[发明专利]一种基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法

说明书

本发明基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法。该方法采用基于双目视觉结合分组布置投影点并增加椭圆锥面约束的方法进行法矢量测量。首先将多组由四投影点组成的图案依次投影在制孔区域，并基于双目立体视觉求解各组投影标志点的三维坐标，进而针对每组测点的坐标集，采用平面主元分析法快速求解得到各组的局部法矢量，对各局部法矢量归一化，拟合椭圆锥，最后近似求解椭圆锥的轴线，作为制孔点位置的精确法矢量。该方法采用分组布置投影标志点的方式，结合椭圆锥约束求解法矢量的方法，增加了可测量的空间点数量，该方法稳定性好，可靠性高，损耗极小。

技术领域

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法。

背景技术

在飞机装配领域，为了确保铆接及螺栓连接孔的法向精度，在自动钻铆工序中，需要实时测量零件曲面上制孔点处的法矢量。其中法矢量的测量精度决定了制孔精度和装配质量，而法矢量求解方法是快速获得高精度法矢量的主要途径。

现有的法矢量求解方法主要有接触式位移传感器,如三坐标测量仪测四点求法矢量、使用电涡流传感器或激光测距传感器测多点拟合二次曲面求法矢量、单目视觉测交叉光条求法矢量等方法，此外还有利用三角面片、空间点云、球面逼近等工具的算法。基于接触式位移传感器的测量方法是通过接触曲面制孔点周围的表面提取空间信息，测量效率低，设备寿命短，可靠性差；基于电涡流传感器或激光测距传感器的测量方法实现了非接触快速测量曲面离散点坐标，但是由于一个传感器一次只能测量一个点，受传感器结构数量限制，可测的空间点数量少、分布间距大，无法精确反映制孔点处的型面信息；单目视觉测交叉光条的方法是测量经过制孔点的两个直线方向的离散点信息，拟合曲面上两条经过制孔点的曲线方程，进而求解法矢量的过程，其测量速度较快，精度较高，获取点的数量很多，但是这些点无法反映制孔点周围各方向的信息，导致测量不同曲面的制孔点法矢量的精度保持性差。谢友金等人发表《球面逼近求解变形曲面法向矢量算法研究》[J].制造技术,2010,07:051-108，提出了一种用球面拟合制孔点周围的局部曲面并由球面球心与制孔点的坐标求解法矢量的方法，该方法首先需要测量制孔点周围多个点的三维坐标，再取三个不共线的点与制孔点构成初始球面，然后定义目标函数为所有离散点到拟合球面距离的平均值，使用“模式搜索法”进行迭代，求解目标函数中的各待定系数。这种算法需要测量大量的离散点，求解法矢量的精度较高,可靠性较好；姚振强等人发明的专利号为CN201110099364.6的“用于大曲率半径曲面法向矢量快速检测方法”专利，采用两个相互垂直平面与工件曲面相交，得到曲面点的两条坐标曲线，然后分别检测两条坐标曲线上以曲面点为中心的微小曲线切向矢量，从而得到曲面数据点的法向矢量，该方法将传统的曲面法向检测三维问题转化为两次二维曲线检测，便于实现，可以达到曲面加工实时检测的需求，提高了曲面加工的质量和效率。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对航空零件表面制孔点法矢量算法精度不高、效率较低的问题，发明了一种基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法。该方法针对航空零部件表面的制孔点，在该点周围区域，需要在每个采集周期布置一组由四个投影标志点构成的图案，并对每个采集周期内采集到的四个投影点图像进行提取、三维重建和局部法矢量求解，从而获得制孔点周围各组测量标志点的局部法矢量，最终通过拟合椭圆锥面的方式逼近精确的制孔点法矢量。该方法通过分组布置投影标志点的方式获得大量反映制孔点附近区域的信息，并且采用椭圆锥形状约束法矢量的取值范围，从而大大提高法矢量求解的精度。

本发明采用的技术方案是一种基于椭圆锥约束的制孔点法矢量求解方法，其特征是，该方法采用基于双目视觉结合分组布置投影点并增加椭圆锥面约束的方法进行法矢量测量；首先将多组由四投影点组成的图案依次投影在制孔区域，并基于双目立体视觉求解各组投影标志点的三维坐标；进而针对每组测点的坐标集，采用平面主元分析法快速求解得到各组的局部法矢量；然后对各局部法矢量归一化，拟合椭圆锥；最后近似求解椭圆锥的轴线，作为制孔点位置的精确法矢量。方法具体步骤如下：