復(fù)雜曲面機(jī)器人三維測(cè)量的誤配準(zhǔn)篩除算法研究

張文瑞 楊興旺 王樹(shù)偉 王雪 蘇勃赫

摘要：許多具有復(fù)雜曲面的機(jī)器零件對(duì)精密度的要求較高，因而對(duì)其形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維測(cè)量并篩除誤配準(zhǔn)是一項(xiàng)關(guān)鍵工作。本文通過(guò)分析復(fù)雜曲面機(jī)器人的三維測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步分析以多尺度描述子為基礎(chǔ)，結(jié)合空間角度差分閾值法的誤配準(zhǔn)篩除算法。

關(guān)鍵詞：誤配準(zhǔn)篩除;復(fù)雜曲面;空間角度差分閾值

引言：

本文主要是采用基于空間角度差分閾值的多尺度描述子的方法來(lái)進(jìn)行誤配準(zhǔn)篩除，該方法不同于以往的誤配準(zhǔn)篩除，其具有了創(chuàng)新性特征，對(duì)于許多復(fù)雜或是異型的曲面都能夠進(jìn)行準(zhǔn)確配準(zhǔn)，同時(shí)其計(jì)算量較少，進(jìn)一步提升了配準(zhǔn)的精確性。

1.復(fù)雜曲面機(jī)器人的三維測(cè)量

對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行三維測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)是盡量減小誤差，因此，其一般是采用點(diǎn)云配準(zhǔn)的方式來(lái)對(duì)誤配準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行篩除，進(jìn)而提升三維測(cè)量的精準(zhǔn)度。在航天航空的制造領(lǐng)域當(dāng)中，其發(fā)動(dòng)機(jī)的航空葉片就是典型的復(fù)雜曲面，因而針對(duì)于航空葉片的三維測(cè)量進(jìn)行誤配準(zhǔn)篩除，進(jìn)而研究復(fù)雜曲面機(jī)器人的三維測(cè)量誤配準(zhǔn)篩除算法能夠滿足本文的研究要求。

2.系統(tǒng)架構(gòu)分析

本文中針對(duì)于復(fù)雜曲面機(jī)器人薩內(nèi)測(cè)量進(jìn)行的誤配準(zhǔn)篩除算法的基本流程包括：（1）輸入葉片點(diǎn)云;（2）獲取多尺寸描述子的關(guān)鍵點(diǎn)集，并對(duì)該點(diǎn)集進(jìn)行計(jì)算;（3）進(jìn)行主曲率的搜索并獲取到初始的配準(zhǔn)對(duì)，可記為R1、T1;（4）進(jìn)行空間角度差分閾值的誤配準(zhǔn)對(duì)篩除，最后獲得精準(zhǔn)的配準(zhǔn)對(duì)。整個(gè)系統(tǒng)的處理部分可分為兩項(xiàng)，其分別為獲取并處理點(diǎn)云的部分以及點(diǎn)云的精準(zhǔn)化計(jì)算部分，其機(jī)器人的三維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中主要是移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人設(shè)備，上方為安川機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)下方是掃描傳感器裝置，下方再設(shè)置掃描對(duì)象，在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)，其3D點(diǎn)云掃描時(shí)選擇兩個(gè)位姿，然后使用機(jī)器人進(jìn)行計(jì)算和處理，最后作用于伺服控制器，本分鐘使用的掃描儀器在X軸方向上的分辨率可以達(dá)到0.079毫米，在Z軸方向上的分辨率可以達(dá)到0.010毫米，掃描測(cè)量時(shí)直接作用于航空葉片不同位姿時(shí)稠密點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效獲取過(guò)程中，進(jìn)而完成后續(xù)的一系列操作。

3.誤配準(zhǔn)篩除算法

3.1對(duì)多尺寸描述子進(jìn)行計(jì)算

在本文中的描述子選擇了多尺寸描述子，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，先選擇視覺(jué)上相近的兩片相鄰航空葉片，然后使用掃描傳感器來(lái)獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用濾波器來(lái)進(jìn)行采樣，即可獲得其點(diǎn)云的幾何特征，然后對(duì)其構(gòu)建多尺寸描述子，其具體的構(gòu)建方法如下：

