基于复合Zernike矩相角估计的图像配准

提出了一种基于复合Zernike矩相角估计的图像配准方法.首先,利用尺度不变检测子Harris-laplace检测图像中的兴趣点作为初始特征点,计算以兴趣点为中心、邻域具有尺度不变性的Zernike矩;提出一种鲁棒的相角估计方法,用于估计两个归一化区域的旋转角度值.然后,利用Zernike矩的幅值和相角信息,通过比较每个兴趣点邻域Zernike矩的相似度提取出初始匹配点.最后,提出一种迭代角度修正算法用于精确估计变换参数,并对输入图像进行几何变换后将两幅图像配准.实验结果表明,该算法可在尺度缩放、任意角度旋转以及噪声等复杂条件下实现图像的高精度配准.当旋转角度误差小于20°时,图像的平均覆盖率达到94.125％,有效降低了误匹配的概率.     

基于小波变换的精密测量点云多尺度分解

为了减小多源跨尺度点云数据尺度与数据量上的差异，提出了一种基于小波变换的点云多尺度分解方法。对细节丰富的小尺度点云数据进行多尺度分解，以及尺度分解在跨尺度点云数据配准中的应用进行研究。首先，对小尺度点云进行栅格建模，建立全局点云二值表达函数。根据离散小波变换理论，对栅格点云进行多次的三维小波分解，利用小波尺度函数的低通特性，保留低频信息来获取原始小尺度点云的近似尺度数据。然后，基于面维数和差体维数差表征与原始数据的相似度，确定有效的小波分解级数。最后，将各级分解得到的点云数据与大尺度点云数据进行精确配准，并将配准关系应用于原始点云，提高跨尺度点云的配准精度。实验结果表明：本文提出的多尺度分解方法能够对数据进行有效分解，应用于某航空发动机叶片多尺度测量中，将显微测量的局部气膜孔小尺度点云数据与整体叶片结构光数据配准，配准精度提升了61.36%。该分解方法应用于叶片边缘与栅格零件多尺度测量中，配准精度分别提升了48.59%,43.86%。所提的点云多尺度分解方法能够有效分解小尺度点云数据，大幅提升跨尺度数据的配准精度。     

试论航空发动机叶片数控铣削方法

由于航空发动机叶片空间自由曲面较为复杂,且其几何精度非常高,在加上航空发动机叶片的制作材料多食铝合金或钛合金,在切削方面存在很大苦难,此外,航空发动机叶片是薄壁零件,加工时零件容易产生变形。这些因素就导致航空发动机叶片铣削难度较大。本文从航空发动机叶片数控技术现状出发,对数控铣肖0方法进行浅显的探讨。     

复杂零件在线三维测量中的点云配准方法

复杂零件的在线检测对质量控制和工艺优化具有重要意义,而如何对齐由多个视点拍摄获得的三维点云是实现在线检测的关键。基于点云内部属性与坐标系无关这一性质,提出基于手眼标定的多视点云配准算法,将不同视点下传感器坐标系中的点云转移到固定的机器人基座坐标系中,实现多视点云的粗配准;针对粗配准精度不高的问题,提出一种由粗到精的自适应距离阈值ICP算法,实现多视点云的精配准。ICP粗配准阶段旨在扩大算法的收敛范围,加快迭代速度;ICP精配准阶段旨在消除误匹配,保证最终收敛结果的准确性。试验结果表明,所提点云配准方法的精度和速度均能够满足复杂在线检测的应用要求。     

基于视觉注意模型的SIFT图像配准算法研究

针对SIFT配准算法提取图像特征点较多,配准点冗余,容易误配,存储空间大,匹配耗时多等缺点,根据认知心理学的相关理论,提出一种基于视觉注意模型的SIFT特征提取算法,并应用于复杂背景下的多目标图像配准。本算法首先利用视觉注意模型提取输入图像的显著目标,然后使用SIFT算法对显著目标区域配准。实验结果表明,本算法减少了复杂背景下大量的干扰信息和特征点,提高了配准精度和效率,取得了较好的配准效果。     

考虑定向能量沉积工艺特点的减材加工余量优化

针对定向能量沉积(DED)复杂曲面零件余量不均及台阶效应明显等问题,提出了考虑DED复杂曲面成形特点的中面动态配准技术,以优化后处理减材加工余量。首先根据扫描路径构建曲面零件最小外包络的截面线,用于在机检测毛坯点云;然后提取理论模型中面与测量毛坯中面点云,引入不同区域配准精度要求,利用动态加权迭代最近邻点算法实现加工余量优化,并通过两简单案例对算法可行性进行初步验证;最后,以离心叶轮叶片为复杂案例,分析所提余量优化方法的准确性,并与基于遗传算法的多配准精度要求的加工余量优化技术进行对比。结果表明,所提余量优化算法的配准精度及计算效率高,可用于DED制造复杂曲面类零件的余量快速优化。     

