一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，主要通过对局部点云进行高斯球投影，利用球谐变换技术，得到每个点的球谐特征，根据点云仲每个点的球谐特征，寻找特征点对应约束关系，在球谐特征的约束下，使用图优化的方法进行多个视图的点云数据的配准，多视图点云进行配准的关键是寻找到不同测站间的特征约束关系和根据这些关系进行非线性求解，得到各个视角点云的位姿参数。得到各个视角点云的位姿参数。得到各个视角点云的位姿参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法


[0001]本专利技术涉及飞机工业检测
，具体涉及一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法。

技术介绍

[0002]随着现代航空航天技术的发展，我们对于飞机等设备的装配精度要求也越来越高，装配精度将直接影响到飞机的验收质量的好坏，不合格的精度会造成严重的安全的隐患。利用工业测量获取设备物理参数来指导装配工艺是其中重要的一环，应用激光雷达获取点云数据进行测量相比于传统方法测量方法能够大幅提高测量度和测量精度，具有广阔的应用前景。
[0003]但在飞机装配过程中，我们常常需要不能一次性完整获得被测物体的全部信息，往往需要分批次、分周期、分级别的对飞机的不同部分进行测量扫描，因此将这些不同位置信息的点云数据拼接在一起、统一坐标系是一项基础且关键的工作。点云配准质量的好坏，将会直接影响到测量数据结果的优劣。但实际情况下，由于点云的数据量大，会拉低点云配准的速度；当进行两片以上的点云进行配准时，我们往往是先进行两两配准，如第二片点云配准第一片点云，第三片点云配准第二片点云
……
以此类推，这种情况会导致点云配准误差的传递，最后一片点云的精度会受到严重的影响；并且，在进行点云配准时，容易陷入配准局部最优导致点云配准失败。

技术实现思路

[0004]解决的技术问题
[0005]本专利技术根据现有的应用激光雷达对飞机装配过程中测量技术的痛点和难点，提出了一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，以解决在整机测量中，多视角的飞机点云数据配准的问题。
[0006]技术方案
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1：制定对整体飞机的测量方案，同时取得整机点云数据后进行数据预处理；
[0009]步骤S2：基于步骤S1计算预处理后点云，对每个点进行局部球面投影，利用球谐变换的计算得到局部球谐特征。
[0010]步骤S3：基于步骤S2计算得到的局部球谐特征，计算各个重叠点云视图间的对应约束关系。对建立的对应约束关系进行过滤，剔除掉错误的对应约束关系；基于图优化方程，求解不同视角点云的变换，实现多视点云的配准。
[0011]进一步的，所述步骤S1中的测量方案具体包括布设不同视角来扫描飞机，且不同视角的点云之间具有40
‑
60％的重叠度。
[0012]进一步的，所述步骤S1中的数据预处理包括：
[0013]步骤S101：对点云数据进行下采样。设采样后的点集为S，从点云中随机选择一个点加入S，从剩余点中找到一个离S中所以点距离之和最远的点，将该点加入S，不断循环更新S，直到S中的点数达到设定的点数。
[0014]步骤S102：对点云数据进行去噪。使用基于密度的点云去噪，给定半径r1和阈值N，遍历所有点，计算每个点领域半径r1内的点个数，记为M，若M<N，删除该点，否则保留该点；
[0015]步骤S103：对多视角的点云进行粗配准。我们通过在不同视角的重叠区域中人工选择三个以上相同位置的点，粗略的估计点云的姿态参数，实现多视点云的粗配准。
[0016]进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0017]步骤S201、根据步骤S1得到的点云数据，以每个点为球心，以r2为半径建立局部球，将局部球内的点投影至局部球表面，构建高斯球特征；
[0018]步骤S202、对高斯球特征进行球面谐波变换，将特征转换至频率域，分解为球谐函数系数的形式。计算球面谐波不同频率下的能量作为局部球谐特征；
[0019]进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
[0020]步骤S301、根据局部球谐特征判断同名点，确定各个视角点云重叠部分的同名点约束对应关系。
[0021]步骤S302、基于点云的曲率进行过滤，对于初步匹配的特征点对的曲率之差小于设定的阈值时，则判断是同名点。
[0022]步骤S303：建立全局优化图的目标方程，最后将局部误差扩散应用于整个图，即将累积的误差均匀分布到所有视图。根据图优化计算结果，对点云进行变换，实现多视点云的配准，完成对飞机整机点云的拼接。
[0023]有益效果
[0024]本专利技术在对飞机整机进行工业检测时，充分利用激光雷达精度高、作业方便等优点，通过点云数据对飞机装配过程中进行测量，对飞机整机点云数据进行拼接得到相关的误差参数，对于常见的点云配准问题进行改进，提高了点云配准速度，证明了能够基于球谐特征的点云特征描述向量能够有效的识别点云的同名点，同时基于图优化进行点云配准能够有效的避免点云局部最优导致点云配准失败的问题，进而指导装配工艺以达到飞机装配相关的精度要求。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术的流程图；
[0027]图2为本专利技术根据测量方案扫描仪现场部署和测量得到的具有重叠度的点云示意图；
[0028]图3为本专利技术降采样原理图解；
[0029]图4为本专利技术去噪原理图解；
[0030]图5为本专利技术初始配准结果；
[0031]图6为本专利技术各个视角点云的球谐特征；
[0032]图7为本专利技术基于图的点云配准全局优化流程；
[0033]图8为本专利技术图优化配准结果。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0035]请参阅图1
‑
8，作为本专利技术的一个实施例，一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
[0036]步骤S1、规划扫描方案，实施测量方案获取数据，并根据输入测量点云进行预处理操作。包括：
[0037]步骤S101、确定合理的扫描实施方案，基于硬件设备实施测量方案获取不同视角的点云数据。提前规划好如何布设不同视角来扫描飞机，保证不同视角的点云之间具有40
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60％的重叠度，重叠度过小会对点云配准造成困难。实际测量现场和测量数据结果如图2所示。
[0038]步骤S102、对数据进行下采样。设采样后的点集为S，从点云中随机选择一个点加入S，从剩余点中找到一个离S中所以点距离之和最远的点，将该点加入S，不断循环更新S，直到S中的点数达到设定的点数。如图3所示，我们选择的点分别是A,B,C
……
以此类推。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1：制定对整体飞机的测量方案，同时取得整机点云数据后进行数据预处理；步骤S2：基于步骤S1计算预处理后点云，对每个点进行局部球面投影，利用球谐变换的计算得到局部球谐特征；步骤S3：基于步骤S2计算得到的局部球谐特征，计算各个重叠点云视图间的对应约束关系，对建立的对应约束关系进行过滤，剔除掉错误的对应约束关系；基于图优化方程，求解不同视角点云的变换，实现多视点云的配准。2.根据权利要求1所述的一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，其特征在于，所述步骤S1中的测量方案具体包括布设不同视角来扫描飞机，且不同视角的点云之间具有40
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60％的重叠度。3.根据权利要求1所述的一种基于球谐特征的多视飞机整机点云配准方法，其特征在于，所述步骤S1中的数据预处理包括：步骤S101：对点云数据进行下采样，设采样后的点集为S，从点云中随机选择一个点加入S，从剩余点中找到一个离S中所以点距离之和最远的点，将该点加入S，不断循环更新S，直到S中的点数达到设定的点数；步骤S102：对点云数据进行去噪，使用基于密度的点云去噪，给定半径r1和阈值N，遍历所有点，计算每个点领域半径r1内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪俊，张沅，李虎，李子宽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：