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逆向工程中多传感器集成的自由曲面数字化测量及其数据预处理方法研究

卢科青  
【摘要】:数据获取与数据预处理是逆向工程的首要任务,测量数据的可靠性、可用性与完整性直接影响重建模型的精度、效率与效果。研究如何准确、快速、完整、合理地获取与处理被测物体的形貌数据对逆向工程CAD建模具有重要意义。本论文结合浙江省自然科学基金重点项目“基于语义数据信息理论的逆向工程CAD建模新方法研究(项目编号:Z1090590)”和浙江省科技厅重大机电装备专项项目“复合式三坐标扫描测量机关键技术研究及产业化开发(项目编号:2006C11256)”,以坐标测量机为平台,以自由曲面为对象,对逆向工程中多传感器集成测量及其数据预处理问题展开深入研究。 在多传感器集成测量方面,首先利用视觉传感器快速提取被测自由曲面的边界特征,并以边界特征为基础,为后续的接触式或非接触式测量规划测量区域;然后接触式或非接触式传感器在各自的测量区域上完成相应的测量。 针对自由曲面边界特征的快速提取,提出轴向立体视觉测量方法。该方法将两CCD摄像机按同轴向分布,利用前后摄像机获得的二维图像信息恢复测点的三维坐标值。研究了轴向立体视觉测量系统特殊的极线几何关系:外极线相互平行且通过各自像平面的主点,并用这种特殊关系简化同源像点匹配过程,然后以坐标测量机为平台,实现了单摄像机轴向立体视觉测量方法,并将该方法应用于自由曲面边界特征快速提取。 针对自由曲面接触式测量,通过集成接触式测头与两个点激光测头,提出探路法接触式自适应测量方法。该方法在接触式测头的两侧各安装一个点激光测头,逐行测量过程中,在测量方向上,点激光测头用于探路测量;系统实时地对探路测量数据进行处理,并拟合成B样条曲线,然后根据拟合曲线的曲率特征为接触式测量规划自适应的测量路径;接触式测头以探路结果为指导完成自适应测量。在测量截面进给方向上,通过截面间夹角分析方法,自适应地细分测量截面。从而实现被测曲面上测点的合理布置,有效提高自由曲面接触式数字化测量的效率和精度。 针对自由曲面非接触式测量,通过集成两个点激光测头,提出组合点激光测头非接触式测量方法。该方法将两个点激光测头并排安装在自行设计的摆动机构上,首先将两点激光测头竖直安置,利用探路法对被测曲面进行一次测量,并及时处理一次测量数据,找出倾斜角超出预值范围的区域;然后将点激光测头倾斜安置,提出等步进差值法标定倾斜测头的激光束方向,接着对倾斜角超出预值范围的区域进行二次测量;最后通过多次测量结果组合获得完整的测量数据。该方法可以有效实现表面法向与+Z轴夹角在[-90°,90°]内的自由曲面准确、完整的非接触式数字化测量。 在多传感器测量数据预处理方面,以语义网技术为借鉴,提出语义测量数据构建与基于语义的测量数据预处理方法。在测量过程中,通过构建语义测量数据模型,将测点的三维坐标信息与有利于测量数据预处理的“隐式信息”以语义测量数据的形式融入到测量结果中。在数据预处理过程中,系统首先对测量数据的语义进行解析,获取测点所携带的“隐式信息”,然后充分利用“隐式信息”简化数据预处理过程,提高数据预处理的自动化程度,提升数据预处理的正确性与稳定性。 结合理论研究进行了仿真分析与实验验证,结果表明,在自由曲面数字化测量过程中,综合运用本论文提出的多传感器集成测量及其数据预处理方法可以准确、快速、合理、完整地获取被测曲面的形貌数据,为逆向工程工程CAD建模提供良好的技术手段与基础装备。


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