[發明專利]一種基于三維激光掃描的焊接工字鋼大變形自動識別方法

有效

• 申請號: 202010157700.7
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111272091B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 徐燕;楊森;鄭寶鋒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

本發明公開了一種基于三維激光掃描的焊接工字鋼大變形自動識別方法，先獲取完整構件的點云數據，選取構件上、下表面翼緣近似中點，建立初始坐標系；分離出構件上、下表面的掃描點，根據點云分割和曲線線性擬合，計算出截面中心位置，并更新坐標系；沿Z軸方向將點云均勻切片，將各分層的點云數據轉換為二值圖像，識別不同截面高度的焊趾位置，對截面曲線進行分割，進行曲線擬合，提取構件翼緣與腹板交點的連線為變形后構件實際中心軸，對點云數據重新分層，重復分割與擬合步驟，獲取各分層截面幾何形狀；匯總各分層構件截面形狀，獲取構件全場三維變形信息，本發明能夠快速準確地獲取構件全場三維變形信息，測量準確且效率高。

技術領域

本發明屬于實驗測試技術領域，具體涉及一種基于三維激光掃描的焊接工字鋼大變形自動識別方法，可快速準確獲取構件全場三維變形信息。

背景技術

鋼構件屈曲變形的準確描述是進行相關理論推導的關鍵環節，是驗證數值分析結果最為常用的數據之一，同時也是進行構件破壞模式判別和設計公式建立的基礎。因此在實驗室試驗時，屈曲變形的測量尤為重要。

實驗室內，目前常用的屈曲變形測量方法是位移傳感器。但位移傳感器觀測具有明顯不足，測點數量有限，僅能得到構件上有限個點的變形，無法獲取準確的三維變形數據。同時，受缺陷分布不確定的影響，鋼構件的屈曲位置具有很強的離散性，位移傳感器的測點布置可能不在最佳觀測位置，常常導致數據缺失。

三維激光掃描技術，是上世紀九十年代中期興起的一種大面積高分辨率快速獲取三維空間數據的高新技術，通過高速激光掃描測量，建立被測對象表面的三維影響模型。三維激光掃描具有快速、精確、無接觸等優點，因此具有應用于實驗室內構件全場三維變形測量的潛力。由于焊接工字形構件在受壓破壞實驗后發生了顯著的屈曲大變形及構件長度變化，已有的點云匹配法往往無法獲得理想的效果。因此，當前需要一種焊接工字形構件大變形后三維掃描點云數據自動化處理方法，快速準確獲取構件全場三維變形信息。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種基于三維激光掃描的焊接工字鋼大變形自動識別方法，快速準確地獲取構件全場三維變形信息。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于三維激光掃描的焊接工字鋼大變形自動識別方法，具體步驟如下：

S1：將受壓或受彎加載失效的焊接工字形構件置于實驗室空曠位置，使用商用手持式激光掃描儀，從不同視角獲取構件表面的三維點云，通過點云拼接得到統一坐標系下完整構件的點云數據；

S2-S6：通過對三維激光掃描點云數據的分析處理，建立焊接工字形構件的三維模型及變形信息；

S2：自定義坐標系及坐標變換，分為兩步，初始定義及精確化定義，選定焊接工字形構件下表面兩側翼緣中心位置，以其連線定義為初始坐標系的Y軸，選定構件上、下表面同側翼緣邊的中心位置，以其連線定義為初始坐標系的Z軸；在此基礎上坐標系做精細化調整，分離出構件上、下表面的掃描點，根據幾何空間特征進行點云分割，并分別對翼緣、腹板邊緣做曲線線性擬合，由此計算出截面中心位置，并將上、下表面中心連線定義為新的Z軸；根據新定義的坐標系信息進行坐標變換，得到新的點云坐標；

S3：點云分層切片，沿Z軸方向將點云均勻切片，相鄰切片的間距不高于構件長度的1/20；

S4：截面曲線分割與擬合：直接利用點云坐標、法向量的特征，無法完成焊縫與翼緣邊、焊縫與腹板邊的準確分割，因此，首先將點云轉換為二值圖像，通過基于相關性的模板匹配法，識別出不同截面高度的焊趾位置；結合點云坐標、點云法向量、焊趾坐標，對截面曲線進行分割；考慮工字鋼翼緣、腹板可能發生整體或局部的屈曲、彎扭變形及其耦合，選用傅里葉級數進行曲線擬合；利用擬合曲線信息，計算出工字鋼截面翼緣、腹板的中心線，并記錄中心線上均分點的坐標；