一種基于視覺檢測的導管自動識別方法
【專利摘要】本發明一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，包括步驟如下：利用多目視覺檢測儀器獲得導管實物的檢測幾何數據；對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的管形幾何數據；對導管模型的管形幾何數據進行遍歷，分別與導管實物的檢測幾何數據進行匹配，根據容差參數自動獲得匹配目標；確定與導管實物對應的管路樣件庫中的導管模型的標識信息，并將該標識信息粘貼到導管實物上完成導管實物的識別。本發明使得生產現場的操作工人可以根據多目視覺檢測結果直接獲取導管實物零件的管理信息，并生成條碼附著在管路實物零件上，大大減輕了管路實物零件的識別難度。
【專利說明】-種基于視覺檢測的導管自動識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，屬于機械工程【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 管路系統是航天器推進系統、熱控系統、環控生保系統的重要組成部分，各系統的 貯箱、閥門、推力器等零部件由管路連接成高氣密環境實現系統主體功能，所以航天器管路 性能的好壞，將直接影響航天器的功能、可靠性和壽命。
[0003] 航天器管路系統一般由導管和管路連接件組成，導管必須服從航天器內零部件、 設備儀器的布局，在零部件及設備儀器之間縫隙中穿行，并滿足焊接和定位的空間位置要 求，因此形狀各異。導管研制過程中需要經歷彎制、清洗、焊裝等過程，清洗時因為導管有嚴 格的多余物控制要求，必須將標識移除。導管批量清洗后，在管路走向相似、相距較近的情 況下，面對數十條甚至上百條的曲線復雜導管安裝時，因為沒有明確的標識區分，完全依靠 操作者記憶并不能保證導管組件的信息正確，存在出現管路連接發生差錯的可能性。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于視覺檢測的導 管自動識別方法，解決了現有技術中針對生產現場中管路實物零件識別困難的問題。
[0005] 本發明技術解決方案是：一種基于視覺檢測的導管自動識別方法包括步驟如下：
[0006] (1)利用多目視覺檢測儀器獲得導管實物的檢測幾何數據，并進入步驟（3);
[0007] (2)對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的管形幾何數 據，并進入步驟（3);
[0008] (3)對步驟⑵中得到的管形幾何數據進行遍歷，分別與步驟⑴中得到的檢測幾 何數據進行匹配，根據容差參數自動獲得匹配目標，并存入列表List 4中；
[0009] (4)確定列表List4中與導管實物對應的管路樣件庫中的導管模型的標識信息，并 將該標識信息粘貼到導管實物上完成導管實物的識別。
[0010] 所述步驟（2)中對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的 管形幾何數據的具體方法步驟包括：
[0011] 所述的管形幾何數據包括導管的起點坐標、終點坐標、拐點坐標以及彎曲半徑；
[0012] (2a)獲取導管三維理論模型中導管幾何模型所有面的列表；所述的幾何模型的 面包括平面、圓柱面和圓環面；
[0013] (2b)判斷面列表中平面的數量是否等于2,若等于，則存在兩個平面分別為導管 的起點S和終點G所在的平面，并獲取兩個平面Pi和P 2的平面方程，進入步驟（2c);若平 面數量不等于2,則返回錯誤信息，并進入步驟（2k);
[0014] (2c)從面列表中獲得與兩個平面相交的圓柱面(^和^，得到兩個圓柱面中心線Q 和L2的直線方程；
[0015] (2d)利用U和L2的直線方程以及Pi和P2的平面方程求得起點S與終點G的坐 標，并將起點S與終點G放入列表List中；其中起點S與終點G為兩個圓柱面的中心線Li 和L2與兩平面Pi和P2的交點；
[0016] (2e)以平面Pi或P2為起點，根據面列表中所有面的幾何相交關系獲得面列表中 所有圓環面與圓柱面的連接順序，并將連接順序存入列表List ;
