一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法，包括如下步骤：（1）获取待拟合平面数据；（2）从待拟合平面数据中随机抽取10%的数据；（3）采用整体最小二乘法拟合数据，得到第一次拟合平面；（4）采用对坐标点到第一次拟合平面的距离进行排序的思想整体剔除噪点并进行拟合，得到第二次拟合平面；（5）再次剔除噪点并进行拟合，得到第三次拟合平面；（6）计算残差和；（7）迭代。这种方法操作简单、平面数据拟合精度高、重复性好、迭代次数易确定、速度快，易于推广应用。易于推广应用。易于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法


[0001]本专利技术涉及高精度工件技术，具体是一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法。

技术介绍

[0002]随着三维激光扫描技术的快速发展，三维激光扫描技术已经广泛应用于工业界中。在工业界及学术界中具有平面特征的高精度工件的平面数据拟合十分常见，大到工件平面缺陷检测、拟合测量，小到实验室仿真拟合数据，以及在逆向工程中零件的加工和提取。具有平面特征的高精度工件的平面数据拟合问题是一个十分普通但又十分重要的问题。目前针对具有平面特征的高精度工件的平面数据拟合方法包括：最小二乘法、整体最小二乘法(Guan Y L,Liu S T,Zhou S J,et al. Obust plane fitting of point clouds based on TLS[J].Journal of Geodesy andGeodynamics,2011,31(5):80
‑
83.)、随机采样一致性估计算法(Fischler M A,BollesR C.Random sample consensus:a paradigm for model fitting with applications toimage analysis and automated cartography[J].Communications of the ACM,1981, 24(6):381
‑
395.)、M
‑
估计样本一致性方法(Torr P H S,Zisserman A.MLESAC:Anew robust estimator with application to estimating image geometry[J].Computervision and image understanding,2000,78(1):138
‑
156.)。
[0003]平面拟合较为常用的方法有最小二乘法和整体最小二乘法。这两种方法中，最小二乘法只考虑到z方向上的误差，却忽略了x，y方向上误差的影响，所以并不能得到较好的拟合结果。基于整体最小二乘的平面拟合方法，克服了最小二乘法只考虑到z方向的误差而忽略了x与y方向上误差的缺陷。虽然这两种方法模型简单，理想情况下很完美，但只是针对没有噪点情况下。由于此算法对噪点敏感，抗干扰能力较差，当要求在精度很高的情况下，会导致拟合误差过大，达不到理想效果。
[0004]在有噪点的环境下，目前工业中使用随机采样一致性估计算法(RANSAC)和 M
‑
估计样本一致性方法(MSAC)最为广泛，这两种算法都是基于内、外点的思想进行剔除噪点。理论上，这两种算法都可以剔除噪点的影响，并得到全局最优的参数估计。但是这两种方法有两个问题，第一个问题是需要预先设定阈值来区分每次迭代过程中的内点和外点，当模型具有明显的物理意义时，这个阈值还比较容易设定，但是若模型比较抽象时，这个阈值就不那么容易设定了，而且固定阈值不适用于样本动态变化的应用。第二个问题是，这两种方法的迭代次数是运行期决定的，不能预知迭代的确切次数。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法。这种方法操作简单、平面数据拟合精度高、重复性好、迭代次数易确定、速度快，易于推广应用。
[0006]实现本专利技术目的技术方案是：
[0007]一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法，包括如下步骤：
[0008](1)获取待拟合平面数据，获取真实高精度工件的平面亚像素坐标，过程如下：
[0009]1‑
1)对于同一件零件，采用远心镜头以垂直于高精度工件所在的平面方向对高精度工件进行多次图像采集；
[0010]1‑
