[发明专利]一种基于点云局部特征提取的装配间隙的测量方法

摘要

本发明一种基于点云局部特征提取装配间隙的测量方法属于视觉测量领域，涉及一种基于点云局部特征提取装配间隙的测量方法。该方法首先采用激光结合双目视觉的方式获取装配零件贴合面的点云数据，将其投影到切平面上，并将三维坐标转化为平面二维坐标。再用包围盒法对装配零件点云数据上装配孔进行粗提取，用最小凸边法完成装配孔的精提取；最后将装配零件的装配孔对齐，进行虚拟装配，实现装配零件贴合面装配间隙的测量。该方法克服了现有大型航空构件装配间隙测量过程中由于缺少零件贴合面的装配基准，无法获取准确的装配位置信息，同时逆向重建和虚拟装配的过程存在累计误差，导致装配间隙的测量误差过大等问题，具有广泛的应用前景。

主权项

1.一种基于点云局部特征提取的装配间隙的测量方法，其特征是，该方法首先通过激光结合双目视觉的方式，利用左、右摄像机(1、2)拍摄激光发射器(3)在被测物(5)上形成的辅助激光条纹(6)，获取代表被测物(5)表面信息的点云数据，将点云数据投影到切平面上，并通过坐标转换将三维坐标转化为平面二维坐标；用包围盒法分别对装配零件点云数据上装配孔进行粗提取，再基于最小凸边法完成装配孔的精提取；最后将装配零件的装配孔对齐，进行虚拟装配，实现装配零件贴合面装配间隙的测量；方法的具体步骤如下：第一步，获取点云数据安装测量设备，打开辅助激光发射器(3)并照射被测物(5)，在开始采集之后，打开转台(4)带动激光发射器(3)转动，使激光扫描被测物(5)；然后，整体平移左、右摄像机(1、2)的位置，进行多次拍摄，保证被测物(5)形面信息的完整性；通过信息采集系统采集到辅助激光光条(6)图像之后，对激光光条(6)的中心线利用光条图像中心灰度重心提取，其公式如下：其中，(u_i,v_i)为第i行光条灰度重心坐标，I_ij为第i行第j列灰度值；通过此方法获取辅助激光光条(6)的特征点二维信息，再结合标定结果以及重建公式，得到边界点和光条中心点在世界坐标系下的三维坐标值，重建公式如下：其中，假设x_i'＝(X_i',Y_i')，X_i'，Y_i'分别为左摄像机(1)采集的图像边界点或光条中心点x_i'在像面坐标系下的横、纵坐标；x_i''＝(X_i'',Y_i'')，X_i''，Y_i''分别为右摄像机(2)采集的图像边界点或光条中心点x_i‘'在像面坐标系下的横、纵坐标；f₁、f₂分别为左、右摄像机(1)、(2)标定得到的焦距；是右摄像机(2)相对于左摄像机(1)的旋转矩阵，[t_x t_y t_z]是右摄像机(2)相对于左摄像机(1)的平移矩阵，由标定实验得到；则(x_i,y_i,z_i)为重建出来的对应点的三维坐标，由此获取整个被测物(5)表面的三维点云数据；第二步，投影三维数据利用点到待求切平面的距离平方和最小的原理，用最小二乘法拟合出形心点的近似切平面，拟合平面的问题可以转化为求平面的法向量；计算方法如下：假设切平面方程为：Ax+By+Cz+D＝0(3)则被测物(5)点云数据P_i到切平面的距离的平方和为：为了使F最小，令F的偏导数等于0，则：D＝‑(Ax_c+By_c+Cz_c)(5)其中，(x_c,y_c,z_c)为被测物(5)点云数据形心；代入式(4)可得：平面法矢标准化约束条件为：G(A,B,C)＝A²+B²+C²‑1(7)对公式(6)求偏导，并加入约束条件，可得：求出最小特征值λ对应的特征向量就是所求的切平面的法向量n_i；法向量n_i单位化后得方向矢量N(A,B,C)，设被测物(5)点云数据的点的坐标为P_i(x_i,y_i,z_i)，投影到切平面得到的投影点坐标为P'(x,y,z)，则：联立公式(3)和(9)可解切平面上的投影点坐标P'(x,y,z)；第三步，装配孔边界的提取为了提取方便，通过坐标转换将投影点坐标转换到xy平面上，得到被测物(5)点云的二维坐标Q(x',y')；在xy平面内，对二维点云进行网格划分，首先遍历所有点，得到二维点云的边界值x_max，x_min，y_max，y_min，并建立二维点云的最小包围盒；并根据点云密度设置网格边长，将二维点云分配到网格内；分配完网格后，可按其内是否拥有数据点将网格分为两类：一类为“实孔”，一类为“空孔”；对于每一个“实孔”网格，判断其相邻网格中“空孔”网格的数量，若其8个相邻网格中有一个以上是“空孔”，则当前网格是装配孔边界网格，否则不是；而“空孔”网格不可能是装配孔边界网格，由此实现装配孔边界的粗提取；由于边界网格只能粗略地表现出点云轮廓的大致形状，并不能满足工程中的精度要求；想要得到精确的边界，还需对粗糙的网孔边界进行细化处理；因此根据不同的网格情况，利用最小凸边法，实现装配孔边界的精确提取；第四步，装配间隙的测量分别对装配零件的贴合面的装配孔进行提取，并在CATIA的环境下分别对获取的装配零件点云数据进行拟合，得到带有装配孔的贴合面；将装配零件的装配孔对齐，进行虚拟装配，并测量贴合面之间间隙；这样就完成了装配零件贴合面装配间隙的测量。