(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210782111.7 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 水利部水工金属结构质量检验测试 中心 地址 450053 河南省郑州市惠济区迎宾路 34号 (72)发明人 李东明　王占华　王志颖　张兵　 涂从刚　张宇　杜蔚琼　曹世豪　 文俊　李帅　郭宁泊　 (74)专利代理 机构 郑州博派知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 41137 专利代理师 荣永辉 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/17(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取 算法 (57)摘要 本发明公布了一种附加约束条件的支铰轴 中心扫描提取算法， 所述提取算法包括4个步骤： S1、 采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行 处理得到支 铰轴端面拟合平面P的方程与支铰轴 端面拟合平面P的法向量； S2、 利用间接拟合法对 外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面 拟合平面P 的法向量进行处理得到支铰轴轴线L 上一点的坐标;S3、 利用支 铰轴端面拟合平面P与 轴线L获得支铰轴端面中心点； S4、 将端 面中心点 进行平移获取支 铰轴中心点;本发 明无需工作人 员通过高空放置标志点获取支 铰轴中心， 并且求 解精度更高， 有效的解决标志点放置的范围难以 完全覆盖支 铰圆周且安置的标志点存在误差， 导 致支铰轴中心求解不准确并且高空作业存在安 全隐患的问题。 权利要求书3页 说明书5页 附图6页 CN 115168949 A 2022.10.11 CN 115168949 A 1.一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所述提取算法包括4个 步骤： S1、 采用平面拟合算法对外业采集到的数据进行处理得到支铰轴端面拟合平面P的方 程与支铰轴端面拟合平面P的法向量； S2、 利用间接拟合法对外业采集到的数据与步骤S1得到的支铰轴端面拟合平面P的法 向量进行处 理得到支铰轴 轴线L上一 点的坐标； 所述间接拟合法即利用柱面拟合 算法、 附加约束条件与参数平差对数据进行处 理； S3、 利用支铰轴端面拟合平面P与轴线L获得支铰轴端面中心点； S4、 将端面中心点进行平 移获取支铰轴中心点。 2.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所 述外业数据采集的具体过程 为： 扫描仪架设完成后， 外业人员利用扫描仪对支铰轴 进行扫描之前需设定扫描区域和设 置扫描分辨率； 增加扫描的分辨率， 获取关于铰轴柱面的数据， 在增加扫描分辨率的同时， 细化扫描区域， 扫描仪扫描结束后， 得到 外业采集到的数据。 3.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所 述步骤S1的具体内容 为： S1.1、 利用梯度滤波算法从扫描采集到的数据中获取支铰轴端面上的点云数据； S1.2、 构建支铰轴端面拟合平面P的一般式方程： AX+BY+CZ+D＝0(1)， 公式(1)中(X， Y， Z)为支铰轴端面上的点的三维坐标； S1.3、 将支铰轴端面上的点的三维坐标代入公式(1),利用最小二乘算法进行拟合后， 即可获得一般式中的A、 B、 C、 D的值， 从而得到支铰轴端面拟合平 面P的表达式方程式与 支铰 轴端面你和平面P的法向量T(A、 B、 C)。 4.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所 述步骤S2的具体内容 为： S2.1、 扫描前设置扫描的区域， 并对外业采集到的数据进行人工裁剪， 获取支铰轴柱面 上的点云信息； S2.2、 构建支铰轴 轴线L点向式方程： 公式(2)中(xl， yl， zl)为轴线上某点的三维坐标， 记为Pl， (a， b， c)为轴线的方向向量T1， t为轴线上任一点到点Pl(xl， yl， zl)的距离， 公式(2)中(X1， Y1， Z1)为支铰轴轴线上的点的 三维坐标； S2.3、 构建点到直线的距离方程， 直线为S2.2构建的支铰轴柱面轴线L， 代入可得到距 离d的方程 为： 公式(3)中的(x， y， z)为支铰轴柱面上的点 的三维坐标， (xl， yl， zl)为轴线上某点 的三 维坐标， (a， b， c)为轴线的方向 向量T1；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115168949 A 2S2.4、 采用附有约束条件的参数平差求解出的支铰轴轴线上L的点Pl的坐标， 具体过程 如下： 通过公式(3)， 可建立支铰轴柱面拟合的误差方程， 如公式(4)所示： v＝d‑r  (4) 公式(4)中,v为 参数平差中的拟合残差， r为柱面半径； 附加约束条件为： 公式(5)中(A、 B、 C)为支铰轴端面拟合平面的法向量T， r0为支铰轴实际半径， 实际半径 可通过支铰轴设计图纸来 获取其半径长度， 联立 公式(3)～(5)， 代入支铰轴柱 面上的点后， 得到轴线L上点Pl的三维坐标(xl， yl， zl)。 5.如权利要求1所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所 述步骤S3具体内容为： 根据S2.5得到的支铰轴轴线L上点Pl的三维坐标(xl， yl， zl)和S1.3得 到的支铰轴端面拟合平 面P的法向量T(A、 B、 C)， 支 铰轴端面拟合平 面P的法向量T(A、 B、 C)与 支铰轴轴线L的方向向量T1平行， 用支铰轴端面拟合平 面P的法向量T代 替支铰轴轴线L的方 向向量T1， 将支铰轴端面拟合平面P的法向量T代入S2.2 中公式(2)中， 得到支铰轴线L具体 表达式， 支铰轴线L与支铰轴端面拟合平面P， 通过线面计算公式， 由可获取支铰轴线L与支 铰轴端面拟合平面P的交点坐标， 该 交点即为支铰轴端面中心 点， 支铰轴端面中心 点也为支 铰轴端面的圆心O1(xj， yj， zj)， 线面计算公式如公式(6)所示： 公式(6)中(xj， yj， zj)为支铰轴端面圆心O1的坐标， t为轴线上任一点到点Pl(xl， yl， zl) 的距离。 6.如权利要求5所述的一种附加约束条件的支铰轴中心扫描提取算法， 其特征在于， 所 述步骤S4： 将端面中心点进行平移获取支铰轴中心点坐标具体内容为： 如式(7)所示， 根据 支铰轴端面的圆心O1、 支铰轴轴线和 支铰轴本身长度， 将支铰轴端面的圆心O1进行平移， 可 获取支铰轴中心坐标O及另一端面的圆心O2； 公式(7)中， (xj， yj， zj)为支铰轴端面 圆心O1的三维坐标， m为任意一点到支铰轴端面圆 心O1的距离， (A、 B、 C)为支铰轴端面拟合平面的法向量T,(X2,Y2,Z2)为支铰轴端面的圆心O1 进行平移得到的坐标；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115168949 A 3