先獲得源點(diǎn)云或是目標(biāo)點(diǎn)云的濾波后點(diǎn)，對(duì)該點(diǎn)設(shè)置領(lǐng)域搜索半徑，對(duì)于每一個(gè)領(lǐng)域搜索半徑范圍內(nèi)的源點(diǎn)或是目標(biāo)點(diǎn)，其都會(huì)與范圍內(nèi)的任意其他點(diǎn)構(gòu)成矩陣，其中領(lǐng)域搜索半徑的設(shè)置值與濾波器裝置實(shí)際設(shè)置的網(wǎng)格大小有關(guān)，然后采用奇異值分解方法對(duì)每一個(gè)矩陣進(jìn)行分解，可獲得三個(gè)特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量值，然后利用其特征值和特征向量值對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行幾何特征的描述，構(gòu)造出歸一化向量，進(jìn)而構(gòu)造出多尺寸的描述子，利用該方法對(duì)點(diǎn)云中的所有點(diǎn)進(jìn)行描述，最后獲得多尺寸描述子的源點(diǎn)云點(diǎn)集和目標(biāo)點(diǎn)云點(diǎn)集，再對(duì)兩項(xiàng)點(diǎn)集進(jìn)行相同描述子的提取，獲得一個(gè)初步配準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)集。

3.2進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)集的主曲率搜索

對(duì)于復(fù)雜曲面機(jī)器人來(lái)說(shuō)，曲率表示了一種幾何特征，其對(duì)于一個(gè)曲面而言是描述變化性特征的關(guān)鍵，曲率是一項(xiàng)二次導(dǎo)數(shù)，其主要是對(duì)噪聲產(chǎn)生敏感作用，因此在初始配準(zhǔn)對(duì)的關(guān)鍵點(diǎn)集搜索中，以曲率為搜索特征，能夠有效剔除其中的噪聲干擾，進(jìn)一步提升點(diǎn)云的配準(zhǔn)率。從上述步驟獲取的關(guān)鍵點(diǎn)集中隨意取出一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行主曲率搜索，并計(jì)算提取其特征，其主要的計(jì)算步驟分為以下幾個(gè)步驟：

一是先選擇種子點(diǎn)記為X1，再對(duì)改點(diǎn)周圍領(lǐng)域進(jìn)行二次曲面的擬合，其曲面計(jì)算的通用表達(dá)式為：G（x，y）=ax2+bxy+cy2+dx+ey，根據(jù)這項(xiàng)通用計(jì)算式，可以獲得第一基本常量的三個(gè)值以及第二基本常量的三個(gè)值，然后提取X1法向量值n。

二是利用以上量值來(lái)表達(dá)曲率，同時(shí)結(jié)合平均曲率和高斯曲率的通用表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，獲得種子點(diǎn)X1的曲率極小值以及曲率極大值。

三是以獲得的種子點(diǎn)主曲率作為判斷條件來(lái)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)集進(jìn)行遍歷，獲得與種子點(diǎn)主曲率相近的匹配點(diǎn)，然后將兩點(diǎn)作為初始配準(zhǔn)對(duì)。需要注意的是，由于人為因素或者機(jī)器本身因素的影響，其計(jì)算曲率過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些誤差，因此還需要對(duì)初始配準(zhǔn)對(duì)建立一些約束條件，以此來(lái)降低誤差。

3.3運(yùn)用空間角度差來(lái)篩除誤配準(zhǔn)點(diǎn)

獲得更加精準(zhǔn)的配準(zhǔn)對(duì)，就要將初始配準(zhǔn)對(duì)中的誤配準(zhǔn)對(duì)篩除，進(jìn)而減小誤差，本文中篩除的方式主要是空間角度差法，根據(jù)其初始配準(zhǔn)對(duì)來(lái)獲取旋轉(zhuǎn)及平移矩陣，其分別記為R1、T1，然后取空間角度分閾值θm來(lái)篩選初始配準(zhǔn)對(duì)，列出基本公式△θi<θm，其中，△θi表示的是初始配準(zhǔn)對(duì)的點(diǎn)集當(dāng)中，第i對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)的空間角度差分閾值，不符合該項(xiàng)公式的初始配準(zhǔn)點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)是噪聲點(diǎn)或是異常點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步予以剔除，這樣就能夠獲得精準(zhǔn)配準(zhǔn)對(duì)。

4.結(jié)論

基于空間空間角度差分閾值的多尺度描述子方法作為復(fù)雜曲面的誤配準(zhǔn)篩除算法，具有著計(jì)算簡(jiǎn)便及篩除精準(zhǔn)的特點(diǎn)，發(fā)揮了重要功能。由本文分析可知，該誤配準(zhǔn)篩除算法的基本步驟包括：對(duì)多尺寸描述子進(jìn)行計(jì)算、進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)集的主曲率搜索、運(yùn)用空間角度差來(lái)篩除誤配準(zhǔn)點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：張文瑞（1997.3—），女，漢族，籍貫：山西臨汾人，北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，20級(jí)在讀研究生，碩士學(xué)位，專業(yè)：電子信息，研究方向：控制工程.