《三維空間各向異性測量點雲非剛性拼合理論方法》是依託華中科技大學，由李文龍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：三維空間各向異性測量點雲非剛性拼合理論方法
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李文龍
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
點雲拼合是複雜曲面零件原位精密檢測的一個關鍵問題，現有的基於剛性變換原理的建模與求解方法，難以滿足測量空間受限引起的各向異性點雲非剛性拼合需求，最終影響複雜曲面輪廓誤差評定精度。針對上述難題，本項目探索基於距離函式、Lie群/Lie代數、非線性最佳化的複雜曲面表示與操作方法，研究含空間尺度形變的非剛性拼合理論建模與最佳化求解，主要內容包括：定義新的自適應距離函式，研究其度量性質，用於描述點雲與設計曲面最近距離,推導測地分析下非剛性變換Lie群與運動變數的指數映射關係；建立各向異性測量點雲非剛性拼合非線性最小二乘最佳化模型，提出旋轉/尺度/平移等9維運動變數的線性求解方法，並結合幾何收斂性分析與數位化仿真結果，進一步完善各向異性點雲非剛性拼合理論；套用上述理論和方法，開發具有自主智慧財產權的複雜曲面原位檢測軟體模組，為提升我國航空、核電等支柱行業高性能複雜曲面零件精密檢測水平提供必要的技術手段。
結題摘要
葉片、氣道等複雜曲面零件是航空發動機、汽車發動機的核心動力部件，其製造水平直接影響發動機服役性能和安全可靠性。以葉片為例，大多採用不鏽鋼、鈦合金、鎳基高溫合金 等難加工材料，設計為薄壁、彎扭曲、曲面零件，加工工序多、周期長、加工難度大。葉片服役於高溫、高壓、高負荷下，蒸汽侵蝕、應力分布、表面溫度頻繁劇烈變化，引起蜂窩狀麻點、鏽蝕、燒傷等損傷，工件變形和長期高頻振動易導致葉片斷裂、圍帶飛脫、拉肋開焊，帶來災難性後果。點雲拼合是評估葉片製造精度的關鍵環節，現有的基於剛性變換原理的建模與求解方法，難以滿足測量空間受限引起的各向異性點雲非剛性拼合需求。本項目：（1）針對傳統拼合算法（ICP、TDM等）收斂速度慢、易陷入局部最優問題，定義自適應距離函式ADF作為描述點雲-曲面的最近距離，研究其度量性質和在各種曲面中的表達形式，推導非剛性指數映射中旋轉變換矩陣和平移變換矩陣的指數表達形式，為後續非剛性拼合數學建模、最佳化計算和仿真測試提供基礎。（2）建立了基於ADF距離表示的非剛性拼合數學模型，通過最小化一個非線性最小二乘目標函式快速計算出每步疊代的9維運動參數，並與傳統的基於點-點距離（ICP，1992）和點-切面距離（TDM，2006）方法進行了實驗比較，所提方法收斂速度快且收斂速度更穩定，研究成果發表在中國科學-E輯，具有國際先進性。（3）將數學形態學從二維空間擴展到三維空間，快速去除或弱化粗大噪音、孔洞、點雲密度不均等光學測量缺陷，提出形狀特徵保持的葉片點雲光順與精簡方法，建立葉片單/多截面幾何參數計算方法，研究成果發表在中國機械工程、ICIRA等權威期刊或國際會議。（4）在Visual Studio2005和OpenGL軟體環境下開發了航空發動機葉片、汽車發動機氣道檢測專用的iCloud3D V1.0軟體，開發了點雲拼合、點雲精簡、參數提取、三維色譜圖顯示等功能模組，研製出3D光學掃描裝置樣機Hust Scan I，並以航空葉片和發動機氣道為主要對象，進行曲面掃描、參數計算、輪廓檢測等實驗測試與初步套用，申報專利7項。 本項目共發表論文10篇（含SCI論文3篇）、申報國家發明專利7項（含授權3項），培養博士後1名、碩士研究生7名，研究成果在航空發動機葉片、汽車發動機氣道檢測中得到初步套用，順利完成了預期研究目標。
