曲面重构中散乱点云数据曲率估算算法的研究

获取测量点云数据的几何特征信息是曲面重构的基础,估算数据点方向矢量和曲率是点云数据处理中必须面对的问题。这里针对散乱测量数据点云,以局部数据点协方差矩的最小特征向量作为数据点的方向矢量,并根据实际测量情况,对基于二次曲面拟合的数据点曲率估算算法进行了改进。对实际测量点云数据,能够较准确地估算出点云方向矢量和曲率,并能形象显示出数据点云的曲率分布。     

基于球面特征的点云配准方法研究

针对多视点云的配准问题,提出了基于球面特征的自动配准方法。在测量的零件周围固定标准球,把零件和标准球作为一个整体进行点云测量。用球面拟合的方法求解标准球的球心坐标,并在待配准点云的球心坐标中搜索对应点,从而计算粗配准中的旋转矩阵和平移矩阵,实现点云的粗配准,采用融入球心坐标信息的改进的ICP算法(迭代最近点法)实现点云的精配准。这种方法大大缩少了粗配准中对应点的搜索范围,并实现了自动配准,提高了配准效率,改进的ICP算法增强了配准算法的鲁棒性,实例证明该方法有效。     

多测源数据融合下的点云配准方法研究

工程样件的数字化测量是逆向工程的首要阶段,不同测量方法对数字化的精度、效率影响较大,将多个测源获得的不同点云数据进行融合可充分发挥不同测量方法的优点,扩大逆向工程的适用范围。采用三坐标和三维扫描仪分别对设置有特征球的鼠标模型进行三维数据采集,利用球面拟合算法对特征球的数据进行拟合,得到特征球的球心用于点云配准,基于3基点点云配准原理获得坐标变换矩阵,并给出点云配准精度评估模型,利用实验对方法的可行性进行验证。     

超声流量计几何参数测算方法及其不确定度分析

超声流量计基于时间和长度两个基本量来测量平均流速和流量,几何参数的测算准确度对流量计而言十分重要。可采用三坐标机或全站仪测量管壁点及探头点的三维坐标,并由三维坐标推算流量计几何参数及其不确定度。柱面拟合是流量计几何参数推算的难点与关键,利用Lukacs算法实现了流量计管段的柱面拟合过程,并利用Monte-Carlo模拟方法估算了坐标测量引入的不确定度。最后利用仿真实例说明了柱面拟合算法及其不确定度评估的合理性和有效性。     

采用虚拟立体视觉的航空发动机叶片点云测量方法

叶片作为航空发动机的重要零部件,加工成本极为昂贵,为了实现对残损叶片的修复,必须精确获取叶片曲面点云数据,为修复提供数据支持。为此,研究了一种采用虚拟立体视觉的测量方法,首先分析虚拟立体视觉系统的数学模型,利用非参模型及精密靶标实现对系统内外参数的标定,然后采用KLT(Kanade-Lucas-Tomasi)算法结合外极线约束实现了叶片散斑点之间的立体匹配,最后采用点到投影射线距离平方和最小化作为约束条件求解叶片点云空间坐标,得到叶片曲面点云数据。实验结果表明,根据本文方法获取的叶片曲面点云数据拟合出的叶片曲面相关系数大于0.99,叶片曲面几何参数均值误差小于0.2 mm。本方法针对发动机叶片点云测量这一特殊应用环境,提出了一种简化的测量方法,实现了叶片点云的高精度、高可靠性测量。     

一种新型步进机构--柱面槽轮机构的研究

柱面槽轮机构是由球面槽轮机构演化而来的一种新型槽轮机构。通过对柱面槽轮机构的几何关系、运动学与动力学等问题的分析 ,给出了柱面槽轮机构的适用工作情况、参数选择原则、几何计算和设计方法     

基于逆向工程的闸门底枢磨损量测量

闸门底枢蘑菇头磨损量小且为曲面,传统的测量方法难以精确获得磨损量,文中提出采用基于逆向工程技术的蘑菇头磨损量测量方法。首先通过三维扫描仪获取磨损试验前后的蘑菇头点云数据,其次采用逆向工程软件算法将磨损前后的蘑菇头点云数据对齐,通过3D比较和体积计算,测算出磨损区域的最大磨损高度。结果表明,该方法能够较为准确地实现蘑菇头磨损量的测量,同时再现磨损区域的空间几何形状,实现磨损量测量过程的数字化、定量化和可视化。     

