本发明涉及钢结构虚拟预拼装领域。更具体地说，本发明涉及一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法。
背景技术：
桥梁用钢构件在工厂制作完成后均需进行预拼装，近些年，随着计算机辅助制造的发展，越来越多制造厂开始研究虚拟预拼装，以节省大量人力、物力和财力。虚拟预拼装第一工作就是真实构件特征值的采集，这也是最关键的一项工作，其测试的手段主要有数字工业测量技术、三维激光扫描仪测试技术、激光跟踪仪测试技术。对于焊接构件允许误差较大，测试数据基本可以满足虚拟预拼装要求，但测试精度要求高的螺栓连接还不能有效的解决，关键问题在于螺栓孔的中心坐标数据难以精确提取，常规的三维激光扫描仪测试技术直接扫描构件，获得大量构件的点云数据，通过点云数据直接拟合螺栓孔中心坐标，但由于点云数据测站拼接误差、螺栓孔点云数据的识别、构件生锈等原因导致直接拟合的中心坐标误差较大，达不到构件自身的加工精度，更满足不了预拼装的要求，同时大量点云数据软件不误自动查找特征螺栓孔的位置，需人工进行识别。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，通过三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描获取的球形标靶表面的点云数据进行计算得到球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标，在传统直接点云数据拟合精度上得到提高，为后续的螺栓连接的钢结构虚拟预拼装提供可靠的测量数据。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，包括：
步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与所述球形标靶相接触；
步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，获取球形标靶表面的点云数据；
步骤三、对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤二中，球形标靶固定在待测螺栓孔上后，所述球形标靶位于螺栓孔外的部分的高度不小于所述球形标靶直径的3/4。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶采用轻质的工程塑料制作而成。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶的表面做磨砂处理或喷洒反差增强剂。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤三中得到球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)后，根据球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标(X1’,Y1’,Z1’)的计算公式如下：
X′1＝X1
Y′1＝Y1
Z′1＝Z1-Δh
Δh的计算公式如下：
h表示螺栓孔的高度；R表示球形标靶的半径；r表示螺栓孔的半径。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，具体包括：分别使用半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R的球形标靶，保持三维激光扫描仪的位置和扫描角度不变，重复步骤一到步骤三，得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R时球形标靶中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)、(X4,Y4,Z4)和(X5,Y5,Z5)，再计算得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R、2R时所述螺栓孔的中心点的三维坐标数据(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、(X3’,Y3’,Z3’)、(X4’,Y4’,Z4’)和(X5’,Y5’,Z5’)，然后通过计算得到所述螺栓孔的三维坐标(X’,Y’,Z’)，计算方法如下：
X′＝K1X′1+K2X′2+K3X′3+K4X′4+K5X′5
Y′＝K1Y′1+K2Y′2+K3Y′3+K4Y′4+K5Y′5
Z′＝K1XZ′1+K2Z′2+K3Z′3+K4Z′4+K5Z′5
K1＝0.3；K2＝0.25；K3＝0.2；K4＝0.15；K5＝0.1。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，用标靶固定装置将所述球形标靶与待测螺栓孔固定，所述标靶固定装置包括：
连接杆，其穿设在待测螺栓孔中，所述连接杆两端的外壁上均设有外螺纹；
球形标靶，其球身上沿半径方向设置有第一盲孔，所述第一盲孔的内壁设置有螺纹，所述球形标靶通过所述第一盲孔与所述连接杆的一端螺纹连接；
固定台，其由一体成型的第一部分和第二部分组成，所述第一部分为插入待测螺栓孔的圆柱体形，所述第一部分的半径与待测螺栓孔的半径相等，所述第一部分的顶部中心位置设置有第二盲孔，所述第二盲孔的内壁设置有螺纹，所述第二盲孔与所述连接杆的另一端螺纹连接，所述第二部分为上大下小的圆台形，所述第二部分的顶部与所述第一部分的底部连接，第二部分的中心线和所述第一部分的中心线在同一直线上，所述第二部分的顶部与所述钢结构的底部相贴合的设置且其半径大于所述第一部分的半径，所述第二部分顶部还铰接有多根固定杆，所述固定杆为半圆柱体形，所述固定杆的自由端设置有磁铁，所述第二部分的侧壁沿侧壁方向设置有多个固定杆容纳槽，所述固定杆容纳槽为与所述固定杆匹配的半圆柱形，并与所述固定杆数量相等，且一一对应，所述固定杆容纳槽远离第一部分的一端的槽体内设置有铁片。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述固定台的材料为轻质塑料。
