一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法，包括以下步骤：(1)分别构建测量模型点云和带法矢的设计模型点云：(2)寻找最近点点集及最近点法矢集合；(3)根据余量要求，建构基于距离方差的目标函数：(4)通过目标函数求解测量模型与设计模型间的刚体变换参数，并利用刚体变化参数更新测量点云，实现点云匹配。本发明专利技术中的基于距离方差最小的点云匹配算法，对于工件存在余量的情况，不论凹面和凸面的余量是相等，还是呈差值或者比值关系，均能较好的得到点云匹配的结果，迭代效率高、匹配准确性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法
本专利技术属于机器人砂带磨抛
，更具体地，涉及一种基于距离方差最小的点云匹配算法，该算法可用于获取工件坐标系和校正工件装夹误差，尤其可针对叶片等其凹、凸面磨削余量不均匀的情况。
技术介绍
叶片类复杂曲面零件在航空发动机、汽轮机等能源动力设备中被广泛应用。其型面加工质量将对动力设备的性能有着决定性的影响。目前叶片的磨抛工序基本依赖于手工方法，手工磨抛存在效率低、环境恶劣、一致性低等缺点，从未来发展趋势看，手工方法将会逐步被高柔性的机器人砂带磨抛取代。在机器人砂带磨抛系统中，叶片类复杂曲面工件存在装夹误差、且没有特定的加工基准面。因此需校正装夹误差，确定基准面和加工余量。这些问题都依赖于叶片毛坯测量点云与设计模型的匹配，测量点云匹配效果对砂带磨抛质量有着关键影响。点云匹配一般通过求解设计模型和测量模型之间的最优刚体变化参数来改变二者的位姿使其整体距离最近。文献“Methodforregistrationof3-Dshapes”(Robotics-DLtentative.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,1992:586-606.)提出基于点-点距离的ICP算法。文献“FittingB-splinecurvestopointcloudsbycurvature-basedsquareddistanceminimization”.(ACMTransactionsonGraphics,2006,25(2):214-238.)提出了基于点-切线距离的TDM算法。文献“复杂曲面零件数据拼合与精密加工技术研究”提出了基于自适应距离的ADF算法。以上三篇文献中的匹配算法的目标函数都是基于距离平方和最小来求解刚体变化参数。设P＝{p1,p2,...pi,...pn}、Q＝{q1,q2,...qi,...ql}分别表示测量点云和设计模型的离散点云。基于距离平方和最小目标函数定义如下：其中t、R分别表示刚体变化参数中的平移变换矢量和旋转变换矩阵。qi为pi在设计模型Q中的欧式距离(对应欧几里德空间)最近点。根据距离定义的不同，衍生了不同的匹配算法：ICP算法采用点-点距离描述点-曲面最近点的几何度量，收敛速度取决于初始值。而TDM算法采用点-切面距离，收敛速度快但易陷入错误的局部最优值，ADF算法定义自适应距离，通过一个可变的修正系数的自适应的调整法向距离和切向距离的比重，以兼顾收敛的速度与稳定性。以上ICP等基于距离最小化等算法只适合工件没有余量的情况，而当叶片的凹、凸面存在模型余量且相同时，若凹、凸面测量点云数量存在明显差异时或者叶片扭曲变形很大，则ICP、TDM等匹配算法将会使测量点云位姿向点云数量多的一面倾斜或凸面倾斜，因此无法保证测量点云均匀包裹设计模型，最终导致磨削时一面过切，一面欠切。当叶片凹、凸面磨削余量不同时，匹配结果要求凹、凸面测量点云到设计模型之间的距离分别与凹、凸面设定的磨削余量相同。而ICP等匹配算法更无法达到预期的效果，其只适用于工件没有余量时点云匹配的情况，如工件的终检时的点云匹配。因此,针对机器人砂带磨抛中工件有余量的情况，现有的点云匹配算法并不能满足实际应用需要。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其中通过对其关键目标函数的构建、目标函数的求解过程、以及求解过程中参量变换规则等进行改进，与现有技术相比能够有效解决有余量的测量模型与无余量的设计模型之间的匹配问题，并且该方法也适用于测量模型凹、凸面余量不相同情况下的模型匹配；此外，本专利技术中根据余量分配要求构建的误差判断函数，给出了匹配效果的评价指标，技术人员可根据该匹配效果评价指标，对该匹配方法的匹配效果得到精准认识。