面向航空叶片检测的点云匹配及表面重建

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航空叶片作为航空发动机的关键组成部分,其几何尺寸对发动机性能有着至关重要的影响。当叶片尺寸及形状未满足设计要求时,发动机可能会损失动力等。因此,叶片测量与评定是航空工业中的一个重要任务。  目前,工业界常用的叶片测量方法主要分为接触式测量与非接触式光学测量两种,光学测量方法与接触式测量相比,测量速度更快,更有前景。面结构光条纹投影测量是一种能够有效对叶片局部表面进行高精测量的技术。使用面结构光对叶片进行测量时,由于测量范围的限制,需对叶片表面按区域进行多次测量,然后将不同区域测量数据匹配拼接,得到完整的叶片表面测量数据。  叶片表面的插值重建是对其参数进行评定的重要基础。对叶片表面进行连续化插值重建能够降低叶片参数提取的难度,提高叶片特征参数提取的精度,在叶片质量评定中有重要的作用。  本文围绕叶片点云的匹配及表面重建开展研究,进行了如下工作:  1)本文针对叶片的几何特性,提出使用截面线作为特征描述子来对叶片点云进行匹配并给出了计算截面线特征描述子的方法。截面线特征描述子比传统点特征描述子蕴含了更多叶片的几何信息,能够有效克服特征不显著性及对称性对于叶片匹配的影响。  2)本文给出了由叶片截面线特征描述子对叶片点云进行粗匹配的方法。方法基于随机采样一致性(RANSAC)算法,通过距离在刚体变换下的不变性来构建截面线特征描述子间的对应关系,完成粗匹配。粗匹配的结果可进一步由基于点到面误差函数的ICP(Iterative Closest Point)算法或其衍生算法进行优化。  3)本文提出了一种可用于航空叶片点云数据表面重建的方法。该方法采用移动最小二乘技术为空间栅格点构建局部坐标系,在局部坐标系下进行加权多项式拟合求取空间栅格点的正向投影点,结合代数球拟合方法为正向投影点计算法向量以完成空间有向距离场的计算,最后对空间有向距离场进行零等值面提取完成表面重建工作。表面重建工作为后续叶片的误差评定工作打下了基础。  4)本文为所提出的匹配算法与表面重建算法设计了实验,通过实验对所提出的算法的精度及有效性进行了定量及定性分析。
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