一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，包括如下步骤：获取飞机蒙皮的测量数据和CAD模型点集；通过点云边界提取获得飞机蒙皮的轮廓点云，单独离散CAD模型中的蒙皮轮廓点云，获取相应的点集；基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点，基于欧氏距离对特征点进行聚类；在快速点特征直方图的基础上引入距离特征，提出FPFH

【技术实现步骤摘要】
一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法


[0001]本专利技术涉及飞机蒙皮检测
，尤其是一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法。

技术介绍

[0002]飞机蒙皮零件是飞机气动外形的重要组成部分，具有尺寸大、易变形的特点。蒙皮类零件的加工质量直接影响飞机的整体装配精度，其精确检测对于飞机制造具有重要意义。随着光学测量设备的发展，已经能够快速获取被测零部件的表面三维数据，检测蒙皮的制造误差就是对蒙皮的测量数据与理论模型进行比对的过程，通过统一测量点云和设计模型的坐标系，将测量点云转换到模型坐标系中，确定测量点与模型数据的对应关系，计算两者间的距离就是被测对象此处的与设计模型的偏移量。通过对齐飞机蒙皮测量点云和模型数据，可以获取飞机蒙皮整体制造误差情况，检测结果可以用来进行蒙皮型面修正等操作，因此实现飞机蒙皮测量点云和模型数据的精准对齐是飞机蒙皮检测中的一个关键技术。
[0003]对于点云配准技术虽然已经做了比较详细的研究，但是对于弱纹理点云配准，尤其是类似于光滑无孔特征飞机蒙皮这种薄壁类零件的配准方法还存在欠缺。在配准过程中一般都是会使用以特征点作为配准约束进行配准，但由于飞机蒙皮特征少，因此配准错位的情况依旧存在。现有方法不能很好地解决无孔弱纹理飞机蒙皮的精确配准，在型面光滑区域不能有效的区分对应关系，这种错误的对应关系会导致飞机蒙皮的制造误差的计算错误，进而导致飞机蒙皮出现误检。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，能够有效的解决飞机蒙皮由于表面特征少导致无法准确配准的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，包括如下步骤：
[0006](1)获取飞机蒙皮的测量数据和CAD模型点集；
[0007](2)通过点云边界提取获得飞机蒙皮的轮廓点云，单独离散CAD模型中的蒙皮轮廓点云，获取相应的点集；
[0008](3)基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点，基于欧氏距离对特征点进行聚类；
[0009](4)在快速点特征直方图的基础上引入距离特征，提出FPFH
‑
d特征点描述算法，并计算蒙皮测量数据轮廓点集与CAD数据轮廓点集中的对应点；
[0010](5)根据轮廓上的对应点求解蒙皮测量数据轮廓点集与CAD数据轮廓点集的初始配准矩阵，以轮廓特征点配准为约束求解最优空间变换矩阵，根据配准结果的均方根误差，计算变形量。
[0011]优选的，步骤(3)中，基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点包括如下步骤：
[0012](31)利用主成分分析法估计点云中离散点的法线和曲率，利用点云中某个离散点
P
a
周围特定数量的n个三维点构建邻域点的协方差矩阵：
[0013][0014]式中p
i
为P
a
邻域范围内第i个点的三维坐标，为邻域点的重心坐标，n为邻域点的个数，在实际计算中，n根据局部点云密度确定；
[0015](32)设λ(i＝1,2,3)，u
i
(i＝1,2,3)分别为协方差矩阵C的特征值与对应的特征向量，则P
a
点的曲率为
[0016][0017](33)计算邻域k内各点的曲率均方差κ
i
[0018][0019]由于E(ρ)是对邻近点的点云曲率变化的描述，当P
i
点与P
a
邻域内点相对位置不变时，κ
i
值不变，因此利用邻域曲率均方差进行离散点描述的方法具有旋转不变性。
[0020]优选的，步骤(3)中，基于欧氏距离对特征点进行聚类包括如下步骤：
[0021](34)在Cκ特征点集中选取一个种子点p1，利用kd树搜索p1一定邻域内的n个点，存储为一个区域点集(p1,p2,...,p
n
)；
[0022](35)在区域点集(P\p1,p2,...,p
n
)中选取种子点p
n+1
，继续步骤(34)；
[0023](36)当区域点集不再增加时，认为聚类完成；
