本發(fā)明屬于非接觸式測(cè)量，具體涉及一種基于激光掃描的發(fā)動(dòng)機(jī)管路測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路裝配工藝流程中，存在裝配前缺乏對(duì)管路測(cè)量的技術(shù)缺陷，無(wú)法有效預(yù)測(cè)和評(píng)估裝配后的性能。這種技術(shù)上的局限性導(dǎo)致了裝配過(guò)程缺乏系統(tǒng)性的指導(dǎo)，從而迫使技術(shù)人員在裝配過(guò)程中需要進(jìn)行多次試裝。這種做法不僅增加了裝配的時(shí)間成本，而且對(duì)管路接頭造成了不必要的磨損。為了解決這一問(wèn)題，需要引入一種較為高效且不會(huì)劃傷零件的非接觸式測(cè)量技術(shù)，在裝配前掃描發(fā)動(dòng)機(jī)的管路，獲取管路的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，構(gòu)建出發(fā)動(dòng)機(jī)管路的實(shí)測(cè)模型。將此模型與理論設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)分析，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)管路的裝配特征偏差。更重要的是，在后續(xù)深入研究的協(xié)助下，發(fā)動(dòng)機(jī)管路的裝配特征偏差數(shù)據(jù)可用來(lái)預(yù)測(cè)管路裝配后的密封性能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，引入適合的非接觸式測(cè)量技術(shù)就尤為重要。

2、管路是一種制造誤差較大的零件，且管路接頭的球頭錐面結(jié)構(gòu)具有一定的容差能力，因此管路所需的測(cè)量精度相對(duì)而言并不高。同時(shí)管件數(shù)目眾多且形狀各異，測(cè)量效率在測(cè)量方法的選擇中尤為重要，三維激光掃描作為一種精度稍低但可以高效獲得點(diǎn)云的方法，適用于上述場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述情況，本發(fā)明提供一種基于激光掃描的發(fā)動(dòng)機(jī)管路測(cè)量方法，該方法將規(guī)范測(cè)量環(huán)境及測(cè)量流程，以及管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模過(guò)程，實(shí)現(xiàn)快速?gòu)墓苈伏c(diǎn)云數(shù)據(jù)提取管路裝配特征。

2、為了達(dá)到以上目的中的一個(gè)或多個(gè)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、步驟s1：在測(cè)量前，選擇三維激光掃描儀，并進(jìn)行配置和校準(zhǔn)，進(jìn)行掃描測(cè)試，并對(duì)掃描環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，然后獲取管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

4、步驟s2：使用kd-tree(k-dimensional?tree)對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離群點(diǎn)誤差去噪；

5、步驟s3：使用高斯濾波器對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差去噪；

6、步驟s4：對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，識(shí)別和隔離管路的各個(gè)部分(直線段、彎頭、接頭)；

7、步驟s5：管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，獲得管路的數(shù)字模型；

8、步驟s6：對(duì)比分析管路原始點(diǎn)云和管路模型，對(duì)管路測(cè)量的誤差進(jìn)行評(píng)估。

9、在某實(shí)施例中，所述步驟s1包括以下步驟：

10、步驟s101：在測(cè)量前，選擇三維激光掃描儀，包括跟蹤式激光掃描儀和手持式激光掃描儀，并配置光學(xué)動(dòng)態(tài)跟蹤器；

11、步驟s102：在測(cè)量位置安裝光學(xué)跟蹤器，確保跟蹤器穩(wěn)固地放置在平穩(wěn)的表面上，并且其視線能夠覆蓋整個(gè)測(cè)量過(guò)程中三維激光掃描儀可達(dá)到的區(qū)域，并將三維激光掃描儀與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行配置和校準(zhǔn)，設(shè)置掃描速度、分辨率和掃描模式；

12、步驟s103：在校準(zhǔn)完成后，進(jìn)行掃描測(cè)試，以驗(yàn)證設(shè)備的配置和校準(zhǔn)是否正確，并對(duì)掃描環(huán)境進(jìn)行調(diào)整；

13、步驟s104：根據(jù)管路結(jié)構(gòu)，采用不同的掃描策略，使用三維激光掃描儀獲取管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

14、在某實(shí)施例中，所述步驟s2包括以下步驟：

15、步驟s201：利用管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建kd-tree(k-dimensional?tree)；

16、步驟s202：設(shè)置kd-tree的搜索參數(shù)，搜索點(diǎn)云的鄰近點(diǎn)；

17、步驟s203：將每個(gè)點(diǎn)云的局部密度與閾值比較，標(biāo)定離群點(diǎn)，局部密度遠(yuǎn)低于平均水平的點(diǎn)會(huì)被認(rèn)定為離群點(diǎn)。；

18、步驟s204：將標(biāo)定的離群點(diǎn)從管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)中剔除；

19、步驟s205：剔除離群點(diǎn)后，對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，改善管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

20、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：對(duì)于測(cè)量環(huán)境的混亂、管路材質(zhì)表面的反光性質(zhì)、光路被遮擋或因掃描過(guò)程中不可避免采集到的的桌面或夾具等其他物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)等因素引起的離群點(diǎn)誤差，采用基于kd-tree的聚類算法剔除此類離群點(diǎn)。kd-tree可以高效地查詢數(shù)據(jù)點(diǎn)的鄰近點(diǎn)。通過(guò)kd-tree算法搜索某點(diǎn)的鄰近點(diǎn)，計(jì)算點(diǎn)之間的距離，并設(shè)置合理閾值去除距離大于該閾值的鄰近點(diǎn)，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行迭代能夠達(dá)到去除絕大部分離群點(diǎn)的目的，從而提升管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