复杂曲面误差评估的最小区域包容配准算法

鉴于复杂曲面误差评估问题中,不同配准方法往往导致不同的评估结果,在精度要求较高或误差形势较严峻时,恰当的配准位姿具有重要意义,提出一种面向复杂曲面误差评估的最小区域包容配准算法。为解决计算复杂性,采用凝聚函数一致光滑逼近不连续的极差函数,并利用高效有限存储拟牛顿算法求解大规模无约束非线性问题。最近点迭代算法为最小区域包容配准方法提供了收敛条件,同时加快了收敛速度,而且算法容易实施,对复杂曲面扫描数据点云有效。通过仿真平面和实测钣金件的误差评估配准实验说明了所提算法的有效性。     

曲面工件自动超声检测轨迹规划

航空发动机叶片是典型复杂曲面结构,为实现叶片的自动化超声检测,提出基于曲面点云数据重建的自动化检测轨迹规划方法,在此基础上实现7轴联动复杂曲面自动扫描成像。叶片点云采用线激光轮廓仪配合工件旋转轴自动扫描获取,数据拼接整理后采用数据拟合方法获得曲面轮廓方程,基于曲面上的曲线方程规划加减速扫描轨迹,进一步对各扫描轨迹点进行多轴运动分解,获得包括六轴机械手和工件旋转轴在内的各轴轨迹。实际检测试验表明,轨迹规划算法可以实现叶片自动扫描,获得清晰C扫描图像。     

融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统

针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题,结合北斗/GNSS定位系统和5G通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS接收模块和5G模组集成,激光雷达采集点云信息,高精度电机获取角度信息,北斗/GNSS接收模块接收时间并通过自主研发的时间同步模块,与高精度电机与激光雷达进行时间标记,获取带有时间标签的点云和角度文件,并通过5G通讯技术实时传输。终端通过自主研发的数据预处理软件,通过线性插值算法进行多帧点云时空配准,室外根据北斗/GNSS坐标进行多站激光点云粗配准,室内无北斗/GNSS环境下通过单站特征点进行多站点云粗配准,再利用临近迭代算法进行精配准以完成整体配准,并在自主研发的实时点云管理与可视化系统上进行可视化。实验表明该测量系统使用5G通讯技术传输速率50 Mbit/s,可以实现异地实时扫描传输,配准后的点云误差在3 mm以下,可为数字孪生、物质文化遗产监测、特大异形建筑施工运维分析等实时应用领域提供数字基础设施。     

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。     

基于ORB与RANSAC融合改进的图像拼接方法

针对旋转不变性二进制描述算法（Oriented Fast and Rotated Brief, ORB）的尺度旋转性配准误差大,配准率较低及随机采样一致性（Random Sample Consensus, RANSAC）算法随机性强且不稳定的问题,提出一种ORB与RANSAC结合的快速特征匹配算法。首先,对特征点提取方式进行优化选择,消除特征边缘影响。之后构建简化的金字塔式尺度空间模型,改进分层图像的尺度空间结构,减少生成图像层数和数目;然后采用梯度方向改进传统ORB算法中的主方向提取模式,提高特征角点主方向的准确性。最后,通过构建分块随机取样检测的方式改进RANSAC算法,提高RANSAC算法的稳定性和图像配准的准确性。实验结果表明改进后的ORB和RANSAC融合算法在尺度和旋转配准方面性能有很大提高,并且配准的精度较传统ORB算法高,尺度配准精度提高55.41%,旋转配准精度提高26.66%。满足复杂图像快速精确配准拼接的精度和实时性要求。     

叶片机器人砂带磨抛点云匹配算法优化

为解决机器人磨抛路径中工件坐标系难以计算的问题及校正工件装夹误差,将三维点云配准技术应用到叶片机器人砂带磨抛系统中。由三维激光扫描仪扫描工件型面获得工件点云,采用基于主成分分析(PCA)的全局配准算法和改进的迭代最近点(ICP)算法完成了扫描点云和工件模型离散点云间以及不同工件扫描点云间的匹配,以获取工件坐标系和校正工件装夹误差。相关仿真和试验结果表明,优化后的算法在匹配速度与精度上有了长足改进,且加工后产品精度和质量都能满足实际加工要求。     

复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法

在对等残余高度刀具轨迹规划算法加工参数曲面研究的基础上,提出带有误差补偿值的复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法——高精度刀轨误差补偿算法。通过分析刀触点及与之相应的相邻路径上的粗、精刀位对应点间的关系,引入误差补偿值以提高精对应刀位点的求解精度,得到经过合理简化的误差补偿值表达式,并得出粗、精对应刀位点与理论刀位点的距离误差表达式。高精度刀轨误差补偿算法可以在满足插补运算实时性要求的前提下,使相邻轨迹上与刀触点相对应的刀位点的参数值计算精度得到极大提高,进而提高复杂参数曲面的加工刀具轨迹精度。以使用平底铣刀为例进行仿真加工,结果表明高精度刀轨误差补偿算法适合进行对复杂参数曲面的高精度加工。     

