[发明专利]基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统

权利要求书

1.一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法，其特征在于：所述建模方法包括以下步骤：

建立坐标系步骤：建立料场的空间三维坐标系，将料场的空间三维坐标系的空间分隔为多个立方体网格；

扫描步骤：利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；

清洗步骤：对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；

拼接步骤：对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；

去除步骤：在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；

填充步骤：利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；

建模步骤：根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模；

其中，所述去除步骤获取料臂的点云数据包括：

对于物料的落料堆积面上的每个第一点N₀(x₁,y₁,z₁)，寻找目标点N₁(x₁,y₁,z₂)，该目标点N₁应满足点N₁与原点O的距离d超过预设距离并且z₂-z₁是否大于预设高度差；

获取N₁点与x轴的夹角α₁；

判断α₁是否小于预设角度，若α₁小于预设角度，则将该点N₁作为料臂上的点云数据；若α₁不小于预设角度，则寻找下一个目标点；

所述填充步骤包括以下子步骤：

统计每个立方体网格内部包含的第二点云数据的数据点数量，

若数据点数量＝1，则直接获得立方体网格的唯一数据点的坐标；

若数据点数量1，则通过反距离权重法获得立方体网格的多个数据点的坐标；

若数据点数量＝0，则将该立方体网格加入空白序列数组中，形成第二点云数据中的空白区域；

进一步的，所述填充步骤还包括：

对于数据点数量1或＝1的立方体网格，根据该立方体网格内的所述数据点的坐标获得对应的局部表面法向量；

根据所述局部表面法向量获取所述数据点的法向量变化值；

根据所述数据点的法向量变化值的大小进行排序；

获取数据点的法向量变化值中的最小值所对应的数据点，并将该数据点作为起始种子点P；

基于所述起始种子点P，对空白区域进行填充，包括：

对于每一个空白区域,获取与其相邻的数据量＞1或＝1的立方体网格中的数据点的法向量与起始种子点P的法向量之间的夹角，若该夹角小于预设的平滑阀值，则将所述起始种子点P加入到所述空白区域；

执行以上步骤，直到所有的空白区域均被填充，从而获得填充点云数据。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：

在扫描步骤之前还包括建立坐标系步骤：建立料场的空间三维坐标系，将料场的空间三维坐标系的空间分隔为多个立方体网格；其中，三维激光扫描仪每次扫描的区域都对应空间三维坐标系内的一组立方体网格；以及

所述清洗步骤还包括：在所述料场的空间三维坐标系中并基于高斯分布的方法检测出第一点云数据中的离群点，并将该离群点从第一点云数据中去除，得到所述第二点云数据。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述拼接步骤包括：

将所述第二点云数据放入对应的立方体网格，对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述基于所述起始种子点P对空白区域进行填充是通过三线性插值算法实现的。

5.一种基于三维激光扫描的料场物料的建模系统，其特征在于：所述建模系统包括三维激光扫描仪、清洗模块、拼接模块、去除模块、填充模块和建模模块；

利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；

所述清洗模块用于对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；

所述拼接模块用于对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；

所述三维激光扫描仪在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，所述去除模块用于从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；

所述填充模块用于利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；

所述建模模块用于根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模；

其中，所述去除模块执行以下操作：

对于物料的落料堆积面上的每个第一点N₀(x₁,y₁,z₁)，寻找目标点N₁(x₁,y₁,z₂)，该目标点N₁应满足点N₁与原点O的距离d超过预设距离并且z₂-z₁是否大于预设高度差；

获取N₁点与x轴的夹角α₁：

判断α₁是否小于预设角度，若α₁小于预设角度，则将该点N₁作为料臂上的点云数据；若α₁不小于预设角度，则寻找下一个目标点；

所述填充模块执行以下操作：

统计每个立方体网格内部包含的第二点云数据的数据点数量，

若数据点数量＝1，则直接获得立方体网格的唯一数据点的坐标；

若数据点数量1，则通过反距离权重法获得立方体网格的多个数据点的坐标；

若数据点数量＝0，则将该立方体网格加入空白序列数组中，形成第二点云数据中的空白区域；

进一步的，所述填充步骤还包括：

对于数据点数量1或＝1的立方体网格，根据该立方体网格内的所述数据点的坐标获得对应的局部表面法向量；

根据所述局部表面法向量获取所述数据点的法向量变化值；

根据所述数据点的法向量变化值的大小进行排序；

获取数据点的法向量变化值中的最小值所对应的数据点，并将该数据点作为起始种子点P；

基于所述起始种子点P，对空白区域进行填充，包括：

对于每一个空白区域,获取与其相邻的数据量＞1或＝1的立方体网格中的数据点的法向量与起始种子点P的法向量之间的夹角，若该夹角小于预设的平滑阀值，则将所述起始种子点P加入到所述空白区域；

执行以上步骤，直到所有的空白区域均被填充，从而获得填充点云数据。