[0017] (2f)從List中順序選取所有圓柱面，構成列表List2，并根據List 2所有圓柱 面的排列順序依次求得兩兩圓柱面中心線的交點，將交點坐標插入列表Lis、*，最終得 到Lish = {S，Pl，p2. . . pn，G}，其中η為所有圓柱面的兩兩中心線的交點的個數，所有交點 Pi，Py . . Ρη即為拐點；
[0018] (2g)從Lish中順序選取所有圓環面，構成列表List3，并求得各圓環面的彎曲半 徑；彎曲半徑的求解方法具體如下：
[0019] (2ga)確定與圓環面相連的兩個圓柱面的中心線所在的平面；
[0020] (2gb)求得步驟（2ga)中所確定的平面與圓環面的兩個交線；
[0021] (2gc)測量步驟（2gb)兩條交線的半徑，兩條交線半徑的平均值即為彎曲半徑；
[0022] (2h)解析結束。
[0023] 所述步驟（3)中的容差參數包括角度容差、直段長度容差、終點偏離容差、彎曲半 徑容差；所述角度容差中的角度指兩個相交圓柱面中心線的夾角；所述直段長度指圓柱面 中心線的長度；
[0024] 所述根據容差參數允許的范圍自動獲得匹配目標的方法包括步驟如下：
[0025] (3a)判斷導管實物的兩個圓柱面中心線的夾角與導管樣件庫中導管模型的中心 線夾角的角度差是否小于角度容差，若小于容差值，則進入步驟（3b)，否則判斷導管樣件庫 中沒有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f)，；
[0026] (3b)判斷滿足步驟（3a)條件的導管實物的圓柱面中心線長度與導管樣件庫中 的導管模型的圓柱面中心線長度之差是否小于直段長度容差，若小于容差值，則進入步驟 (3c)，否則判斷導管樣件庫中沒有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f);
[0027] (3c)判斷滿足步驟（3b)條件的導管實物與導管樣件庫中模型起點相同時，終點 的偏移值是否小于終點偏離容差，若小于容差值，則進入步驟（3d)，否則判斷導管樣件庫中 沒有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f);
[0028] (3d)判斷滿足步驟（3c)條件的導管實物的彎曲半徑與導管樣件庫中模型的彎曲 半徑之差是否小于彎曲半徑容差，若小于容差值，則進入步驟（3e)，否則判斷導管樣件庫中 沒有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f);
[0029] (3e)將滿足條件（3d)的導管樣件庫中的導管模型的標識信息放入列表List4中；
[0030] (3f)遍歷結束。
[0031] 所述步驟（3)對所有導管實物重復（3a)_ (3e)的匹配過程，并將所有滿足條件的 結果放入列表List4中；
[0032] 所述步驟（4)中若列表List4中存在多個滿足條件的導管，則選擇各項幾何數據 容差最小的導管，作為匹配搜索的最終結果。
[0033] 本發明的上述技術方案的有益效果如下：
[0034] (1)本發明首先通過多目視覺檢測儀器對導管實物零件進行三維模型重構，并將 導管樣件庫中的理論模型進行幾何解析，在此基礎之上通過幾何數據匹配獲得導管實物零 件的管理信息，通過本發明，使得生產現場的操作工人可以根據多目視覺檢測結果直接獲 取導管實物零件的管理信息，并生成條碼附著在管路實物零件上，大大減輕了管路實物零 件的管理難度，提高了工作效率，節省了工作成本，這是目前管路識別系統中沒有的方法。
[0035] (2)本發明通過起點、終點和拐點的形式表達導管形狀，通過數學表達式完成導管 描述，可以實現導管檢測數據和導管三維模型理論數據之間的精確比對，并且可以動態設 定比對容差，根據設定容差和比對結果確定匹配結果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明方法流程圖；
[0037] 圖2為本發明圓柱面中心線相交示意圖；
[0038] 圖3為本發明彎曲半徑確定示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
[0040] 如圖1表示本發明一種基于視覺檢測的導管自動識別方法包括步驟如下：