优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，多个固定杆容纳槽为四个，四个固定杆容纳槽间隔90°设置在同一个圆周上。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法合理、准确，分析、计算快速，能够准确得到待测螺栓孔的中心点数据，提高三维激光扫描带螺栓孔获取螺栓孔特征数据的精度。
本发明的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，采用不同半径的球形标靶对待测螺栓孔进行多次测量，得到多组螺栓孔中心点数据，并对其求加权平均值，得到的螺栓孔中心点的三维坐标数据更加精确。
本发明提供的标靶固定装置结构简单、操作方便，能够将球形标靶稳定的固定在待测螺栓孔上，防止三维激光扫描仪扫描过程中因为球形标靶的偏移而导致的测量数据不准确，从而提高提高螺栓孔的中心的测量精度，保证虚拟预拼构件的螺栓孔的测试数据精度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述标靶固定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，包括：
步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与所述球形标靶相接触；
步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，其中对球形标靶区域的扫描时提高扫描精度，获取球形标靶表面的点云数据；
步骤三、利用虚拟预拼装软件对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标。
本方案所提供的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，步骤三中通过球形标靶的点云数据计算得到球形标靶的中心点的三维坐标，可采用RANSAC算法实现对球体中心点的提取，RANSAC是“Random Sample Consensus(随机采样一致性)”的缩写。它是从一组包含异常值的观测数据集中估计其数学模型参数的迭代方法。RANSAC是一种不确定算法，从某种意义上说，它只有一定的概率得出一个合理的结果，提高这个概率需要增加迭代次数。该算法最早由Fischler和Bolles于1981年提出。RANSAC的基本假设是：数据由“局内点”组成，例如数据的分布可以用一些模型参数来解释，“局外点”是不能适应该模型的数据，除此之外的数据属于噪声。局外点产生的原因有噪声的极值、错误的观测和对数据的错误假设等。RANSAC也做了以下假设：给定一组(通常很小的)局内点，存在一个可以估计模型参数的过程，该模型能够最优地解释或者适用于这些数据。RANSAC算法的输入是一组观测数据，一个可以解释或者适应于观测数据的参数化模型，一些可信的参数。RANSAC通过反复选择数据中的一组随机子集来达成目标。选择的子集被假设为局内点，并用下述方法进行验证：1)有一个模型适应于假设的局内点，即所有的未知参数都能从假设的局内点计算得出；2)用1)中得到的模型去测试所有的其它数据，如果某个点适用于估计的模型，认为它也是局内点；3)如果有足够多的点被归类为假设的局内点，那么估计的模型就足够合理；4)然后，用所有假设的局内点去重新估计模型，因为它仅仅被初始的假设局内点估计过；5)最后，通过估计局内点与模型的误差来评估模型。这个过程被重复执行固定的次数，每次产生的模型要么因为局内点太少而被舍弃，要么因为比现有的模型更好而被选用。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤二中，球形标靶固定在待测螺栓孔上后，所述球形标靶位于螺栓孔外的部分的高度不小于所述球形标靶直径的3/4。可以保证三维扫描仪测量得到的点云数据中球形标靶表面上的点云数据和螺栓孔的点云数据区别更明显。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶采用轻质的工程塑料制作而成。球形标靶采用轻质的工程塑料制作，成型方便，价格便宜，适合测量过程中大量使用标靶时的情况。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶的表面做磨砂处理或喷洒反差增强剂。球形标靶的表面做磨砂处理或喷洒反差增强剂能够使得于三维激光扫描仪测量得到的点云数据更加的准确。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤三中得到球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)后，根据球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标(X1’,Y1’,Z1’)的计算公式如下：
X′1＝X1
Y′1＝Y1
Z′1＝Z1-Δh
Δh的计算公式如下：
h表示螺栓孔的高度；R表示球形标靶的半径；r表示螺栓孔的半径。
本方案所提供的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，通过对球形标靶表面的三维点云数据的处理得到球形标靶的中心点的三维坐标，根据球形标靶的中心点位于螺栓孔的中心线上，螺栓孔的中心点在X、Y轴上的坐标与球形标靶的中心点相同，再计算球形标靶的中心点与螺栓孔的中心点的距离，便可根据球形标靶的中心点在Z轴上的坐标得到螺栓孔的中心点在Z轴上的坐标，即可计算得到螺栓孔的中心点的三维坐标。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，具体包括：分别使用半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R的球形标靶，保持三维激光扫描仪的位置和扫描角度不变，重复步骤一到步骤三，得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R时球形标靶中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)、(X4,Y4,Z4)和(X5,Y5,Z5)，再计算得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R、2R时所述螺栓孔的中心点的三维坐标数据(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、(X3’,Y3’,Z3’)、(X4’,Y4’,Z4’)和(X5’,Y5’,Z5’)，然后通过计算得到所述螺栓孔的三维坐标(X’,Y’,Z’)，计算方法如下：