21、在某實(shí)施例中，所述步驟s3包括以下步驟：

22、步驟s301：設(shè)置高斯濾波器的高斯核尺寸和標(biāo)準(zhǔn)差，高斯核的大小決定了濾波過(guò)程中考慮的鄰近點(diǎn)的數(shù)量，高斯濾波的標(biāo)準(zhǔn)差決定了權(quán)重分布的形狀；

23、步驟s302：計(jì)算高斯權(quán)重，對(duì)于高斯核內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)，根據(jù)其距離中心點(diǎn)的距離計(jì)算高斯權(quán)重，距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其權(quán)重越??；

24、步驟s303：利用高斯權(quán)重對(duì)每個(gè)點(diǎn)云的鄰近點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，使用高斯權(quán)重對(duì)鄰近點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均，以此更新每個(gè)點(diǎn)的位置；

25、步驟s304：對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)應(yīng)用高斯濾波器，去除較高階次的噪聲；

26、步驟s305：高斯濾波后，對(duì)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，重新計(jì)算法線和其他關(guān)節(jié)特征。

27、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：高斯濾波使用高斯函數(shù)作為權(quán)重，對(duì)點(diǎn)云中的點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，能夠有效平滑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲，同時(shí)保留重要的結(jié)構(gòu)信息。

28、在某實(shí)施例中，所述步驟s4包括以下步驟：

29、步驟s401：利用管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取管路軸線，可以識(shí)別管路的走向，先提取管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一條邊界線，以邊界線上的點(diǎn)和法矢生成截面，截面與點(diǎn)云相交構(gòu)成圓環(huán)，圓心即為管路軸線上的點(diǎn)；

30、步驟s402：對(duì)于管路軸線上的每個(gè)點(diǎn)云，計(jì)算曲率，可以識(shí)別管路的彎曲部分和連接區(qū)域，高曲率區(qū)域?qū)?yīng)于管路的彎頭或連接部分，而低曲率區(qū)域則表示直線段；

31、步驟s403：計(jì)算管路點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的表面法線方向，通過(guò)在每個(gè)點(diǎn)的局部鄰域內(nèi)使用主成分分析，可以估算出表面法線，法線方向的變化標(biāo)志著管路幾何形狀的變化；

32、步驟s404：將具有相似特征的點(diǎn)云聚集成連續(xù)區(qū)域，從選擇種子點(diǎn)開(kāi)始，然后逐漸將具有相似特征(如相似曲率、法線方向)的鄰近點(diǎn)云加入到同一區(qū)域；

33、步驟s405：根據(jù)管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何特征進(jìn)行點(diǎn)云聚類，將管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)分成不同的幾何形狀組，每組代表管路的一個(gè)特定部分；

34、步驟s406：通過(guò)擬合算法將管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合幾何模型，并根據(jù)管路點(diǎn)云的幾何模型進(jìn)行模型分割；

35、步驟s407：將幾何特征相似的區(qū)域合并，以形成更完整和連續(xù)的管路部分。

36、在某實(shí)施例中，所述步驟s5包括以下步驟：

37、步驟s501：創(chuàng)建管路的參數(shù)化模型，為管路的不同部分制定模型，這些模型需具有可調(diào)整的參數(shù)，這些參數(shù)使模型能夠適應(yīng)實(shí)際管路的尺寸和形狀；

38、步驟s502：利用分割后的管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)和參數(shù)化模型求解每個(gè)模型的具體參數(shù)，使其與實(shí)際的點(diǎn)云數(shù)據(jù)盡可能吻合；

39、步驟s503：將管路的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分段模型，對(duì)于每個(gè)通過(guò)特征分割識(shí)別的部分，使用對(duì)應(yīng)的參數(shù)化模型來(lái)替代原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

40、步驟s504：將所有分段模型組合，并進(jìn)行光順處理，完成管路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向建模。

41、在某實(shí)施例中，所述步驟s6包括以下步驟：

42、步驟s601：利用geomagic?design?x軟件進(jìn)行重構(gòu)管路模型精度分析，該軟件能提供詳細(xì)的誤差測(cè)量和可視化，有助于識(shí)別和量化誤差，利用該軟件可以求解初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)到重構(gòu)模型的距離；

43、步驟s602：制作重構(gòu)管路模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的偏差云圖，依據(jù)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)到重構(gòu)模型的距離不同，給點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦予不同的顏色，這種圖表可以直觀地顯示誤差的大小和分布；

44、步驟s603：對(duì)比分析重構(gòu)管路模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的擬合精度，對(duì)管路測(cè)量的誤差進(jìn)行評(píng)估。

45、本發(fā)明的有益效果至少包括如下之一：

46、1)、本發(fā)明提出了非接觸測(cè)量技術(shù)在管路類零件三維點(diǎn)云獲取過(guò)程中的流程規(guī)范。

47、2)、本發(fā)明總結(jié)出了一套適用于發(fā)動(dòng)機(jī)管路數(shù)據(jù)點(diǎn)云的處理方法，實(shí)現(xiàn)了管路點(diǎn)云的特征提取和處理分析。

48、3)、本發(fā)明通過(guò)三維激光掃描儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)管路，不僅可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)管路裝配的時(shí)間成本，還可以減少對(duì)管路的磨損。