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稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究

郝雪 刘京亮 晁艺

郝雪, 刘京亮, 晁艺. 稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(8): 1276-1281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306
引用本文: 郝雪, 刘京亮, 晁艺. 稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(8): 1276-1281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306
Hao Xue, Liu Jingliang, Chao Yi. Study on Cylinder Fitting Algorithm for Measurement of Aeronautical Ducts with Sparse Points[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(8): 1276-1281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306
Citation: Hao Xue, Liu Jingliang, Chao Yi. Study on Cylinder Fitting Algorithm for Measurement of Aeronautical Ducts with Sparse Points[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(8): 1276-1281. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306

稀疏点测量航空导管的圆柱拟合算法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180306
基金项目: 

中国航空工业集团公司技术创新基金项目 2014F30334

详细信息
    作者简介:

    郝雪(1991-), 工程师, 硕士, 研究方向为机器视觉测量与算法, 精密测量技术, 1548525747@qq.com

  • 中图分类号: TH702

Study on Cylinder Fitting Algorithm for Measurement of Aeronautical Ducts with Sparse Points

  • 摘要: 航空导管是航空管路系统的重要组成部分,为保证导管质量需要对导管进行测量获得其几何参数。为获得导管几何参数需要对测量点进行空间圆柱拟合。目前已有的圆柱拟合算法需要稠密的点云,有时受限于测量时间和环境只能获得稀疏的测量点,过少的测量点影响了圆柱拟合的精度,无法准确获得导管几何参数。针对这一问题,提出一种通过计算点云投影点的圆度来选取圆柱拟合时的初值的圆柱拟合算法。算法首先将采集的点云分别投影到以各个单位向量为法向量的平面上,将投影点拟合成圆,计算其圆度;然后将圆度最好的一组单位向量作为拟合圆柱轴向的初始向量,对应投影圆的圆心坐标和半径作为圆柱轴心和圆柱半径的初始值;最后利用梯度下降法对圆柱进行拟合。实验结果验证了该算法不需要大量的测量数据就可以较为准确地拟合圆柱,可以用于航空导管几何参数获取。
  • 图  1  圆柱在平面上的投影

    图  2  单位向量集

    图  3  测量点投影到某一平面

    图  4  坐标系建立

    图  5  光学坐标测量机

    图  6  激光三角法测头标定

    图  7  圆柱工件测量点采集

    图  8  实验所用航空导管模型

    表  1  第一部分实验本文算法与R-Dmis结果对比

    数据集 测量算法 轴线方向/μm 直径/mm 圆柱中心坐标/mm
    l m n x y z
    数据1 R 0.261 1.019 999.9 165.93 1 001.79 232.29 -740.61
    P -0.7 -1.1 -1 165.93 1 001.79 232.29 -740.61
    数据2 R -0.495 0.958 999.9 165.93 1001.79 232.29 -741.81
    P 00.5 -0.9 -1 165.91 1001.79 232.29 -741.81
    数据3 R -1.89 0.885 1 165.93 1 001.80 232.29 -740.13
    P -3.8 -0.814 -1 165.93 1 001.79 232.29 -740.14
    数据4 R 0.053 -0.817 -1 196.11 1 001.80 232.29 -740.74
    P 0.1 -0.8 -1 196.08 1 001.80 232.29 -740.74
    数据5 R -0.294 0.858 1 196.10 1 001.80 232.29 -738.49
    P 0.3 -0.8 -1 196.10 1 001.80 232.29 -738.49
    注:R表示R-Dmis测量软件计算结果; P表示本文算法计算结果。
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    表  2  第二部分实验本文算法与R-Dmis结果对比

    数据集 测量算法 轴线方向/μm 直径/mm 圆柱中心坐标/mm
    l m n x y z
    圆柱1 R -999.9 10.8 5.8 54.63 163.43 -1.85 0.39
    P 999.9 -10.8 -5.8 54.64 163.44 -1.85 0.39
    圆柱2 R -1.2 999.4 33.7 53.58 1.32 127.77 7.37
    P 1.3 -999.4 -33.7 53.58 1.32 127.77 7.37
    圆柱3 R 15.5 997.8 65.2 54.63 3.22 195.56 10.10
    P -15.5 -997.8 -65.1 54.63 3.22 195.56 10.10
    圆柱4 R -12.3 -997.8 -65.8 59.54 4.95 327.28 18.86
    P -12.3 -997.8 -65.8 59.53 4.95 327.27 18.86
    圆柱5 R 10.5 997.9 63.6 59.44 7.01 508.66 30.66
    P -10.5 -997.9 -63.6 59.45 7.01 508.66 30.66
    小孔1 R 36.6 -999.2 18.2 6.55 36.58 -66.57 -19.52
    P -36.6 999.2 -18.2 6.56 36.58 -66.58 -19.53
    小孔2 R -34.4 999.2 -18.9 6.55 36.15 -65.80 25.71
    P -34.4 999.2 -18.9 6.55 36.16 -65.81 25.71
    小孔3 R -32.4 999.2 -21.8 6.56 -9.06 -67.87 25.32
    P -32.4 999.2 -21.8 6.56 -9.05 -67.87 25.33
    注:R表示R-Dmis测量软件计算结果; P表示本文算法计算结果。
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    表  3  本文算法与R-Dmis算法计算结果偏差值

    μm
    实验 U(l, m, n) Ud U(x, y, z)
    Ul Um Un Ux Uy Uz
    1 1.53 2.89 4×10-4 5.13 0.92 1.10 1.19
    2 0.01 0.06 4×10-4 0.81 0.012 1.55 0.85
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  • 收稿日期:  2018-05-20
  • 刊出日期:  2019-08-05

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