X′＝K1X′1+K2X′2+K3X′3+K4X′4+K5X′5
Y′＝K1Y′1+K2Y′2+K3Y′3+K4Y′4+K5Y′5
Z′＝K1XZ′1+K2Z′2+K3Z′3+K4Z′4+K5Z′5
K1＝0.3；K2＝0.25；K3＝0.2；K4＝0.15；K5＝0.1。
本方案所提供的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的的数据方法，根据实际测量结构，多次测量求加权平均值得到的球形标靶的中心点的三维坐标的精确度比单一测量值得到的球形标靶的中心点的三维坐标的精确度要高30％，且球形标靶的半径越大，计算得到的球形标靶的中心点的三维坐标数据精确度越差，最后得到的螺栓孔的中心点的精确度也越差，所以随球形标靶的半径的变大，在求加权平均值的时候将其权重越来越小，最后将径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R的球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)、(X4,Y4,Z4)和(X5,Y5,Z5)的权重分别设置为K1＝0.3；K2＝0.25；K3＝0.2；K4＝0.15；K5＝0.1。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，用标靶固定装置将所述球形标靶与待测螺栓孔固定，所述标靶固定装置包括：
连接杆110，其穿设在待测螺栓孔100中，所述连接杆110两端的外壁上均设有外螺纹；
球形标靶120，其球身上沿半径方向设置有第一盲孔121，所述第一盲孔121的内壁设置有螺纹，所述球形标靶120通过所述第一盲孔121与所述连接杆110的一端螺纹连接；通过连接杆110和第一盲孔121的的螺纹连接，将球形标靶120和连接杆110固定住；
固定台130，其由一体成型的第一部分131和第二部分132组成，所述第一部分131为插入待测螺栓孔100的圆柱体形，所述第一部分131的半径与待测螺栓孔100的半径相等，所述第一部分131的顶部中心位置设置有第二盲孔133，所述第二盲孔133的内壁设置有螺纹，所述第二盲孔133与所述连接杆110的另一端螺纹连接，由于第一部分131的半径与待测螺栓孔100的半径相等，从而保证第二盲孔133的中心线与待测螺栓孔100的中心线在同一直线上，通过第二盲孔133与连接杆110的另一端螺纹连接，使得连接杆110的中心线和待测螺栓孔100的中心线在同一直线上，进而保证了球形标靶120的球心在待测螺栓孔100的中心线上；同时由于第一部分131的半径与待测螺栓孔100的半径相等，第一部分131相对钢结构不会发生水平方向的位移；所述第二部分132为上大下小的圆台形，所述第二部分132的顶部与所述第一部分131的底部连接，第二部分132的中心线和所述第一部分131的中心线在同一直线上，所述第二部分132的顶部与所述钢结构140的底部相贴合的设置且其半径大于所述第一部分131的半径，第二部分132的顶部与所述钢结构的底部相贴合的设置能够保证固定台130和钢结构之间连接的稳定性，将固定台130与钢结构固定住；所述第二部分132顶部还铰接有多根固定杆134，所述固定杆134为半圆柱体形，所述固定杆134的自由端设置有磁铁135，当固定台130固定在螺栓孔100上时，固定杆134与钢结构连接，通过钢结构对固定杆134上的磁铁135的磁力，将固定台130固定在钢结构上；所述第二部分132的侧壁沿侧壁方向设置有多个固定杆容纳槽136，所述固定杆容纳槽136为与所述固定杆134匹配的半圆柱形，并与所述固定杆134数量相等，且一一对应，所述固定杆容纳槽136远离第一部分131的一端的槽体内设置有铁片137，不使用时，可将固定杆134收回到固定杆容纳槽136内，通过槽体内的铁片137与固定杆134上的磁铁135之间的磁力作用将固定杆134固定在固定杆容纳槽136内。
本发明所提供的标靶固定装置，使用过程中现将连接杆110与第一部分131连接，然后将第一部分131穿入待测螺栓孔100中，第二部分132与钢结构相抵触，设置多根固定杆134，通过固定杆134上的磁铁135与钢结构之间的磁力作用，将固定台130固定在钢结构上，再将球形标靶120与连接杆110连接，将球形标靶120固定在待测螺栓孔100上，从而保证球形标靶120在测量过程中的稳定性，防止三维激光扫描仪扫描过程中因为球形标靶120的偏移而导致的测量数据不准确，从而提高提高螺栓孔100的中心的测量精度，保证虚拟预拼构件的螺栓孔100的测试数据精度。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述固定台130的材料为轻质塑料。球形标靶120和固定台130的材料为轻质塑料，既可以保证固定台130的强度，也能减轻固定台130的重量，防止因固定台130质量过大导致固定杆134上磁铁135的磁力不够导致固定台130稳定性不足。
所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，多个固定杆容纳槽136为四个，四个固定杆容纳槽136间隔90°设置在同一个圆周上。多个固定杆容纳槽136也可以为六个，六个固定杆容纳槽136间隔60°设置在同一个圆周上；或者多个固定杆容纳槽136也可以为五个，五个固定杆容纳槽136间隔72°设置在同一个圆周上，多个固定杆134的设置只要保证多个固定杆134均匀分布，保证固定台130的受力均匀。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。