活塞外圆检测仪的优化设计

为了测量日趋复杂的异型型面活塞的各个参数,打破市面上的活塞检测仪大多价格昂贵且检测方法复杂的局面,提供一种优化的活塞检测仪。采用密珠轴承代替一般轴承,获得的检测仪具有性价比高、简单可行、无需人工找中心的特点;其结合计算机自行开发出的活塞轮廓检测方案更是简化了以往繁琐的操作步骤,可实现自动与人工任意切换,并且测量精度大大提高。实践证明,基于该种方法优化后的检测仪可以满足实际的检测要求。     

基于插铣加工的非等参数刀具轨迹生成方法

针对复杂多曲面通道的多坐标数控粗加工,提出了一种新的刀具轨迹生成算法.该算法以传统的插铣加工方法为基础,提出适合于复杂多曲面通道的新插铣方法;利用曲面参数线,使用B样务曲线正算反算方法,在流道划分的多个截面上做由初始孔到截面轮廓的渐变曲线;通过计算满足残留高度的走刀行距,在各个截面的渐变曲线上提取参数点并拟合出相应曲线,进而得到刀具接触点轨迹.     

采用目标区域互信息的星空图像配准

提出了采用目标区域互信息的测度方法对星图进行精确配准以解决星图中存在噪声、伪星点、星点稀疏以及星图间的旋转等问题。首先对星图进行图像分割,检测出星点目标并对星点进行二值化处理;然后基于互信息配准模型,在含星点的目标区域上,利用Powell算法将最大互信息作为目标函数来指导图像间最优变换参数的搜索。分析了适宜于互信息测度配准的星点分割算法,并论证了采用目标区域互信息的星图配准的可行性。对提出的算法与标准的互信息配准算法进行了对比。结果表明:提出算法的时间消耗与图像中星的数量有关,在图像大小为1 000×1 000时,提出算法的加速比为标准算法的3.4倍。该算法在星图中存在噪声、伪星点、星点稀疏和旋转的情况下仍能进行准确配准,50组实拍星图配准误差平均值为0.138 2pixel,满足了星空图像对精确配准的要求。     

重构曲面精度评价方法研究

随着计算机技术、测量技术、曲面重构技术的飞速发展,基于功能表面的高精度逆向工程已成为可能,这对重构曲面的精度控制技术提出了更为苛刻的要求。现有方法一般是对误差产生原因进行定性分析,很不完善。本文首先通过精度设计,对逆向工程产生的各种误差进行合理分配;并首次引入曲面轮廓度的概念,在此基础上定量地对曲面重构误差进行了快速计算和有效分析;本文最后给出了增压器叶轮各个功能曲面的重构精度评价效果图,效果图很好地揭示了测量点云对于重构曲面的偏差值以及数据点云在各个误差带中的分布情况。     

面向复杂曲面的机器人砂带磨抛路径规划及后处理研究

针对机器人砂带磨抛复杂曲面叶片问题,对叶片内外型面和进排气边的磨抛路径规划及后处理技术进行了研究,对复杂曲面叶片的机器人砂带磨抛路径规划的计算效率及加工效率进行了分析,提出了一种将基于等残留高度法的笛卡尔空间计算的磨抛行距转化为参数域空间的磨抛行距的方法,并将机器人砂带磨抛复杂曲面叶片接触轮的中心坐标位置、支撑轴矢量以及轴线矢量数据后处理为机器人的位姿信息,利用机器人砂带磨抛系统装备实验平台对复杂曲面叶片进行了实际的加工实验。研究结果表明:所提出的刀路规划和后处理技术能够有效地解决机器人砂带磨抛复杂曲面叶片的问题,具有加工路径总长短以及路径条数少的特点,计算简单、加工效率高、加工表面质量好。     

光学自由曲面的超精密加工技术及应用

光学自由曲面是指非对称性、不规则、不适合用统一的光学方程式来描述的光学曲面.自由曲面光学元件在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛.采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙的高精度水平.文章介绍了光学自由曲面的超精密加工技术及其在光电产品领域的应用,并开发适合几种典型光学自由曲面超精密加工的刀具轨迹自动生成软件.     

基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法

针对大尺寸测量系统坐标统一化过程中公共点的测量误差不可控制的问题,提出了利用可现场溯源的标准器取代传统的独立公共点的方法。设计了一种标准器,并用更高精度等级的三坐标测量机对标准器上各个目标点之间的空间几何位置关系进行标定,把这些几何位置关系作为约束条件。现场应用中多站大尺寸测量仪分别测量标准器上的目标点,计算出各个几何关系与通过标定的约束关系之差,将这个差值与设定的误差限进行比较,确定公共点的测量值是否有效。对该方法进行了理论分析和仿真证明。提出了7参数坐标配准算法对大尺寸测量进行空间坐标数据配准。用激光跟踪仪和激光雷达及4个标准器进行现场实验,实验结果与传统方法相比,坐标配准误差得到降低。为了进一步验证该方法的有效性,把一根经过检定的基准尺放置于测量空间的12个不同位置,使用标准器约束前后的两组坐标配准参数分别计算基准尺长度的平均值和标准差。实验结果表明,使用标准器约束方法能够提高大尺寸测量系统坐标统一化精度。