基于静力平衡原理的三维均质实体测量方法

提出一种基于静力平衡原理的三维均质实体无损测量方法,测量方法根据杠杆平衡系统中力的变化间接实现无损分层测量,以杠杆平衡系统中力与力矩平衡和其与实体重量的关系为基础,通过按一定方向越过支点微小位移,测量杠杆平衡系统中实体每个不同位置的受力变化大小,求解被测实体各片层的质量和相应片层的重心坐标值,建立各片层质量和所含微小单元体的方程组及重心坐标方程组。然后通过智能计算求解方程组,获得各单元体的质量和空间坐标值,进而对获得的点云数据进行图像重构。重点论述了基于静力平衡原理的三维均质实体无损测量方法的测量原理、组成和其数学模型的建立及其求解分析。     

基于表面法矢的散乱数据分割与几何特征提取

使用区域增长法进行散乱数据的区域分割以及二次曲面几何特征的提取.算法首先自动地布置种子区域,然后通过迭代/拟合这一循环过程来实现区域的增长.为了提高算法的可靠性,提出基于散乱数据表面法矢的二次曲面直接拟合方法.该方法根据特定类型二次曲面的几何性质,应用线性最小二乘技术求解其几何参数,从根本上解决以往二次曲面拟合算法因几何参数初值的设置精度不高而导致的求解效率低,进而失败的问题.试验结果表明提出的算法实现简单,且稳定可靠.     

非线性函数柱面曲线槽的精密测量

通过在万工显上测量的实例,论述了柱面曲线槽的影像测量和接触测量这两种测量方法,实现曲线槽几何尺寸的精密测量,并针对测量中存在的一些问题进行了讨论。     

基于表面贴合的不同视点传感器点云拼合方法研究

针对视觉传感器对物体表面点云数据采集的离散性,提出基于表面贴合的点云精确拼合方法。先对不同视点传感器获得的点云进行初始配准拼合,再以包容球方法选取点云重合表面区域的三处局部表面,用三维二次曲面方程拟合;旋转变换采用四元数法,经非线性最小二乘优化得到精确拼合的平移和旋转参数。该方法具有较快的收敛速度和较高的拼合精度,实例验证了所提方法的可行性。       

基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法

为了提高遥操作机器人虚拟环境几何学建模的精度,提出了一种基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法。首先基于视觉信息通过点云采集和预处理、粗细配准相结合的点云配准、表面重建、位姿测量实现了目标物的几何学建模;之后针对遥操作机器人的应用背景,设计了局部半自主和多指协同相结合的灵巧手控制方式,完成了目标物触觉点云的采集;最后采用视触融合的方法,使用KDtree将视觉点云和触觉点云进行融合,并利用视触融合点云对几何学模型进行修正。通过实验证明该方法对不同材质目标物的几何学建模的几何尺寸误差小于3.6 mm、定位误差小于6.8 mm、姿态角测量误差小于4.3°,且效果均优于基于视觉信息的几何学模型和基于触觉信息的几何学模型。该方法构建的几何学模型既包括了目标物的颜色信息,又提高了几何学模型的精度,且在模型细节处表现良好,有效结合了视觉和触觉两种模态信息的优点。     

基于机器视觉的散乱柱类零件抓取系统

针对散乱摆放的柱类零件抓取问题,提出一种基于圆柱拟合的散乱柱类零件识别抓取系统。首先,采用直通滤波,离群点去除和体素滤波降低密度采样对点云数据进行预处理,然后使用平面拟合算法去除载物台点云,接着使用区域增长算法将不同圆柱的点云分离,由于分割后的圆柱点云存在大量噪点,采用随机抽样一致法和最小二乘法相结合的方式去除噪点,拟合圆柱面,最后将点云重心向圆柱轴线投影,得到准确的柱体中心。实验证明该算法鲁棒性好,精度较高,适用于柱类零件抓取。     

点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测

针对单线结构光测量因范围有限以及遮挡等原因而无法检测整个车轮的轮缘及踏面的问题,提出了一种列车轮对双目双线结构光检测方法。该方法采用两组双线结构光传感器进行测量和数据采集。在两传感器产生的点云进行配准的过程中使用截面点云数据还原点云矩阵,然后对其进行傅里叶变换,在计算旋转角度时先进行极坐标转换,最后求取两矩阵的互功率谱,从而得到点云的旋转和平移矩阵。在此过程中考虑到点云噪声的存在,将辛格函数近似代替无噪声的互功率谱傅里叶反变换,从而确定在频域配准时噪声对配准参数的确定并无影响。接着采用相对值比较的算法和主成分分析拟合基准平面,对轮对直径方向进行标定。利用标定值对扫描数据进行处理,得出包括车轮直径、车轮滚动圆径向跳动等对尺寸参数。实验表明:点云频域配准的双目双线轮对检测技术对车轮直径的测量尺寸误差≤±0.05mm,车轮端跳的测量误差≤±0.06mm,车轮径跳的测量误差≤0.04mm。与标准轮对检测数据相比可知,该系统满足轮对检测精度的要求。     