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别构建测量模型点云和设计模型点云：(1-1)扫描被加工的工件，获得测量模型点云P＝{p1,p2,...pi,...pn}，该测量模型点云含有n个点；(1-2)根据工件设计模型，获得设计模型点云Q＝{q1,q2,...qi,...ql}及其法矢集合N＝{n1,n2,...ni,...nl}；该设计模型点云含有l个点，l>n；该法矢集合N中的第i个元素ni为所述设计模型点云中的第i个元素qi对应的单位法向矢量，i＝1,2,…,l；(1-3)根据所述工件设计模型，依次对所述设计模型点云中的点进行划分；其中当qi属于所述工件设计模型的凹面时，qi为凹面点；当qi属于所述工件设计模型的凸面时，qi为凸面点；i＝1,2,…,l；(2)依次根据所述测量模型点云P中的点pi，i＝1,2,…,n，在所述设计模型点云Q中提取与pi距离最近的设计模型点云中的点q′i，q′i∈Q，以及与q′i对应的单位法向矢量n′i，n′i∈N，形成最近点点集Q′＝{q′1,q′2,...q′i,...q′n}和最近点法矢集合N′＝{n′1,n′2,...n′i,...n′n}；该最近点点集中的点与该最近点法矢集合中的点、以及所述测量模型点云中的点一一对应；(3)根据余量要求，建构基于距离方差的目标函数：(3-1)当凹面余量ca与凸面余量ct均为常数值时，目标函数为其中di＝||R·pi+t-q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵；当q′i属于设计模型凹面时，ci＝ca；当q′i属于设计模型凸面时，ci＝ct；然后执行步骤(4)；(3-2)当凹面余量ca与凸面余量ct的比值为常数值c时，目标函数为其中λ∈(0,1]，di＝||R·pi+t-q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵；当q′i属于设计模型凹面时，ki＝1；当q′i属于设计模型凸面时，ki＝c；然后执行步骤(4)；(4)根据所述测量模型点云P、最近点点集Q′和最近点法矢集合N′，求解步骤(3)中的R和t，使所述目标函数的数值最小，实现点云匹配。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(4)包括以下步骤：(4-1)当凹面余量ca与凸面余量ct均为常数值时，记ξ＝(ATA)-1B，其中，其中q″i＝q′i+cin′i，当q′i属于设计模型凹面时，ci＝ca；当q′i属于设计模型凸面时，ci＝ct；接着，执行步骤(4-3)；(4-2)当凹面余量ca与凸面余量ct的比值为常数值c时，记其中，Fi＝ki(pi-q′i)T·n′i，当q′i属于设计模型凹面时，ki＝1；当q′i属于设计模型凸面时，ki＝c；接着，执行步骤(4-3)；(4-3)记矩阵v和矩阵ω，v矩阵和ω矩阵的行数相同，列数也相同，并且矩阵v和矩阵ω还满足则其中，为ω的反对称矩阵；(4-4)更新测量模型点云P：记p′i＝R·pi+t，并使pi＝p′i；i＝1,2,…,n；更新后的测量模型点云P即为匹配后的工件测量点云。作为本专利技术的进一步优选，所述基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其特征在于，还包括以下步骤：(5)计算误差判断函数：(5-1)依次根据所述更新后的测量模型点云P中的点pi，i＝1,2,…,n，在所述设计模型点云Q中提取与pi距离最近的设计模型点云中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别构建测量模型点云和设计模型点云：(1‑1)扫描被加工的工件，获得测量模型点云P＝{p1,p2,...pi,...pn}，该测量模型点云含有n个点；(1‑2)根据工件设计模型，获得设计模型点云Q＝{q1,q2,...qi,...ql}及其法矢集合N＝{n1,n2,...ni,...nl}；该设计模型点云含有l个点，l>n；该法矢集合N中的第i个元素ni为所述设计模型点云中的第i个元素qi对应的单位法向矢量，i＝1,2,…,l；(1‑3)根据所述工件设计模型，依次对所述设计模型点云中的点进行划分；其中当qi属于所述工件设计模型的凹面时，qi为凹面点；当qi属于所述工件设计模型的凸面时，qi为凸面点；i＝1,2,…,l；(2)依次根据所述测量模型点云P中的点pi，i＝1,2,…,n，在所述设计模型点云Q中提取与pi距离最近的设计模型点云中的点q′i，q′i∈Q，以及与q′i对应的单位法向矢量n′i，n′i∈N，形成最近点点集Q′＝{q′1,q′2,...q′i,...q′n}和最近点法矢集合N′＝{n′1,n′2,...n′i,...n′n}；该最近点点集中的点与该最近点法矢集合中的点、以及所述测量模型点云中的点一一对应；(3)根据余量要求，建构基于距离方差的目标函数：(3‑1)当凹面余量ca与凸面余量ct均为常数值时，目标函数为F1=Σi=1n(di-ci)2,]]>其中di＝||R·pi+t‑q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵；当q′i属于设计模型凹面时，ci＝ca；当q′i属于设计模型凸面时，ci＝ct；然后执行步骤(4)；(3‑2)当凹面余量ca与凸面余量ct的比值为常数值c时，目标函数为F2=Σi=1nki2di2-λ(Σi=1nkidi)2n]]>其中λ∈(0,1]，di＝||R·pi+t‑q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵；当q′i属于设计模型凹面时，ki＝1；当q′i属于设计模型凸面时，ki＝c；然后执行步骤(4)；(4)根据所述测量模型点云P、最近点点集Q′和最近点法矢集合N′，求解步骤(3)中的R和t，使所述目标函数的数值最小，实现点云匹配。...

【技术特征摘要】
1.一种基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别构建测量模型点云和设计模型点云：(1-1)扫描被加工的工件，获得测量模型点云P＝{p1,p2,...pi,...pn}，该测量模型点云含有n个点；(1-2)根据工件设计模型，获得设计模型点云Q＝{q1,q2,...qj,...ql}及其法向矢量集合N＝{n1,n2,...nj,...nl}；该设计模型点云含有l个点，l>n；该法向矢量集合N中的第j个元素nj为所述设计模型点云中的第j个元素qj对应的单位法向矢量，j＝1,2,…,l；(1-3)根据所述工件设计模型，依次对所述设计模型点云中的点进行划分；其中当qj属于所述工件设计模型的凹面时，qj为凹面点；当qj属于所述工件设计模型的凸面时，qj为凸面点；j＝1,2,…,l；(2)依次根据所述测量模型点云P中的点pi，i＝1,2,…,n，在所述设计模型点云Q中提取与pi距离最近的设计模型点云中的点q′i，q′i∈Q，以及与q′i对应的单位法向矢量n′i，n′i∈N，形成最近点点集Q′＝{q′1,q′2,...q′i,...q′n}和最近点法向矢量集合N′＝{n′1,n′2,...n′i,...n′n}；该最近点点集中的点与该最近点法向矢量集合中的点、以及所述测量模型点云中的点一一对应；(3)根据余量要求，建构基于距离方差的目标函数：(3-1)当凹面余量ca与凸面余量ct均为常数值时，目标函数为其中di＝||R·pi+t-q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵,pi和q′i均为点的三维坐标对应的3×1的向量；当q′i属于设计模型凹面时，ci＝ca；当q′i属于设计模型凸面时，ci＝ct；然后执行步骤(4)；(3-2)当凹面余量ca与凸面余量ct的比值为常数值c时，目标函数为其中λ∈(0,1]，di＝||R·pi+t-q′i||，R、t分别为3×3的矩阵和3×1的矩阵；当q′i属于设计模型凹面时，ki＝1；当q′i属于设计模型凸面时，ki＝c；然后执行步骤(4)；(4)根据所述测量模型点云P、最近点点集Q′和最近点法向矢量集合N′，求解步骤(3)中的R和t，使所述目标函数的数值最小，实现点云匹配。2.如权利要求1所述基于距离方差最小的工件点云匹配算法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：(4-1)当凹面余量ca与凸面余量ct均为常数值时，记ξ＝(ATA)-1B，其中，n′i为点q′i对应的单位法向矢量，n′i∈N′；q″i＝q′i+cin′i，当q′i属于设计模型凹面时，ci＝ca；当q′i属于设计模型凸面时，ci＝ct；接着，执行步骤(4-3)；(4-2)当凹面余量ca与凸面余量ct的比值为常数值c时，记

【专利技术属性】
技术研发人员：李文龙，谢核，尹周平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42