基于iGPS的复杂曲面三维点云拼接技术

提出了基于iGPS(indoor Global Positioning System)世界坐标系进行点云拼接的方法,建立了点云拼接数学模型,并求解拼接模型中的坐标转换关系。基于标准球测量实验,分别实现了基于机器人基坐标系的点云拼接和基于iGPS世界坐标系的点云拼接。研究结果表明,基于iGPS世界坐标系的点云拼接方法不受机器人定位精度的影响,拼接精度更高。     

基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统标定方法

基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统,建立了测量系统的数学模型,介绍了传统手眼标定技术的主要原理,使用激光跟踪仪建立了系统转换关系。提出了一种融合特征点拟合的标定方法,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法得到了转换关系。对标定后的系统进行了基于机器人基坐标系和iGPS世界坐标系的点云拼接对比实验,实验结果表明,融合特征点拟合的标定方法提高了点云拼接的精度。     

一种融合激光全局定位的大尺寸点云重建系统标定方法

大尺寸点云重建是飞机等大型装备逆向工程、缺陷检测领域的重要手段之一,在分析大尺寸点云重建系统目标点云全局拼接时高精度激光定位系统和结构光扫描仪坐标系融合统一问题的基础上,提出了一种TCS-Q(过渡坐标系-四元数)参数标定方法。该方法结合点云重建系统模型和点云全局融合原理,建立光电接收器过渡坐标系确定标定对象,分析标定过程的数学模型,研究各坐标系之间转换关系的求解方法。系统仿真实验结果表明标定结果的三轴角分量标准差低于0.016 5°,离散系数小于0.015。对数显尺上光电接收器空间位置进行距离测量实验,实验结果表明,标定完成后的系统测量精度优于±0.1 mm,为实现点云拼接环节的高精度全局定位引导提供了理论基础。     

基于旋转台参数标定实现多视角点云拼接

针对如何方便快捷且准确地获取物体完整面形三维点云数据的问题,提出一种利用旋转台参数标定结果辅助实现多视角三维点云粗拼接的新方法。该方法将一个二维标定靶作为坐标系转换桥梁,仅需两个位置的坐标系关系,即可建立转台转角和不同局部测量坐标系之间的非线性模型,实现对多个测量视角下三维点云的粗配准,为最近点迭代(ICP)算法提供了良好的初值,增加了ICP算法的稳健性。实验表明该方法操作简便、快捷、易实现,拼接后点云误差不大于0.12 mm。     

基于亚像素图像拼接的透明元件视觉测量方法

针对透明光学元件特征不明显以及机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题，提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案。该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定，获得精确的尺度因子与图像预匹配结果；图像坐标系旋转角校正后小于0.1°；通过添加网格背景实现透明元件特征匹配。所提基于滑动窗口预匹配、随机采样一致性筛选最佳偏移向量的配准算法，使图像拼接精度达到0.05 pixel，较已有研究明显提升。将该方案应用于透明光学元件视觉检测系统中，在移动精度仅为0.02 mm的条件下，获得了平均误差为0.12 pixel的图像拼接结果，实现了透明光学元件的大视场、高精度尺寸测量。     

基于激光轮廓仪的非接触式钢轨廓形检测系统

传统钢轨廓形几何尺寸测量多以手工测量为主,基于激光轮廓仪的高精度廓形检测系统的应用可解决手工测量效率低、误差大的问题。新补充利用中值滤波法对激光轮廓仪采集到的廓形数据进行预处理;通过坐标平移和坐标旋转将坐标系归一化;然后通过二次拟合选择合适的特征点对廓形拼接匹配。经现场测试,钢轨廓形尺寸的重复测量误差小于0.1 mm,绝对测量精度最高可达0.014 mm,满足国家标准对钢轨廓形检测精度的需要,说明该方法有效提高了钢轨的检测效率。     

改进型点云数据融合的多站组网SVD算法

在大型结构的加工与装配过程中激光雷达的多站组网测试十分常见,但由于点云数据拼接过程需要统一的坐标系,故环境干扰、站位布局导致的转站误差大幅降低了系统的整体测量精度。为了提高多站组网后点云数据融合的面型测量精度,提出了一种改进型奇异值分解算法。该算法在分析站位布局的基础上,通过在多站之间匀差的方式抑制粗大偏差。对目标函数进行了奇异值分解,并通过最优值完成站位的优化布置。实验采用单点精度001mm的MV350型激光雷达,并对6组不同布站情况进行对比分析。结果显示,本算法的点最大误差为00824mm,点平均误差为00214mm,点测量不确定度为00122mm,均优于未规划的测量结果。其测量综合不确定度最接近单机测量综合不确定度,可见,采用本算法对提升转站精度具有一定价值。     