非编码标志点的几何形心提取的研究

在反求工程中,利用毛学测量得到的点云数据只能得到某个视角内的物体,为了得到完整的点云实体,需要对不同视角的点云数据进行拼合。在现有算法中,绝大多数算法都是基于曲面拓扑特征这一前提进行拼合的,这就使得那些曲面平滑,表面拓扑信息不明显的点曲面拼合很难得到较好的效果。之后对于特征不明显的曲面进行拼合,提出了一些基于添加外部特征的方法,标志球,带编码的标志点等。可是这些方法也存在着计算量大的缺陷。基于以上的现状,本文提出了一种基于非编码标志点的曲面拼合方法。直接从图僚中提取标志点的几何形心作为曲面局部匹配的对应关系,具有计算简单,精确度高的特点。     

逆向工程中基于属性邻接图的加工特征识别

为了提供逆向工程系统和CAx系统集成的直接通道,提出了针对点云数据建立属性邻接图的算法,并利用属性邻接图实现加工特征自动识别.首先利用模糊c-均值聚类方法对点云进行分区,将分区后的面片进行曲面类型判别和几何参数提取.设计了建立面片之间邻接关系和判断相邻面片之间凸凹性的算法,从而建立零件的属性邻接图;对零件的属性邻接图进行分解,遍历分解后的子图形成特征子图,将特征子图与特征规则相匹配,从而实现加工特征自动识别.实验结果证明了该算法的有效性.     

一种曲面特征保持的航空叶片点云精简方法

针对现有点云精简方法在航空薄壁叶片叶缘高曲率特征区域及点云稀疏区域存在取样不足的问题,提出了一种基于重聚类策略的精简方法。通过移动最小二乘法定义点--曲面距离函数,区分高低曲率特征,建立了原始点云和精简点云之间的距离关系,在高曲率区域重聚类,实现叶缘高曲率特征保持;并在重聚类时判断点云疏密程度,对稀疏区域进行重聚类。航空叶片、铸造模具等典型复杂曲面测量点云的精简过程中,该方法相比于均匀采样法、层次聚类法,在高曲率区域可保持较高的几何精度。     

面向材料反求的非均质体参数化模型构建

非均质产品具有非常广泛的运用,面向材料反求构建非均质产品模型,能更好地设计出材料符合实际分布的非均质产品。利用CT扫描提供的原始数据,经过提取得到具有灰度信息的点云数据,提供非均质产品几何和材料空间构造原始信息。通过体参数化方法实现模型几何空间构造,通过对灰度值的参数化实现材料空间构造;通过求解一个二次型优化问题,将材料空间内嵌于几何空间,实现几何空间和材料空间的耦合,从而最终完成体参数化非均质产品模型的构建。以股骨模型为例,实现其非均质体参数化模型的构建算法。结果表明,面向材料反求的非均质体参数化建模方法能够更为便捷和准确的表达材料实际分布信息,且为基于体参数化模型的性能分析和显示提供模型支撑。     

基于勒让德多项式各项系数拟合的柱面镜面形检测研究

超薄玻璃热成形技术是目前国际上研制X射线掠入射天文成像望远镜的重要技术之一,超薄玻璃圆柱面镜片面形的高精度检测是实现超薄玻璃热成形的关键。围绕我国高能X射线掠入射天文望远镜研制对高面形精度的超薄玻璃柱面镜的需求,采用勒让德多项式对柱面镜面形的测量数据进行拟合,利用勒让德多项式各项系数与特定的几何像差的对应性,通过拟合勒让德多项式各项的系数,获得了待测柱面镜面形的特定几何像差,为全面评价柱面镜面形质量提供了参考。     

反求工程中基于边界扩展的三角网格构造

针对非接触式方式测量的大规模散乱点云数据建模，提出一种三角剖分算法，该算法适用于多张自由曲面片构成的曲面物体，尤其适用于含内孔的曲面对象。算法过程包括两个阶段：第一阶段，采用一种空间栅格装点法来进行初始点云数据精简，精简比率通过栅格小正方体单元尺寸控制；第二阶段，构造种子三角形，通过连接已剖分网格区域的边界边与最优扩展点采形成三角网格，从而向外延展，也可以时一个带有内孔的复杂自由曲面直接进行三角剖分，无需人工分区。实验结果表明该算法可以快速、有效地从三维数据点云建立几何模型。