[0024](37)在每个区域点集中选取κ值最大的点作为该区域Cκ特征点。
[0025]优选的，步骤(4)中，在快速点特征直方图的基础上引入距离特征，提出FPFH
‑
d特征点描述算法，并计算蒙皮测量数据轮廓点集与CAD数据轮廓点集中的对应点具体包括如下步骤：
[0026](41)利用邻域内点对法向量的偏差以及距离特征，构建FPFH
‑
d特征点描述子，描述矩阵为T＝(τ,B)，其中，τ＝(d1,d2,..,d
k
)
T
，B＝(b1,b2,...,b
k
)；
[0027](42)采用积分制描述两片点云特征点的相似度，记相似度得分为s，若潜在对应特征点描述矩阵分别为T1＝(τ1,B1)，T2＝(τ2,B2)，相似度为：
[0028][0029]其中，k1，k2表示T1，T2的维数，δ1为距离特征的阈值，δ2为角度特征的阈值，统计每个特征点的得分，得分大于分值阈值则认为是对应点。
[0030]优选的，步骤(5)中，以轮廓特征点配准为约束求解最优空间变换矩阵包括如下步骤：
[0031](51)设置目标函数为
[0032]其中R
T
R＝I；
[0033](52)令则S的SVD分解为(U,Σ,V),其中，U
T
SV＝Σ；
[0034](53)空间变换矩阵为
[0035][0036](54)根据整体点云的均方根误差计算制造误差量。
[0037]本专利技术的有益效果为：(1)适用于表面没有孔位等特征飞机蒙皮的配准，可以有效地避免蒙皮数据表面特征少对配准结果的影响；(2)能够准确、高效地实现蒙皮类点云的配准，避免了现有方法在配准过程中的错位问题。
附图说明
[0038]图1为本专利技术的方法流程示意图。
具体实施方式
[0039]如图1所示，一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，包括如下步骤：
[0040]S1、获取飞机蒙皮的测量数据和CAD模型点集；
[0041]S2、通过点云边界提取获得飞机蒙皮的轮廓点云点集P，单独离散CAD模型中的蒙皮轮廓点云点集Q；
[0042]S3、基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点，基于欧氏距离对特征点进行聚类。
[0043]具体步骤为：
[0044]S11、利用主成分分析法估计点云中离散点的法线和曲率，利用点云中某个离散点P
a
周围特定数量的n个三维点构建邻域点的协方差矩阵：
[0045][0046]式中p
i
为P
a
邻域范围内第i个点的三维坐标，为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取飞机蒙皮的测量数据和CAD模型点集；(2)通过点云边界提取获得飞机蒙皮的轮廓点云，单独离散CAD模型中的蒙皮轮廓点云，获取相应的点集；(3)基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点，基于欧氏距离对特征点进行聚类；(4)在快速点特征直方图的基础上引入距离特征，提出FPFH
‑
d特征点描述算法，并计算蒙皮测量数据轮廓点集与CAD数据轮廓点集中的对应点；(5)根据轮廓上的对应点求解蒙皮测量数据轮廓点集与CAD数据轮廓点集的初始配准矩阵，以轮廓特征点配准为约束求解最优空间变换矩阵，根据配准结果的均方根误差，计算变形量。2.如权利要求1所述的基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，其特征在于，步骤(3)中，基于曲率均方差计算轮廓上的Cκ特征点包括如下步骤：(31)利用主成分分析法估计点云中离散点的法线和曲率，利用点云中某个离散点P
a
周围特定数量的n个三维点构建邻域点的协方差矩阵：式中p
i
为P
a
邻域范围内第i个点的三维坐标，为邻域点的重心坐标，n为邻域点的个数，在实际计算中，n根据局部点云密度确定；(32)设λ(i＝1,2,3)，u
i
(i＝1,2,3)分别为协方差矩阵C的特征值与对应的特征向量，则P
a
点的曲率为(33)计算邻域k内各点的曲率均方差κ
i
由于E(ρ)是对邻近点的点云曲率变化的描述，当P
i
点与P
a
邻域内点相对位置不变时，κ
i
值不变。3.如权利要求1所述的基于轮廓特征约束配准的飞机蒙皮检测方法，其特征在于，步骤(3)中，基于欧氏距离对特征点进行聚类包括如下步骤：(34)在Cκ特征点集中...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔海华，田威，胡广露，廖文和，张益华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：