基于改进ISS邻域的复杂曲面三维激光点云智能拼接方法

由于三维激光点云拼接中对点云数据拼接有效点数量不足,导致拼接的效果不好,提出一种复杂曲面三维激光点云智能拼接方法,在ISS特征提取算法中加入邻域半约束改进策略,进行点云数据特征提取,同时对两片点云的拼接进行坐标系转换,得到三维激光点云数据拼接模型。采用粒子群算法对模型进行求解,获取变换矩阵的全局最优解,将得到变换矩阵应用于模型中,进而完成复杂曲面三维激光点云智能拼接。仿真实验结果表明,所提方法能够有效降低三维激光点云智能拼接点的距离误差,保持在0.022 mm以内,拼接速度达到5 ms/个,拼接有效点数目最高达到了145个。     

基于三维激光点云的枕簧几何尺寸测量方法

枕簧是铁路货车减振装置的关键部件,发挥着承载和缓冲的作用,其尺寸直接影响车辆的减振能力与特性。为保证行车安全,铁路货车段修和厂修时必须对枕簧几何尺寸等进行测量与检查。为提高枕簧检修过程中的测量效率,提出了一种基于三维激光点云的枕簧几何尺寸测量方法。该方法采用线激光传感器获取了枕簧三维点云数据,利用下采样和k-means聚类等算法实现了点云数据的预处理,然后通过平面拟合利用高度测量算法测量了枕簧高度;经过点云降维、边缘提取、圆分割后利用改进的圆拟合算法测量了枕簧内、外直径。搭建试验平台进行了测量算法的精度、可靠性和重复性试验。结果表明：测量10组不同枕簧,最大平均误差在±0.35 mm内,平均测量时间为2.7 s;测量4组枕簧10次,最大平均误差在±0.35 mm内,重复性小于3%。测试结果具有良好的精度和稳定性,满足检修规程和检修工艺要求。     

基于多视角红外传感器的三维重建方法

为了实现有特征物体和无特征物体更精准的三维重建，本文研究了多视角传感器下三维点云的自动拼接算法。首先由不同视角的传感器双目标定后进行轴线数据的标定，接着在三维空间内对多条轴线数据进行分析并提出了一种基于多视角传感器轴线融合的点云拼接方法，从而计算出误差最小的最优轴线数据，最后以拟合出的轴线数据为轴心在世界坐标系内进行三维点云的拼接。实验结果表明，在1.3～1.9 m的测量范围内，本文所提出的拼接方法对直径为144.954 2 mm的标准球进行三维重建的误差在0.037 mm以内，重建无特征点物体和有特征点物体都能有较好的拼接效果且拼接时间不受点云总量大小的限制。该拼接方法基本满足三维重建的稳定性好、效率快、精度高等要求。     

大型异构件点云配准重建方法研究

传统的大型异构件机器人磨削按照单一工件模型统一示教路径进行加工，由于实际工件与理论模型存在尺寸偏差，导致出现磨削空行程或去除过量等问题。提出一种机器人带动线激光扫描工件的方法，获取不同视角点云数据，采用基于FPFH的SAC-IA粗配准与ICP精配准结合的方法进行点云拼接，应用KD-tree对应点距离算法删除重叠区域冗余点，再通过基于Delaunay三角生长原理的贪婪投影算法完成三维模型重建，可提供给机器人进行自适应磨削。以长600 mm、宽200 mm的叶片进行试验，该方法相比ICP、NDT+ICP两种方案配准精度分别提升71.90%、31.53%,重建模型与实际工件对比尺寸偏差小于0.15 mm。     

基于改进ICP拼接算法的柔性抛光气囊工具磨损检测方法

气囊抛光可用于加工具有纳米级表面粗糙度和亚微米级形状精度的非球面光学元件，在光学元件加工领域应用广泛。传统气囊工具磨损检测方法成本高、耗时长、效率低，针对该问题，提出一种基于拼接数据采集平台的改进迭代最近点（ICP）拼接算法的气囊磨损检测方法。该方法通过点云拼接实现大尺寸气囊工具的磨损检测，并结合气囊磨损检测算法计算磨损量。采用体素下采样和半径滤波对拼接数据进行点云预处理，利用搭建的拼接检测数据采集平台获取良好的初始配准变换矩阵，最后利用双向K-D树近邻搜索结合ICP算法实现点云精配准。实验结果表明，所提拼接算法在保证配准精度的同时可大幅提高配准效率，并且不影响后续气囊磨损检测的精度，为大尺寸气囊工具磨损检测提供了保证。     

基于机械臂辅助的多视角三维点云拼接算法

针对如何快速且准确地获取模具内部完整三维点云数据的问题，提出一种机械臂与三维视觉设备结合的三维点云拼接算法。在初拼接阶段，采用手眼标定方式获取手眼矩阵，并将各幅点云转换到机器人基坐标系，完成初步拼接，得到良好的配准初始位置。在此基础上，提出改进的迭代最近点（ICP）算法，通过结合内部形体描述子（ISS）特征获得关键点，并用随机一致性算法剔除错误匹配点，在点的匹配过程中采用点到面的方式进行匹配，最终得到完整的拼接点云。实验结果表明，所提算法在与ICP算法及其他改进的ICP算法的配准性能对比中具有良好的稳健性，算法耗时及配准误差明显下降，完整的拼接点云误差为0.12 mm，具有较高的工程实践价值。     

