基于多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)齊方法研究

陳昶

【摘要】多傳感器集成測(cè)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(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到高效及精確的測(cè)量。然而，對(duì)于多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)齊精度及靈活性不高，且數(shù)據(jù)過程相對(duì)較復(fù)雜。在此背景下，本文提出一種不依靠簡(jiǎn)單幾何的自動(dòng)對(duì)齊方法，提高數(shù)據(jù)對(duì)齊效率。

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

近幾年來，隨著我國(guó)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)單一的實(shí)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(cè)量系統(tǒng)。因此，多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。到目前為止，傳感器分為激光測(cè)頭、接觸式測(cè)頭及其視覺傳感器，可快速的測(cè)量復(fù)雜曲面零件，使測(cè)量技術(shù)不斷向智能化方向發(fā)展。而多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)齊方法是當(dāng)前眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。本文不揣淺陋，提出幾點(diǎn)意見，望對(duì)集成測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)齊工作提供參考借鑒。

一、多傳感器集成測(cè)量的研究

在實(shí)際應(yīng)用中廣泛的應(yīng)用的傳感器有視覺傳感器、激光測(cè)頭及接觸式測(cè)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(cè)量精度，其誤差超過0.1mm；激光測(cè)頭具有較高的測(cè)量速度，可有效克服接觸式測(cè)頭所帶來的問題，但測(cè)量精度也較低，超過2μm[1]；接觸式測(cè)頭具有較高的可靠性，且精度較高，小于1μm，但價(jià)格相對(duì)較高，測(cè)量成本較大，測(cè)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(diǎn)，當(dāng)前，推出一種將以上三種傳感器相結(jié)合的測(cè)量方式，形成一個(gè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的測(cè)量系統(tǒng)，提高測(cè)量精度及效率。

二、多傳感器集成測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)齊特點(diǎn)及方法

在多傳感器集成測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中，將所獲得的點(diǎn)集實(shí)現(xiàn)有效對(duì)齊是當(dāng)前研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，提出廣泛采用迭代最近點(diǎn)法，即提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)蘊(yùn)量的多視拼接法，并使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)骨架點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量等。但對(duì)其研究往往集中于簡(jiǎn)單的幾何體，所得到的數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)齊精度的方法，下面對(duì)其進(jìn)行闡述：

1.數(shù)據(jù)對(duì)齊特點(diǎn)。

一方面，數(shù)據(jù)對(duì)齊精度不相同。就當(dāng)前兩種測(cè)量方法，其精度間有較大差距。其中非接觸測(cè)量掃描所獲取的點(diǎn)云精度非常低，接觸式測(cè)量掃描的精度相對(duì)較高。另一方面，數(shù)據(jù)對(duì)齊密度不相同。一般情況下，非接觸式測(cè)量、接觸式測(cè)量分別采用全場(chǎng)掃描、按照操作人員的測(cè)量意圖進(jìn)行布點(diǎn)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(duì)齊的點(diǎn)集中并不存在對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以致于不能夠找到相匹配的內(nèi)蘊(yùn)量，最終導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)對(duì)齊無法應(yīng)用。

2.初始對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)。

本次對(duì)初始對(duì)齊的研究主要是在ScanData和TouchData間建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，而這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)能夠通過待測(cè)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(tái)上的公共參考球來加以確定。采用該算法時(shí)對(duì)初始位置及對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)齊精度。通常情況，將數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)齊算法流程。

3.精確對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)。

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

三、結(jié)束語

隨著我國(guó)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，多種傳感器在實(shí)際測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，多傳感器的測(cè)量系統(tǒng)逐漸向智能化方向發(fā)展，在提高測(cè)量效率的同時(shí)，還能夠確保測(cè)量精度。而對(duì)于集成測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)齊一直是研究的重點(diǎn)技術(shù)之一，由于傳統(tǒng)的迭代最近點(diǎn)算法無法滿足現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)需求，而使得采取新型數(shù)據(jù)對(duì)齊法。在此背景下，本文通過提出一種基于不依靠簡(jiǎn)單幾何自動(dòng)對(duì)齊法，分別從初始對(duì)齊及精確對(duì)齊兩方面分析數(shù)據(jù)對(duì)齊算法，旨在提高集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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(dòng)化精密三角高程測(cè)量系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪信息與工程，2010，35（4）：30-32.