射角度定义为z轴。激光器发出激光经过反射镜反射到被测物表面上，通过调频激光测距的方法可以测量得到仪器原点到被测物之间的距离l，同时，反射镜可以绕x轴和y轴旋转，通过二维正交测角光栅可以完成反射镜旋转角度的测量，其中绕x旋转角度为α，绕y旋转角度为β，由此获得球坐标系下空间点的球坐标(l, α, β)，利用球坐标系与笛卡尔坐标系之间的转换关系就可以得到被测点的三维坐标(x, y, z)，关系如公式（1）。
3.(1)激光雷达在使用过程中，经常需要对被测物圆孔特征进行测量，并提取圆特征几何参数及位置参数。但是，由于激光雷达测量原理与圆孔特征本身的限制，测量得到的数据仅有几条线的数据，目前没有有效地圆孔特征提取算法准确获取圆孔形状参数和位置参数。


技术实现要素：

4.本公开根据激光雷达测量孔特征参数的需求，基于激光雷达测量机理，提供了一种基于该设备的圆孔特征测量与圆孔参数提取方法，用于激光雷达在对被测物孔洞特征测量时，准确测量并提取三维空间圆特征几何参数及位置参数。
5.采用该设备对孔特征进行测量时，测量点数据较为稀疏，相对密集点云处理方法，具有较大差别。本公开通过圆孔特征测量路径规划、点云分割算法、求取点云重心、孔边缘点提取、圆特征三维拟合，有效地实现了采用激光雷达对三维空间圆特征几何参数及位置参数的测量，从而丰富了自研激光雷达的应用场景。
6.本公开提供的基于激光雷达的圆孔特征测量与圆孔参数提取方法，技术思路如图3所示，主要包括以下步骤：测量路径规划：沿圆孔边缘的直径，每隔360
°
/n进行一次测量，得到n条直线的测量数据；点云分割：对于各条直线测得的数据，通过平面拟合，将处于平面中的数据和圆孔内壁数据分开，后续即根据平面中的测量直线的数据进行计算；取平面数据点云的重心点；提取圆孔边缘点：找出每条测量线的平面数据中到该重心点距离最近的点，即为
圆孔边缘点；根据提取的圆孔边缘点进行三维空间圆拟合，求解得到圆孔边缘的圆心坐标与圆半径。
7.与现有技术相比，本公开的有益效果是：1）通过圆孔特征测量路径规划、孔边缘点提取、圆特征三维拟合，实现了激光雷达对三维空间圆孔特征几何参数及位置参数的测量；2）方法简便可行，具有良好实用性；3）有效地拓展了激光雷达的应用场景。
附图说明
8.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
9.图1为激光雷达工作原理；图2为激光雷达圆孔特征测量场景；图3为根据本公开的圆孔特征测量与圆孔参数提取方法流程图；图4为圆孔特征测量路径规划示例；图5为圆孔测量数据示例；图6为点云分割示意图；图7为重心点位置及p
ni
位置示意图；图8为提取得到的孔边缘点。
具体实施方式
10.下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
11.本公开提供了一种圆孔特征测量与圆孔参数提取方法，流程图如附图3所示，通过圆孔特征测量路径规划、点云分割算法、求取点云重心、孔边缘点提取、圆特征三维拟合，有效地采用激光雷达实现了三维空间圆特征几何参数及位置参数的测量，根据本公开的示例性实施例，测量场景如附图2所示，主要包括以下步骤：（1）对激光雷达开展圆孔特征测量的路径进行规划。
12.本公开采用的测量路径为：在覆盖孔的测量范围内，通过光学系统方位和俯仰方向的转动，沿圆孔外缘的直径，均匀的间隔360
°
/n，测量n条直线，测量路径如图4所示，得到的圆孔测量数据如图5所示。
13.将每一条直线测量数据存储到pl1、pl2、
…
、pln数组中。
14.作为优选，n一般取3到12之间。
15.（2）点云分割：由于激光雷达测量得到的数据大部分在一个平面特征上，圆孔内壁测量数据少，因此先通过随机采样一致性算法进行平面拟合，将处于平面上的数据存为一个数组，剩下的数据即为圆孔内壁数据。从而将平面特征和圆孔内壁数据分开。
16.将内壁数据去除，后续步骤只根据平面上的测量直线的数据开展计算。
17.作为优选，本实施例仅以随机采样一致性算法为例进行点云分割，但是不限于该方法。
18.（3）取平面数据的点云重心，该重心点数据必然在待求圆内，如图7所示。
19.重心点的确定可以采用以下方法：即取点云分割出的平面所有点的x、y、z三个坐标分量的加权平均值作为重心点坐标。其中，n为测量直线数；m为点云分割之后，每条测量直线上的点数。
20.（4）计算平面中每条测量直线上的数据到重心点的距离，如公式（2）所示，从而可得每条线上点p
ni
到重心点之间的距离d
ni
。
21.(2)其中：d
ni
‑‑‑‑
第n条测量线第i点到重心点距离；x
ni
、y
ni
、z
ni
‑‑‑‑
第n条测量线第i点坐标；
‑‑‑‑
重心点坐标。
22.计算p
ni+1
点、p
ni-1
点与p
ni
的距离，由于每条直线测量数据是按顺序采集的，距离大的即为另外半条线的端点，记为。
23.重复此过程，即可找到n条直线距离重心点最近的直线端点，这些点即为孔边缘点，如图8所示，用于圆孔数据拟合。为了方便后续圆拟合算法表达方便，提取得到的边缘点命名为从1到n。
24.（5）根据提取的孔边缘点进行三维空间圆拟合。
25.本实施例采用的圆拟合算法如下，但不仅限于该方法。
26.1）求解圆所在平面方程与平面法向量。由于孔边缘点在三维空间中，大致处于一个平面上，平面方程可用平面方程一般式表示为：(3)用矩阵表达为：(4)其中：其中：其中：通过最小二乘法即可求得平面法向量为a。
27.(5)2）构建圆方程。根据点在圆上，圆心为c，可用下式表示：(6)其中：将所有点数据带入方程（6）可得：(7)其中：其中：其中：3）求解圆心坐标与圆半径。圆心c必在1）所构建面上，因此满足如下方程：(8)构建在（8）式条件约束下的最优解，方程表达如下：(9)其中：
‑‑‑‑
拉格朗日算子。
28.通过对求导与矩阵变换，可以求得圆心坐标c，如下式所示。
29.(10)通过上式计算得到圆心坐标，圆的半径可由所有孔边缘点到圆心的距离的平均值确定，即为圆半径，求解方程如下：(11)
其中x
ni
、y
ni
、z
ni
同步骤（4）一样，为第n条测量线第i点坐标。
30.通过以上圆孔特征测量路径规划、点云分割、孔边缘点提取、圆特征三维拟合，有效实现了利用激光雷达对三维空间圆孔特征几何参数及位置参数的测量。
31.上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

