面向反求工程的多傳感器集成及數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究.pdf

1、在復(fù)雜產(chǎn)品的大批量制造及重要零部件(如汽輪機(jī)葉片)的檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)零件形狀進(jìn)行快速測(cè)量與及時(shí)評(píng)價(jià)，并采取相應(yīng)對(duì)策，以減少?gòu)U品的產(chǎn)生或生產(chǎn)事故的發(fā)生幾率。接觸式和非接觸式測(cè)量是形狀測(cè)量的兩個(gè)主要方法。接觸式探頭(接觸式)測(cè)量具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其不足是速度慢、效率低。基于激光的3D傳感設(shè)備(非接觸式)雖然具有速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是易受到光亮面的鏡面反射等因素影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)殘缺和不完整。由此可知，兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺

2、點(diǎn)存在一種互補(bǔ)關(guān)系，即接觸式傳感器的缺點(diǎn)可以用非接觸式傳感器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，反之亦反。通過(guò)集成兩種方法優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀特征的高速測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)，已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。本文重點(diǎn)對(duì)多傳感器測(cè)量中的傳感器測(cè)量標(biāo)定、多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的融合、多傳感器的精確對(duì)齊等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，并通過(guò)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件測(cè)量的多傳感器測(cè)量系統(tǒng)，驗(yàn)證本文的研究結(jié)論。具體研究工作如下：
　　 提出了基于正弦函數(shù)精密標(biāo)塊的多傳感器標(biāo)定方法。該方法

3、在研究多種典型傳感器測(cè)量工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)中移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)的特點(diǎn)；基于標(biāo)定形狀變化愈豐富標(biāo)定愈準(zhǔn)確的思想，以含有兩個(gè)方向變化、多個(gè)波峰波谷的正弦函數(shù)精密制造型面作為標(biāo)塊，對(duì)常用的接觸式測(cè)量探頭、點(diǎn)激光、線激光等傳感器進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，使標(biāo)定的三維測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)測(cè)量型面的形狀。經(jīng)實(shí)際平面測(cè)量驗(yàn)證，測(cè)量誤差可以控制在各自傳感器的測(cè)量誤差之內(nèi)。
　　 提出了基于卡爾曼濾波的多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)隱含曲面數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義上的融

4、合估計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，將卡爾曼濾波應(yīng)用于測(cè)量數(shù)據(jù)曲面的估計(jì)，不僅綜合考慮不同傳感器尤其不同種類(lèi)傳感器測(cè)量不確定性統(tǒng)計(jì)特征，而且融合了對(duì)工件外形的初始先驗(yàn)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定估計(jì)。
　　 基于卡爾曼濾波的多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)融合方法，推導(dǎo)了各向同性多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)基于卡爾曼濾波的增量和批處理形式，并給出了增量和批處理融合形式等價(jià)條件，使用戶可根據(jù)不同測(cè)量條件下優(yōu)化選擇測(cè)量數(shù)據(jù)融合形式，實(shí)現(xiàn)接觸式傳感器

5、單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及非接觸式大批測(cè)量數(shù)據(jù)條件下的高效融合。
　　 同時(shí)，針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不確定性存在各向異性特征，本文在上述基于卡爾曼濾波的多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了各向異性多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)基于卡爾曼濾波的融合公式，使其支持更一般條件下的多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)隱含曲面的估計(jì)。
　　 為了建立工件外形多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述，本文提出多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)基于迭代融合的ICP 對(duì)齊方法。此方法充分利用了基于卡爾曼濾波方法的多傳感器

6、測(cè)量曲面的高效穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)估計(jì)特性，通過(guò)ICP 對(duì)齊方法，提高了不同傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)之間點(diǎn)與點(diǎn)之間映射的準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)了多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)到統(tǒng)一公共坐標(biāo)系下的精確對(duì)齊。為了在對(duì)齊過(guò)程中實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)齊，推導(dǎo)了基于卡爾曼濾波的多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)融合方法的數(shù)據(jù)收回公式，保證了該迭代融合對(duì)齊過(guò)程的收斂性。
　　 為了使包含多個(gè)傳感器、工作臺(tái)的多傳感器測(cè)量系統(tǒng)得到靈活控制，提出了基于高腳本文件的可編程柔性測(cè)量控制方法。此方法實(shí)現(xiàn)了接觸式測(cè)量、點(diǎn)