光学偏折子孔径拼接面形检测技术

针对大口径的高斜率动态范围光学元件的测量需求,提出了基于光学偏折技术的子孔径拼接测量方法。利用所搭建的条纹投影光学偏折测量系统,结合子孔径划分拼接方法,对各子孔径分别进行测量,并根据实际测量结果与测量系统模型光线追迹结果的偏差,高精度测得各个子孔径的面形数据,由此对各子孔径进行拼接来实现全口径面形测量。光学偏折测量技术相对干涉法具有很大的测量动态范围和视场,可极大降低所需的子孔径数量,由此大大提高了检测效率。同时提出了针对重叠区域的加权融合算法来实现拼接面形的平滑过渡。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析以及实验验证。对一高斜率反光灯罩进行拼接测量实验,并将拼接测量与全口径测量结果进行对比。结果表明,利用所提出测量方法获得的拼接面形连续光滑,且与全口径测量面形RMS值偏差为0.0957 μm,优于微米量级。该测量具有较高的测量精度和大动态测量范围,并且系统结构简单,为各类复杂光学反射元件提供了一种有效可行的检测方法。     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。     

采用三角剖分算法的子孔径拼接检测技术

为了解决大口径光学平面镜的子孔径拼接检测问题,基于三角剖分算法与最小二乘拟合算法,建立了一套合理的拼接算法和数学模型,编制了拼接程序,并结合工程实例,利用600 mm干涉仪实现了对612 mm180 mm圆角矩型平面镜的拼接测量。检测中,基于靶标确定子孔径间的相对位置,完成子孔径间的对准,并且基于不同的镜体位置,对拼接检测的重复性进行了多次实验验证。实验结果表明:拼接结果无拼痕,并且两次基于不同镜体位置计算获取的拼接面形PV与RMS的相对偏差分别为2.07%与0.52%,拼接面形是一致的,验证了检测的可靠性和准确性。     

基于条纹投影的双目结构光成像系统

研究了一种 基于条纹投影 的双目三维成像方法,实现对表面有大梯度或非连续等复杂形貌物体的测量。计算机软件产 生的正弦条纹 经DLP投影仪投射到被测物体表面,左右两个CCD相机同时拍摄经被测物体表面调制的变形条 纹图。通过 四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。建立绝对相位与深度 之间的关系, 得到两组不同坐标系下的三维点云数据。提出一种改进的最近点迭代(ICP)算法,在每一次 迭代过程中剔除 不可见点和噪声点,将两组点云数据转换到同一坐标系中。三维形貌测量实验证明了所研制 成像系统的可 行性和准确性。视场范围内的最大测量误差为0.072mm。     

基于干涉条纹傅里叶分析技术对拼接光栅调整偏角的计算分析

阶梯光栅共相拼接技术是实现增大光栅尺寸、进一步提高天文光谱分辨率(天文光谱分辨率R>105)的关键。为了提高中阶梯拼接光栅的调整角度精度,本文基于干涉条纹傅里叶分析,提出了一种干涉条纹空间载频频率的九像素平均算法;然后结合干涉条纹光栅拼接技术,模拟了不同角度偏差下的条纹变化及其相应的傅里叶分析角度计算,在实验上实现了对系统角度调整系数的标定以及对傅里叶算法计算的调整偏角精度的分析,获得了拼接光栅调整系统中角度最大计算误差精度小于0.4μrad的结果,为天文上应用的大尺寸拼接光栅的共相调节提供了理论支持。     

基于面结构光的工件内壁点云旋转拼接研究

针对某些工件内部空间有限、测量困难的问题,提出了一种基于面结构光的点云旋转拼接方法。介绍了面结构光单一视野的重建方法,采用四步相移与互补格雷码结合的方法获取绝对相位值,通过多项式拟合法对相机、投影仪进行标定。基于机械臂末端腕关节旋转平面（简称:旋转平面）对点云的配准进行了研究,提出了基于辅助相机的标定方法,给出了相机成像坐标系和旋转平面坐标系之间的变换关系。实验结果表明:该方法适用于工件内壁测量,拼接平均误差不大于0.05 mm,满足实际应用需求。     

大口径抛物面镜子孔径拼接测量

针对大口径抛物面面形检测,提出一种基于无像差点的子孔径拼接测量新方法。首先,分析了该拼接方案特殊的子孔径生成方式及子孔径名义运动路径计算的形式;其次,通过建立统一的像面坐标系和全局坐标系的函数关系,结合坐标转换求解出各个子孔径数据对应的全局坐标;最后,采用目标函数法拼接恢复出全口径面形。对一抛物面镜利用该拼接方案进行了计算机仿真实验,拼接得到RMS值的偏差为0.0014。实验结果表明,该检测方法可以实现大口径抛物面镜的高精度测量。