技术特征：
1.一种基于激光雷达的圆孔特征测量与圆孔参数提取方法，包括以下步骤：s1，测量路径规划：沿圆孔边缘的直径，每隔360
°
/n进行一次测量，得到n条直线的测量数据；s2，点云分割：对于各条测量直线的数据，通过平面拟合，将处于平面中的数据和圆孔内壁数据分开；s3，取平面中所有数据点云的重心点，找出每条测量线平面数据到该重心点距离最近的点，即为圆孔边缘点；s4，根据提取的圆孔边缘点进行三维空间圆拟合，求解圆孔边缘的圆心坐标与圆半径。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中的n取3到12之间。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤s2中，采用随机采样一致性算法进行平面拟合。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤s3具体包括：s31，取平面中所有数据点云的重心点；s32，计算每条测量线上平面数据中的第i点p
ni
到重心点距离d
ni
，公式如式（2）所示：（2）其中：d
ni
‑‑‑‑
第n条测量线第i点到重心点距离；x
ni
、y
ni
、z
ni ‑‑‑‑
第n条测量线第i点坐标；
ꢀ‑‑‑‑
重心点坐标；s33，计算比较p
ni+1
点、p
ni-1
点与p
ni
的距离，由于每条直线测量数据是按顺序采集的，距离大的即为另外半条线的端点，记为；重复此过程，即可找到各条测量线平面数据中距离重心点最近的点，这些点即为圆孔的边缘点。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤s4具体包括：s41，求解圆所在平面方程与平面法向量：设第j个（j =1,...,n）孔边缘点的坐标为（x
j , y
j , z
j
）；由于孔边缘点在三维空间中，大致处于一个平面上，平面方程可用平面方程一般式表示为：用矩阵表达为：其中：
通过最小二乘法即可求得平面法向量为a；s42，构建圆方程：根据点在圆上，圆心为c，可用式（6）表示：（6）其中：将所有点数据带入方程（6）可得：（7）其中：其中：其中：；s43，求解圆心坐标与圆半径：圆心c必在步骤s41所构建面上，因此满足如下方程：
（8）构建在（8）式条件约束下的最优解，方程表达如下：（9）其中，
‑‑‑‑
拉格朗日算子；通过对求导与矩阵变换，可以求得圆心坐标c，如式（10）所示：（10）通过上式计算得到圆心坐标，圆的半径可由所有孔边缘点到圆心的距离的平均值确定，即为圆半径，求解方程如式(11)所示：（11）。

技术总结
一种基于激光雷达的圆孔特征测量与圆孔参数提取方法，主要步骤包括：圆孔特征测量路径规划；圆孔外平面点云和孔内壁点云分割；求取平面点云重心，提取孔边缘点；圆特征三维拟合，求取圆心位置和圆半径。本公开实现了利用激光雷达对三维空间圆特征几何参数及位置参数的测量，有效地拓展和丰富了激光雷达的应用场景。场景。场景。


技术研发人员：王晓光 郭力振 郭天茂 杨奕 鲍晨兴 朱浩 滕晓 王锴磊
受保护的技术使用者：北京航天计量测试技术研究所
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/7/21