2)采用HALCON软件依次对步骤1
‑
1)采集的图像进行平面边缘提取，得到高精度工件平面的亚像素坐标值；
[0011](2)从待拟合平面数据中随机抽取10％的数据；
[0012](3)采用整体最小二乘法拟合数据，得到第一次拟合平面：对步骤(2)中的数据使用整体最小二乘法拟合，过程如下：
[0013]3‑
1)利用平面法向量及过平面一点，确定平面方程的思想，求得平面方程，其中，设第一次拟合平面的法向量为：过平面一点N1为： (x
′1,y
′1,z
′1),平面方程写为：
[0014]A1(x
‑
x
′1)+B1(y
‑
y
′1)+C1(z
‑
z
′1)＝0
ꢀꢀꢀ
(1.1)，
[0015]3‑
2)已知待拟合平面n个坐标点(x
i
,y
i
,z
i
),其中i＝1,2,
…
n；
[0016]3‑
3)计算均值点为：
[0017][0018][0019][0020]3‑
4)构造n
×
3矩阵M:
[0021][0022]3‑
5)计算3
×
3矩阵M
T
M的最小特征值及其对应的特征向量
[0023]3‑
6)结果：第一次拟合平面法向量为：过平面一点N1为：为：
[0024]3‑
7)对步骤的3
‑
6)的平面法向量以及过平面一点N1,求得平面方程，得到第一次拟合平面方程为：
[0025][0026](4)采用对坐标点到第一次拟合平面的距离进行排序的思想整体剔除噪点并进行拟合，得到第二次拟合平面，过程如下：
[0027]4‑
1)计算所有坐标点(x
i
,y
i
,z
i
)到第一次拟合平面的距离d
i
,其中 i＝1,2,
…
n,计算d
i
为：
[0028][0029]4‑
2)对d
i
以升序的方式进行排序得到：d1≤d2≤
…
≤d
h
…
≤d
n
‑1≤d
n
；
[0030]4‑
3)选取步骤4
‑
2)中点到平面距离最小的前个坐标点；
[0031]4‑
4)对步骤4
‑
3)中得到的个坐标点，使用步骤(3)中的整体最小二乘方法再次拟合平面，得到第二次拟合平面法向量为：过平面一点N2为：
[0032]4‑
5)对步骤的4
‑
4)的平面法向量以及过平面一点N2,求得第二次拟合平面方程为：
[0033][0034](5)再次剔除噪点并进行拟合，得到第三次拟合平面；
[0035]5‑
1)对步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高精度工件的空间平面数据拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取待拟合平面数据，获取真实高精度工件的平面亚像素坐标，过程如下：1
‑
1)对于同一件零件，采用远心镜头以垂直于高精度工件所在的平面方向对高精度工件进行多次图像采集；1
‑
2)采用HALCON软件依次对步骤1
‑
1)采集的图像进行平面边缘提取，得到高精度工件平面的亚像素坐标值；(2)从待拟合平面数据中随机抽取10％的数据；(3)采用整体最小二乘法拟合数据，得到第一次拟合平面：对步骤(2)中的数据使用整体最小二乘法拟合，过程如下：3
‑
1)利用平面法向量及过平面一点，确定平面方程的思想，求得平面方程，其中，设第一次拟合平面的法向量为：过平面一点N1为：(x
′1，y
′1，z
′1)，平面方程写为：A1(x
‑
x
′1)+B1(y
‑
y
′1)+C1(z
‑
z
′1)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.1)，3
‑
2)已知待拟合平面n个坐标点(x
i
，y
i
，z
i
)，其中i＝1，2，
…
n；3
‑
3)计算均值点为：为：为：3
‑
4)构造n
×
3矩阵M：3
‑
5)计算3
×
3矩阵M
T
M的最小特征值及其对应的特征向量3
‑
6)结果：第一次拟合平面法向量为：过平面一点N1为：为：3
‑
7)对步骤的3
‑
6)的平面法向量以及过平面一点N1，求得第一次拟合平面方程为：(4)采用对坐标点到第一次拟合平面的距离进行排序的思想整体剔除噪点并进行拟合，得到第二次拟合平面，过程如下：4
‑
1)计算所有坐标点(x
i
，y
i
，z
i
)到第一次拟合平面的距离d
i
，其中i＝1，2，
…
n，计算d

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，肖远辉，田旭，李祺峰，韦升喜，吴冬柳，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：