[发明专利]基于线激光的激光刻型线特征提取方法

摘要

本发明基于线激光的激光刻型线特征提取方法属于激光测量技术领域，涉及一种基于线激光的激光刻型线特征提取方法。该方法针对大型航空壁板类零件化铣区激光刻型加工位置的线激光检测，基于中值滤波和小波阈值去噪对获取的原始信号进行数据预处理，获得平滑稳定信号。采用自适应曲线拟合还原线激光位置工件随形曲线以及刻型凹槽曲线准确形状；通过所获得的工件随形曲线以及刻型凹槽曲线方程确定凹槽上沿边界特征点，采用对中求平均的方式获得凹槽精确特征点。该方法具有很高的鲁棒性，提取出来刻型线的特征点位置精确，最终拟合出的刻型线轮廓曲线也满足与数模进行对比的要求，对指导工件加工与装配具有很大意义。

主权项

一种基于线激光的激光刻型线特征提取方法，其特征是，该方法针对大型航空壁板类零件化铣区激光刻型加工位置的线激光检测，基于中值滤波和小波阈值去噪对获取的原始信号进行数据预处理，获得平滑稳定信号；采用自适应曲线拟合还原线激光位置工件随形曲线以及刻型凹槽曲线准确形状；通过所获得的工件随形曲线以及刻型凹槽曲线方程确定凹槽上沿边界特征点，采用对中求平均的方式获得凹槽精确特征点；方法具体步骤如下：第一步 基于中值滤波和小波阈值去噪进行信号预处理由于激光传感器采集的原始二维数据，包含噪声影响，分别以x表示横坐标，以z表示纵坐标；为了提高后续特征位置识别与提取的鲁棒性和稳定性，首先进行离散信号预处理，包括中值滤波和小波变换阈值去噪，以获得平滑稳定的数据信号；1)中值滤波假设原始含噪数据信号为x(k),k＝1,2,...,n，其中，n为采集的数据长度，x(k)为k长度下对应的原始数据信号值z；对其进行中值滤波处理时，首先定义一个长度为奇数的L长滑动窗口，L＝2N+1,N∈Z,Z为一个整数，2N+1表示一个奇数；因此，若在某一时刻窗口内的信号样本值为{x(i‑N),...,x(i),x(i+N)}，其中x(i)为该窗口内的中心信号样本值；对该窗口内的L个信号值进行从小到大排序，则取其中值作为滤波输出值，取代原信号的x(i)样本值，其数学表达如下：y(i)＝med{x(i‑N),...,x(i),...,x(i+N)}   (1)其中,med{}表示计算大括号内数据序列中的中值，y(i)表示x(i)窗口内的中值；2)小波阈值去噪经过中值滤波对原始数据信号中的噪声进行抑制，对原始数据中的尖峰脉冲噪声和孤立噪声点进行了抑制；为了获得更为平滑稳定的数据曲线，采用小波阈值去噪的方法进行进一步的去噪平滑处理；针对上述中值滤波之后的低噪声信号y(k),k＝1,2,...,n，对其进行离散小波变换得到一组小波变换系数wy(s,j),j＝1,2,...,s，s为小波分解的层数，j为s对应的频率；然后对wy(s,j)进行阈值处理，选择合适的阈值λ，将低于该阈值的小波系数进行抑制，保留高于该阈值的有用信号，估计出小波系数如下：w^y(s,j)=sign[wy(s,j)]|wy(s,j)|2-λ2|wy(s,j)|≥λ0|wy(s,j)|<λ---(2)]]>其中，λ为选取的阈值，为阈值去噪后的数据信号小波系数；利用进行小波重构得到去噪后的信号z(k),k＝1,2,...,n，通过上式阈值进行处理，有效的去除噪声，且最大程度上保留有用信号；第二步 基于自适应曲线拟合还原线激光位置工件形状1)工件表面随形曲线拟合实际工件表面通常为小曲率变化表面或平面，因此工件表面的随形曲线拟合分为两种：直线拟合和二次曲线拟合；首先根据去噪后的有效数据(xi,zi),i＝1,2,...,n进行直线拟合，设拟合直线为z(x)＝a0+a1x，则拟合均方误差W(a0,a1)为：W(a0,a1)=Σi=1n(z(xi)-zi)2=Σi=1n(a1xi+a0-zi)2---(3)]]>xi为第i个信号，zi为第i个信号对应的原始信号值，z(xi)表示xi对应的去噪后的信号值；n为有效数据总数；以均方误差取极小值进行直线拟合得到：a0=(Σi=1nziΣi=1nxi2-Σi=1nxiΣi=1nxizi)/(nΣi=1nxi2-(Σi=1nxi)2)a1=(nΣi=1nxizi-Σi=1nxiΣi=1nzi)/(nΣi=1nxi2-(Σi=1nxi)2)---(4)]]>计算拟合直线的均方误差其中di为测量数据各点到拟合直线的距离；设置一定阈值R，若Re≤R，则认为工件表面为平面，直线拟合合理；反之若Re>R，则认为直线拟合超差，工件表面为小曲率曲面，采用二次曲线拟合；设拟合二次曲线方程为z(x)＝a0+a1x+a2x2，则拟合均方误差为：W(a0,a1,a2)=Σi=1n(z(xi)-zi)2=Σi=1n(a0+a1xi+a2xi2-zi)2---(5)]]>由多元函数的极值原理，W(a0,a1,a2)的极小值满足∂W(a0,a1,a2)∂a0=2Σi=1n(a0+a1xi+a2xi2-zi)=0∂W(a0,a1,a2)∂a1=2Σi=1n(a0+a1xi+a2xi2-zi)xi=0∂W(a0,a1,a2)∂a2=2Σi=1n(a0+a1xi+a2xi2-zi)xi2=0---(6)]]>整理得到二次曲线拟合的方程组为nΣi=1nxiΣi=1nxi2Σi=1nxiΣi=1nxi2Σi=1nxi3Σi=1nxi2Σi=1nxi3Σi=1nxi4a0a1a2=Σi=1nziΣi=1nxiziΣi=1nxi2zi---(7)]]>通过求解以上方程组，即求出均方误差最小的拟合二次曲线函数z(x)；以上由直线到二次曲线的自适应工件表面随形曲线拟合算法，准确地算出工件表面形状，方便确定出激光划线加工的凹槽位置；2)刻型凹槽曲线拟合以第二步1)拟合出的曲线为准确的工件表面曲线，利用去噪后的测量数据(xi,zi),i＝1,2,...,n计算得拟合曲线的距离di，认为最大距离对应的位置x0为凹槽所在位置，取其左右各m个测量数据点组成凹槽区域数据，并进行凹槽曲线拟合，根据测量数据在凹槽处的表现形式，选用二次曲线进行拟合；从而得出凹槽处的曲线拟合函数为z(x)＝b0+b1x+b2x2；3)刻型线特征位置提取对获取的凹槽曲线进行分析，提取出刻型线的特征位置；第三步 激光刻型线特征点提取通过第二步的1)、2)分别拟合出的工件表面曲线和凹槽曲线方程，联立求解两条曲线的交点如下y(x)=a0+a1x+a2x2=0y(x)=b0+b1x+b2x2=0---(8)]]>若工件表面为平面，则相应的系数a2自动为0；求解以上方程组可得到凹槽两个边界点坐标为a(x1,z1),b(x2,z2)；因此凹槽所在位置特征点坐标c(xc,zc)为xc=x1+x22zc=b0+b1xc+b2xc2---(9)]]>从而准确地提取了激光刻型线特征点的坐标值，精确测量出激光刻型加工位置。