[发明专利]一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法

权利要求书

1.一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：构建管道弯头的三维几何模型；

S2：从激光三维扫描或其他三维成像传感器提取三维几何模型的观测值；

S3：进行模型参数初始化估计；

S4：利用最小二乘估计方法建立模型参数最佳估算模型，计算模型参数的改正数；

S5：估算管道弯头在一个三维空间的精确位置、角度和尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

设管道弯头的中心坐标为(X_C,Y_C,Z_C)，X、Y、Z轴三个方向的旋转角分别为Ω、Ψ，参数满足以下转换关系：

其中，(X,Y,Z)表示绕X和Z轴旋转后的三维空间坐标，R₁和R₃分别表示X轴和Z轴的旋转矩阵；

再对管道弯头绕Y轴旋转角度Φ：

其中(X_p,Y_p,Z_p)表示再绕Y轴旋转后的三维空间坐标，R₂表示Y轴旋转矩阵，旋转角度应为：

其中θ为管道弯头与X轴的夹角，(0°θ≤360°)，而d为弯头转弯度数，有45度、90度等。

另外，p表示扫描点位于关节弯曲部分或延长圆柱直管部分，具体定义为：

p＝1-sgn(H(X)·H(Z))

其中，sgn()表示符号函数(sign)，H()表示海维赛德阶跃函数(Heaviside)；

最后，弯头满足以下模型方程：

其中，表示观测量；表示模型参数，当管道弯头为无接盘型弯头时，当管道弯头为有接盘型弯头时，q表示翼缘指数，具体定义为

3.根据权利要求2所述的一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：利用激光三维扫描或其他三维成像传感器对弯头进行扫描，提取点云数据观测量。

4.根据权利要求3所述的一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：利用基于圆柱体配件的参数初值估算方法，进行模型参数初始化估计，从点云数据中提取一薄层(约1cm厚度)的点，计算原始中心，并估计最佳拟合圆柱的两个中心轴的交点作为内在中心点和弯头直径参数D，通过转换关系和黄金分割搜索算法来估计旋转角Ω、Ψ，最后将原始中心的和内在中心点的距离作为参数A的初始估计值，并通过将内在中心点进行轴向原点平移A来计算中心坐标(X_C,Y_C,Z_C)。

5.根据权利要求4所述的一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：利用最小二乘估计方法建立最佳估计模型，结合观测数据和管道弯头的三维几何模型，计算模型参数的改正数，其中估计模型方程具体为：

其中，为模型参数

或的改正数向量，A表示对模型参数偏导数作为的设计矩阵，B表示对观测值偏导数作为的设计矩阵，表示残差向量，w表示闭合差向量。

6.根据权利要求5所述的一种可用于激光扫描的管道弯头的精密三维几何模型构建方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：利用参数初始值和步骤S4计算所得的参数改正数，通过步骤S1的三维几何模型，计算管道弯头的坐标、角度和尺寸。