基于多傳感器集成測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對齊方法研究

陳昶

【摘要】多傳感器集成測量系統(tǒng)是一種將非接觸式及接觸式的兩種方法結(jié)合在一起的系統(tǒng)，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到高效及精確的測量。然而，對于多傳感器集成測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對齊精度及靈活性不高，且數(shù)據(jù)過程相對較復(fù)雜。在此背景下，本文提出一種不依靠簡單幾何的自動對齊方法，提高數(shù)據(jù)對齊效率。

【關(guān)鍵詞】多傳感器；集成測量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)對氣方法

近幾年來，隨著我國測量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)單一的實物數(shù)字化方法已不能滿足當(dāng)前高精度及高效率的需求，亟需一種新型測量系統(tǒng)。因此，多傳感器集成測量系統(tǒng)應(yīng)運而生。到目前為止，傳感器分為激光測頭、接觸式測頭及其視覺傳感器，可快速的測量復(fù)雜曲面零件，使測量技術(shù)不斷向智能化方向發(fā)展。而多傳感器集成測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對齊方法是當(dāng)前眾多學(xué)者研究的重點之一。本文不揣淺陋，提出幾點意見，望對集成測量的數(shù)據(jù)對齊工作提供參考借鑒。

一、多傳感器集成測量的研究

在實際應(yīng)用中廣泛的應(yīng)用的傳感器有視覺傳感器、激光測頭及接觸式測頭，其中視覺傳感器一次所獲取的信息量較大，且能夠較容易的獲取零件模型，但具有較低的測量精度，其誤差超過0.1mm；激光測頭具有較高的測量速度，可有效克服接觸式測頭所帶來的問題，但測量精度也較低，超過2μm[1]；接觸式測頭具有較高的可靠性，且精度較高，小于1μm，但價格相對較高，測量成本較大，測量速度較慢，同樣制約其進(jìn)一步推廣。鑒于以上各種傳感器具有的優(yōu)缺點，當(dāng)前，推出一種將以上三種傳感器相結(jié)合的測量方式，形成一個優(yōu)勢互補(bǔ)的測量系統(tǒng)，提高測量精度及效率。

二、多傳感器集成測量的數(shù)據(jù)對齊特點及方法

在多傳感器集成測量系統(tǒng)當(dāng)中，將所獲得的點集實現(xiàn)有效對齊是當(dāng)前研究的重點內(nèi)容之一。眾多學(xué)者對其進(jìn)行相關(guān)研究，提出廣泛采用迭代最近點法，即提取點云數(shù)據(jù)的內(nèi)蘊量的多視拼接法，并使用三坐標(biāo)測量機(jī)對骨架點進(jìn)行測量等。但對其研究往往集中于簡單的幾何體，所得到的數(shù)據(jù)對齊不具有較高的精度，有較大誤差。因此，需要開發(fā)一種提高數(shù)據(jù)對齊精度的方法，下面對其進(jìn)行闡述：

1.數(shù)據(jù)對齊特點。

一方面，數(shù)據(jù)對齊精度不相同。就當(dāng)前兩種測量方法，其精度間有較大差距。其中非接觸測量掃描所獲取的點云精度非常低，接觸式測量掃描的精度相對較高。另一方面，數(shù)據(jù)對齊密度不相同。一般情況下，非接觸式測量、接觸式測量分別采用全場掃描、按照操作人員的測量意圖進(jìn)行布點規(guī)劃，最終所獲取的數(shù)據(jù)分別是密集及稀疏的數(shù)據(jù)。所以，所需要對齊的點集中并不存在對應(yīng)點，以致于不能夠找到相匹配的內(nèi)蘊量，最終導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)對齊無法應(yīng)用。

2.初始對齊的實現(xiàn)。

本次對初始對齊的研究主要是在ScanData和TouchData間建立相應(yīng)的對應(yīng)點，而這些對應(yīng)點能夠通過待測件上的特征區(qū)域而得到圓心及球心，往往是根據(jù)工作臺上的公共參考球來加以確定。采用該算法時對初始位置及對應(yīng)點的要求不高，從某種程度上而言，可有效降低誤差，提高數(shù)據(jù)對齊精度。通常情況，將數(shù)據(jù)對應(yīng)點記分別為P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3，而X1、X2、X3、W1、W2、W3分別為矢量，X、W則分別是由以上適量所組成的矩陣，為初始對齊算法流程。

3.精確對齊的實現(xiàn)。

由于傳統(tǒng)的迭代最近點算法精度較低，降低了算法的效率。應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，其中最重點的是確定對應(yīng)點。對應(yīng)點的確定通過利用KD-tree搜索對應(yīng)點，其實施步驟：首先，確定初始對齊后的位置，并在ScanTriModel尋找最近的三角形定點，并標(biāo)明對應(yīng)點關(guān)系。其次，在ScanTriModel中尋找相應(yīng)端點的半邊三角形，并將影點集合在一起，形成相連的三角形數(shù)。最后，正確判斷投影點是在三角形內(nèi)部還是外部[2]。此外，在實際的應(yīng)用中，大多由于數(shù)據(jù)中的噪聲點而不能夠滿足對應(yīng)數(shù)據(jù)點集間需求，造成數(shù)據(jù)的錯誤匹配，最終影響數(shù)據(jù)的對齊精度。因此，應(yīng)對ICP的方法進(jìn)行改進(jìn)；保證迭代算法中對應(yīng)點的間距小于閾值。當(dāng)完成數(shù)據(jù)對齊后還需要將單一的數(shù)據(jù)點集融合在一起，可采用空間柵格的劃分思想，在確定重疊區(qū)域后，就能夠快速清除重疊區(qū)域中的ScanData數(shù)據(jù)點，僅僅保留具有較高精度的數(shù)據(jù)。

三、結(jié)束語

隨著我國測量技術(shù)的不斷發(fā)展，多種傳感器在實際測量中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過長期實踐經(jīng)驗的積累，多傳感器的測量系統(tǒng)逐漸向智能化方向發(fā)展，在提高測量效率的同時，還能夠確保測量精度。而對于集成測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對齊一直是研究的重點技術(shù)之一，由于傳統(tǒng)的迭代最近點算法無法滿足現(xiàn)實數(shù)據(jù)需求，而使得采取新型數(shù)據(jù)對齊法。在此背景下，本文通過提出一種基于不依靠簡單幾何自動對齊法，分別從初始對齊及精確對齊兩方面分析數(shù)據(jù)對齊算法，旨在提高集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)對齊精度。

參考文獻(xiàn)

[1]朱嘉.基于視覺與觸覺集成傳感的多坐標(biāo)組合測量系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué)，2010.

[2]鄒進(jìn)貴，徐亞明，胡波等.車載自動化精密三角高程測量系統(tǒng)研究[J].測繪信息與工程，2010，35（4）：30-32.