[0041] (1)利用多目視覺檢測儀器（例如德國AIC0N公司的Tubeinspect)獲得導管實物 的檢測幾何數據，并進入步驟（3);
[0042] 利用多目視覺檢測儀器獲得導管實物零件的檢測模型方法為：
[0043] (la)將導管實物進行正確擺放，保證導管的每個部位均能夠被多目視覺測量儀器 中的兩個或兩個以上攝像頭拍攝到；
[0044] (lb)根據步驟（la)中多目視覺測量儀器拍攝的圖像以及攝像頭的擺放位置，對 攝像頭拍攝的圖像進行坐標轉換，然后根據導管圖像，并結合投影原理對導管實物進行幾 何重構，獲取導管外徑、彎曲半徑等管形數據；
[0045] (lc)根據導管外徑、彎曲半徑等管形數據獲取基準坐標系（基準坐標系是為了說 明導管起點、終點以及拐點的位置，而選取的參照系。需要特別指出的是，獲得檢測幾何數 據時選擇的導管基準坐標系，應與導管三維理論模型幾何解析時所選取的坐標系一致），并 得到在基準坐標系下導管的起點、終點以及各個拐點的幾何坐標，拐點為導管兩兩相鄰直 線段中心線延長相交形成的交點；
[0046] (Id)將導管的起點、終點以及各個拐點的幾何坐標保存在XML文件中，同時根 據測量結果，通過圓弧掃掠的方法重構導管實物零件的幾何模型，將幾何模型以中性文件 (sat)格式保存，（sat)格式文件用于在CAD系統中顯示導管幾何模型。
[0047] (2)對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析（導管樣件庫指用于存儲 設計的導管三維理論模型的數據庫，在航天用的導管設計完成后，將導管的三維理論模型 進行存儲，步驟（1)中的導管實物是根據這些模型制作完成的），得到導管的管形幾何數 據，并進入步驟（3);
[0048] 對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的管形幾何數據的 具體方法步驟包括：
[0049] 管形幾何數據包括導管的起點坐標、終點坐標、拐點坐標以及彎曲半徑；
[0050] (2a)對導管三維理論模型進行幾何要素解析，獲得導管幾何模型所有面的列表； (首先獲取導管三維理論模型中的所有幾何要素，包含構成導管幾何特征的所有點、線、面， 然后在所有幾何要素中選擇三維模型中面的幾何要素，將獲取的面組成面列表。面的類型 主要包括平面、圓柱面、圓錐面、圓環面、曲面。具體到導管，構成導管幾何特征的面類型包 括平面、圓柱面和圓環面）。
[0051] (2b)判斷面列表中平面的數量是否等于2,若等于，則存在兩個平面分別為導管 的起點S和終點G所在的平面，并獲取兩個平面Pi和P 2的平面方程（平面方程均可用三元 一次方程表達，例如平面Pi :Ax+By+Cz+D = 0)，進入步驟（2c);若平面數量不等于2,則返 回錯誤信息，并進入步驟（2k);
[0052] (2c)從面列表中獲得與兩個平面相交的圓柱面(^和^，得到兩個圓柱面中心線Q 和L2的直線方程；
[0053] (2d)利用U和L2的直線方程以及Pi和P2的平面方程求得起點S與終點G的坐 標，并將起點S與終點G放入列表Lis、中；其中起點S與終點G為兩個圓柱面的中心線Q 和L2與兩平面Pi和P2的交點（已知中心線方程和平面方程，能夠求出交點的坐標解，如直 線方程的一般表達：
【權利要求】
1. 一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，其特征在于包括步驟如下： (1) 利用多目視覺檢測儀器獲得導管實物的檢測幾何數據，并進入步驟（3); (2) 對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的管形幾何數據，并 進入步驟（3); (3) 對步驟（2)中得到的管形幾何數據進行遍歷，分別與步驟（1)中得到的檢測幾何數 據進行匹配，根據容差參數自動獲得匹配目標，并存入列表List 4中； (4) 確定列表List4中與導管實物對應的管路樣件庫中的導管模型的標識信息，并將該 標識信息粘貼到導管實物上完成導管實物的識別。
