(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 202211264063.9 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 河北工业大 学 地址 300130 天津市红桥区丁字沽光 荣道8 号河北工业大 学东院330# (72)发明人 董砚　白武伟　梁晶　郑文琳　 郭帆　李青松　朱冠同　 (74)专利代理 机构 天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 专利代理师 付长杰 (51)Int.Cl. G06T 7/136(2017.01) G06T 7/11(2017.01) G06T 7/12(2017.01) G06V 10/26(2022.01)G06V 10/762(2022.01) G06V 10/764(2022.01) G06V 10/80(2022.01) (54)发明名称 车载钢卷鞍座点云分割方法及基于该方法 的天车定位系统 (57)摘要 本发明为车载钢卷鞍座点云分割方法及基 于该方法的天车定位系统， 该方法包括以下步 骤： 通过三维激光扫描云台获取车载钢卷鞍座的 点云数据并对点 云数据在x,y,z三个坐标方向上 进行滤波处理， 分割出感兴趣区域； 设定高程阈 值， 利用x坐标方向 的高程变化聚类， 将车载平面 和鞍座的点 云数据分离 出来， 利用RANSA C算法拟 合车载平 面； 利用欧式聚类对空间中独立分布的 鞍座点云数据聚类， 对于每一个鞍座点云簇， 使 用改进的局部凸连接生长算法来优化点云数据 的分割效果， 细化分割面边界； 利用分割完毕的 鞍座支撑平面点 云计算车载钢卷鞍座的x、 y、 z坐 标。 能够实现天车对鞍座的精确定位， 提高工作 效率。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115546243 A 2022.12.30 CN 115546243 A 1.一种车 载钢卷鞍座 点云分割方法， 其特 征在于， 该 方法包括以下步骤： 第一步、 通过三维激光扫描云台获取车载钢卷鞍座的点云数据并对点云数据在x,y,z 三个坐标方向上进 行滤波处理， 分割出感兴趣区域； 其中， x,y,z方向分别为车辆行驶方向、 垂直于车身方向、 垂直于地 面方向； 第二步、 设定高程阈值， 利用x坐标方向的高程变化聚类， 将车载平面和鞍座的点云数 据分离出来， 利用RANSAC算法拟合车 载平面； 第三步、 利用欧式聚类对空间中独立分布的鞍座点云数据聚类， 对于每一个鞍座点云 簇， 使用改进的局部凸连接生长算法来优化 点云数据的分割效果， 细化分割面 边界； 所述改进的局部凸连接生长算法包括利用多尺度超体素融合分割构建物体表面块的 超体素邻接图， 再通过分类两个超体素之间的连接是凸的还是凹的来分割超体素邻接图， 利用区域生长算法划分属于有效凸连接边的同一子图， 最后通过边界标记优化分割边界， 得到分割完毕的鞍座支撑平面 点云； 所述多尺度超体素融合 分割的过程是： 设定距离阈值dT和超体素划分的最小尺寸， 将三 维点云划分成尺寸为S的规则超体素Vi， 对于每个超体素Vi， 采用PCA算法拟合平面Pi， 计算 超体素内的每一个点到拟合平面的距离d， 如果超体素内点到平 面的最大距离dmax小于距离 阈值dT， 则该超体素分割结束； 否则， 该超体素将连续划分为四个子超体素， 对每个子超体 素再次拟合新的拟合平面， 判断子超体素 内点到平面的最大距离dmax是否小于距离阈值dT， 若小于则分割结束， 若不小于则继续按照上述方式重新划分子超体素， 直至 分割结束； 如果 当前子超体素达到超体素划分的最小尺寸仍不能满足最大距离dmax小于距离阈值dT， 则属 于当前子超体素的所有点将被视为噪声点滤除； 所述边界标记优化采用的最大优化 函数W*为公式(7) ‑(9)所示： 其中， W为区域生长后子图上的点的标签； ω表示区域生长后所获得的所有有效分割的 平面； 区域生长后的一个子图表示一个平面， 用Qk表示， k表示平面的标签， N为所有有效分 割的平面上的点的数量； G(W)为边界函数； 表示点xi属于平面Qk， |Nj|表示邻域点的 数量； 为判断函数； 第四步、 利用分割完毕的鞍座支撑平面 点云计算车 载钢卷鞍座的x、 y、 z坐标， 至此， 完成车 载钢卷鞍座的分割与定位。 2.根据权利要求1所述的车载钢卷鞍座点云分割方法， 其特征在于， 所述第一步中， 滤 波处理过程是： 利用直通滤波分别对点云数据在 x、 y、 z三个坐标方向上进 行滤波处理， 采用 体素下采样和基于密度变化滤波实现， 给定点云密度阈值， 计算每个点到其最近的k个点平 均距离定义为该点处点云密度， 若 小于给定点云密度阈值， 判定为噪声点云删除。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115546243 A 23.根据权利要求1所述的车载钢卷鞍座点云分割方法， 其特征在于， 所述第四步计算车 载钢卷鞍座的x、 y、 z坐标的过程是： 对于分割完毕的鞍座支撑平面点云按照沿y坐标方向的高程变化将分割完毕的支撑平 面点云分为两组， 计算两组的点云质心连线中点， 进而得到钢 卷鞍座中心点的y坐标； 按照 沿x坐标方向的高程变化将分割完毕的支撑平面点云分为两组， 对两组点云数据分别拟合 为直线， 根据钢卷 的中心点到这两条直线的距离＝钢 卷半径获得钢卷鞍座中心点的x,z坐 标， 进而获得钢卷鞍座中心点的位置坐标， 实现定位。 4.根据权利要求3所述的车载钢卷鞍座点云分割方法， 其特征在于， 所述钢卷鞍座中心 点的x,z坐标的获得的具体过程是： 将分割完毕的支撑平面点云投影到xz平面， 获得支撑平面点云在xz平面的两条投影直 线l1、 l2， 点O为钢卷放置位置的投影点， 且位于中垂线s上， 利用RANSAC算法对按照沿x坐标 方向的高程变 化分成的两组点云进行直线拟合， 求 出两条投影 直线l1、 l2的一般式方程为式 (10): 由于钢卷与两支撑平面相切， 利用式(1 1)得到钢卷鞍座中心点的x,z坐标： 式(11)为O点到两条直线的距离公式， R为钢卷半径， 为已知值， A1、 B1、 C1、 A2、 B2、 C2为两 条直线一般式方程的相应系数。 5.一种天车定位系统， 其特征在于， 该系统包括三维激光扫描云台、 上位机、 PLC可编程 控制器和天车； 三维激光扫描云台安装在天车 的行车大梁下端， 上位机中安装激光扫描云 台控制软件和点云数据处理可视化操作界面， 上位机通过TCP/IP与激光扫描云台进 行双向 通讯， PLC可编程控制器通过RS485接口与上位机和天车进行通讯； 所述上位机中加载有权 利要求1‑4任一所述的车 载钢卷鞍座 点云分割方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115546243 A 3