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基于激光雷达测量系统的曲面重构及其质量评价

未永飞  
【摘要】: 激光雷达采用一种非接触式的测量方式,它是通过位置、距离和角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标,实现曲面信息提取和曲面重建的扫描技术。激光雷达可应用在定位系统、机器人导航、目标搜索与识别、快速地形可视化等领域,特别适合于尺度范围大、工况恶劣的复杂场合下产品几何尺寸和形状的快速在线测量,如大型锻件热态工况下的几何参数测量与定位。 对于激光雷达采集到的数据,其三维重构算法效率、重构精度评价和重构误差的可视化对激光雷达扫描的应用起到至关重要的影响,因此,针对曲面重构的算法改进、重构表面的精度评价以及模型不确定性的可视化进行研究,是非常迫切和必要的。本次课题来源于国家自然科学基金项目“大型高温锻件的三维激光雷达精密在线测量新方法研究”(No.50805094),基于LMS291-S05激光雷达三维测量系统,在以下几方面开展了研究: 1、几何建模研究。总结前人关于几何建模方面的理论成果,结合本课题所研究的激光雷达逐行扫描特点,开发基于激光雷达扫描点云数据的曲面重构三角剖分算法;并通过二次开发技术,利用VB语言和已有的大型三维建模软件SOLIDWORKS进行紧密结合,用于目标对象的生成。 2、精度分析和质量评价。对于由测量数据重构所得模型,利用概率统计理论与空间数据不确定性理论,结合激光雷达测量系统误差分析,分析激光雷达测量扫描方向、电机转角、雷达转角的各自误差特性与系统误差传递特性,得出测量数据的位置不确定性矩阵;从而得出点元、线元、多边形等几何特征的位置不确定性模型;对于曲面重构的TIN插值算法,分析参数曲面用三角平面插值逼近的误差估计。通过上述方法,对激光雷达测量所得点云数据及重构所得表面进行模型的质量评价。 3、不确定性的可视化。以不确定性理论为基础,以三角剖分重构模型与原参数曲面的偏差作为研究对象,借助MATLAB等计算工具对点元、线元、多边形的不确定性模型进行可视化表达和分析。 本文以激光雷达测量系统为研究对象,基于激光雷达的逐行扫描方式,对测量所得点云数据进行三角构网算法研究;结合雷达系统在三维方向上的测量误差,对重构模型的精度进行分析和估计。文中分别以实验和仿真手段对理论研究进行了验证,研究方法和结果可对激光雷达测量系统的精度提高和广泛应用提供理论基础,具有一定的科研价值和实际意义。


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