2. 如權利要求1所述的一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，其特征在于：所述步 驟（2)中對導管樣件庫中的導管三維理論模型進行幾何解析，得到導管的管形幾何數據的 具體方法步驟包括： 所述的管形幾何數據包括導管的起點坐標、終點坐標、拐點坐標以及彎曲半徑； (2a)獲取導管三維理論模型中導管幾何模型所有面的列表；所述的幾何模型的面包 括平面、圓柱面和圓環面； (2b)判斷面列表中平面的數量是否等于2,若等于，則存在兩個平面分別為導管的起 點S和終點G所在的平面，并獲取兩個平面Pi和P2的平面方程，進入步驟（2c);若平面數 量不等于2,則返回錯誤信息，并進入步驟（2k); (2c)從面列表中獲得與兩個平面相交的圓柱面和C2，得到兩個圓柱面中心線Q和 L2的直線方程； (2d)利用U和L2的直線方程以及Pi和P2的平面方程求得起點S與終點G的坐標，并 將起點S與終點G放入列表Lis、中；其中起點S與終點G為兩個圓柱面的中心線Q和L2 與兩平面Pi和P2的交點； (2e)以平面Pi或P2為起點，根據面列表中所有面的幾何相交關系獲得面列表中所有 圓環面與圓柱面的連接順序，并將連接順序存入列表List ; (2f)從Listi*順序選取所有圓柱面，構成列表List2，并根據List2所有圓柱面的排列 順序依次求得兩兩圓柱面中心線的交點，將交點坐標插入列表Lish中，最終得到Lish = {S，Pl，p2. . . pn，G}，其中η為所有圓柱面的兩兩中心線的交點的個數，所有交點Pl，p2. . . pn 即為拐點； (2g)從Listj順序選取所有圓環面，構成列表List3，并求得各圓環面的彎曲半徑；彎 曲半徑的求解方法具體如下： (2ga)確定與圓環面相連的兩個圓柱面的中心線所在的平面； (2gb)求得步驟（2ga)中所確定的平面與圓環面的兩個交線； (2gc)測量步驟（2gb)兩條交線的半徑，兩條交線半徑的平均值即為彎曲半徑； (2h)解析結束。
3. 如權利要求1所述的一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，其特征在于：所述步 驟（3)中的容差參數包括角度容差、直段長度容差、終點偏離容差、彎曲半徑容差；所述角 度容差中的角度指兩個相交圓柱面中心線的夾角；所述直段長度指圓柱面中心線的長度； 所述根據容差參數允許的范圍自動獲得匹配目標的方法包括步驟如下： (3a)判斷導管實物的兩個圓柱面中心線的夾角與導管樣件庫中導管模型的中心線夾 角的角度差是否小于角度容差，若小于容差值，則進入步驟（3b)，否則判斷導管樣件庫中沒 有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f)，； (3b)判斷滿足步驟（3a)條件的導管實物的圓柱面中心線長度與導管樣件庫中的導管 模型的圓柱面中心線長度之差是否小于直段長度容差，若小于容差值，則進入步驟（3c)，否 則判斷導管樣件庫中沒有與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f); (3c)判斷滿足步驟（3b)條件的導管實物與導管樣件庫中模型起點相同時，終點的偏 移值是否小于終點偏離容差，若小于容差值，則進入步驟（3d)，否則判斷導管樣件庫中沒有 與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f); (3d)判斷滿足步驟（3c)條件的導管實物的彎曲半徑與導管樣件庫中模型的彎曲半徑 之差是否小于彎曲半徑容差，若小于容差值，則進入步驟（3e)，否則判斷導管樣件庫中沒有 與導管實物匹配的結果，并進入步驟（3f); (3e)將滿足條件（3d)的導管樣件庫中的導管模型的標識信息放入列表List4* ; (3f)遍歷結束。 所述步驟（3)對所有導管實物重復（3a)_(3e)的匹配過程，并將所有滿足條件的結果 放入列表List4中。
4.如權利要求3所述的一種基于視覺檢測的導管自動識別方法，其特征在于：所述步 驟（4)中若列表List4中存在多個滿足條件的導管，則選擇各項幾何數據容差最小的導管， 作為匹配搜索的最終結果。
【文檔編號】G06F17/30GK104143213SQ201410340399
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】張佳朋, 王文超, 張斌, 張加波, 顏家勇, 仉恒毅, 樊曉霞, 劉鑫, 侯文德 申請人:北京衛星制造廠