基于自动激光扫描技术的三维几何在线测量系统研究

摘要

在先进工业制造领域（例如航空航天、船舶、高铁、汽车等）中等或大尺寸目标的三维几何测量必须具备简单并快速完成的特点。至今，基于不断革新的测量技术（例如光学、机械、电磁方面等），新的测量方法和系统设计理念不断地被研究与创新以实现上述要求。尽管如此，大多数测量系统不得不面对测量场景条件、操作人员的技术经验、测量时间和空间、测量精度、可携带性等约束问题。而解决或优化这些问题关键在于设计出具有快速测量、高自动化、高精度、测量范围可扩展和抗环境干扰的测量系统。基于上述设计理念，本论文针对中等或大尺寸规则工件，提出基于集成分布式移动激光扫描技术的大空间动态坐标测量方法，从而实现工件多个大尺寸关键特征表面轮廓的自动快速同步采样，对分布在不同空间位置的大尺寸特征间几何关系的动态描述。整个系统设计融入了虚拟基准的思想，使得系统测量具有柔性，测量范围更易扩展延拓，更适应于集成多个规则特征的大尺寸工件在线测量。
　　本论文所取得的创新性成果主要体现在：
　　（1）将大空间动态坐标测量方法与大尺寸虚拟测量环境相结合，建立既保持基准特征又能够体现激光扫描路径轨迹变化的虚拟测量基准面，从而使得系统测量范围具有主动并柔性扩展的能力。同时，大尺寸虚拟测量基准面的建立实现了在大空间内不同关键特征点间动态几何关系的实时表达、不同大尺寸特征间三维几何关系的精确描述。
　　（2）针对大尺寸规则特征，建立具有一般线性特点的激光扫描路径自动规划的模型。该模型以虚拟测量基准面为参考，将相邻路径关键点的几何关系以立体空间分解方法正交分解，并计算出其相对于基准面的偏移量，以此估计出下一处激光扫描仪的空间位置，从而逐步自动生成体现被测特征几何变化的路径轨迹。在标识的激光扫描视角前提下，该路径规划模型实现了大尺寸关键区域轮廓的快速采样，并使得激光扫描仪相对于被测区域的空间位置接近最佳距离，从而保证了获取点云的质量。最后，该模型以整体优化扫描策略完成了局部缺失区域的填补。
　　（3）在三维几何特征检测的初期，建立描述总检测成本与采样样本量之间关系的数学模型，以辅助完成测量策略规划。该数学模型是在采样模型确立之后，通过分析总检测成本与采样样本量的理论关系，来优化并确定对被测特征检测的最佳采样样本量，从而权衡出测量成本与检测误差成本之间的临界区域，近似实现对被测特征的最低成本检测。
　　（4）通过设计加工的工件制品，建立评价激光扫描系统的关键参数对获取的点云质量影响的实验模型。该实验模型分别测试了激光扫描系统相对于被测区域的扫描深度、扫描视角、移动速度、扫描路径以及自身温度对工件交叉边缘的拐点、角点等关键特征定位精度的影响。
　　本论文将分布式移动激光扫描技术分别集成到大尺寸规则工件动态长度快速测量系统、大尺寸工件多规则特征目标三维几何测量系统中，开发并部署相应的辅助测量软件，构建了大尺寸三维虚拟测量场，实现了工件多特征的同步分散测量和集中处理的策略，测量信息与设计信息能够自由流动并具有互操作性。在工业制造现场，以不同类型典型的中等和大尺寸工件对测量系统进行验证。实验结果表明，系统的测量节拍、测量精度和测量可靠性均满足在线测量要求，能够有效地形成中等或大尺寸工件数字化设计-制造-检测一体化模式。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2大尺寸几何测量技术研究现状及分析

1.3课题主要内容

2 系统采样策略规划

2.1引言及问题提出

2.2激光扫描系统

2.3总检测成本函数

2.4本章小结

3 大尺寸虚拟测量系统

3.1引言及问题提出

3.2动态虚拟测量基准模型

3.3大空间内多分布特征几何描述

3.4本章小结

4 自动激光扫描路径规划

4.1引言及问题提出

4.2数学模型和分析

4.3实验与分析

4.4本章小结

5 大尺寸规则工件动态长度快速测量系统

5.1引言及问题提出

5.2测量系统结构与分析

5.3 三维位移场模型

5.4 实验与分析

5.5 本章小结

6 大尺寸工件多特征目标三维几何测量系统

6.1引言及问题提出

6.2 测量系统结构与分析

6.3端点群的识别和定位

6.4三维几何测量模型

6.5实验及分析

6.6本章小结

7 总结和展望

7.1本论文研究成果总结

7.2后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间参与的科研项目

C. 攻读博士学位期间所获得的专利与证书