基于空间矢量约束的煤矿掘进机组合测量方法

为了解决煤矿掘进机位姿测量的问题, 将一组反向同轴安装的工业相机和捷联惯性导航系统组装成测偏单元, 并结合视觉测量和惯性导航技术提出了一种基于空间矢量约束的实时位姿组合测量方法。该方法通过测偏单元测得激光指向仪光源光斑的空间矢量、掌子面光斑的空间矢量和掘进机的姿态信息, 建立空间矢量约束方程以及坐标系转换得到掘进机位置信息, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过该方法能得到掘进机实时位姿的六自由度信息。该方法可用于煤矿掘进机的位姿测量, 具有广阔的应用和发展前景。     

基于视觉/惯导的掘进机实时位姿测量方法研究

针对煤矿井下掘进机实时位姿自动检测的难题,通过分析比较现有几种位姿测量方法的优缺点,提出了一种基于视觉/惯导的掘进机位姿组合测量方法。该方法通过激光捷联式惯导系统得到掘进机的姿态信息、单目视觉测量掘进机的位置信息,从而实现掘进机实时位姿的5自由度测量。依托大柳塔煤矿的快掘设备对该方法进行了实验验证。结果表明,姿态测量精度为0.1°,静态漂移的标准差不大于0.25°,位置定位精度优于1cm。该方法能够用于掘进机实时位姿测量,具有广阔的工程应用前景。     

激光跟踪仪高精度测量运动物体位姿的研究

为了实现运动物体空间位姿高精度的实时测量,基于激光跟踪仪测量的地理坐标系的方法,采用两个激光跟踪仪分别瞄准运动物体首尾两处的标靶,两台激光跟踪仪同步触发采集数据,实时获取运动物体首尾两点的空间坐标数据,测量了运动物体在空间地理坐标系下的位置和姿态信息;利用自主研发的软件计算了运动物体的空间位姿,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,测量系统的稳定性与精度较好,所提出的测量方法能够满足高精度的空间位姿测量要求。     

基于特征识别的汽车复杂零件自校正检测系统

为了解决复杂零件在自动化装配过程中位置偏差与位姿偏角造成的装配问题,实现具有反馈调整能力的机械臂扫描控制,设计了基于激光三维扫描的实时检测系统。系统通过光栅扫描方式获取零件的三维面形数据,并利用边缘特征识别完成零件匹配,最终达到在工装环境下自动调整位置与位姿的目的。实验对SP165型机械臂进行控制,以6自由度参数作为检测精度的评价指标,分别对基于零件数模的仿真数据、固定扫描路径测试数据和自动调整扫描路径测试数据进行对比分析。结果显示,采用本系统完成自动路径调整的最大位置偏差和最大位姿偏角分别为0028mm和0026°,明显优于固定路径测试得到的0084mm和0095°,其位置偏差标准差与位姿偏角标准差分别提升了4倍和3倍。总之,本系统在自动化检测与控制领域具有一定的应用价值。     

芯片级原子钟核心器件识别与位姿测量

为了提高芯片级原子钟的自动化装配效率与装配精度,研究了一种粗-精结合的微器件位姿检测方法。首先,分析了微器件自身的特点、应用环境,提出利用图像梯度直方图特征训练SVM分类器来实现微器件粗定位的方法,同时通过构建遮挡样本和模糊样本以解决模型在微器件离焦模糊、遮挡情况下的漏检问题,提高模型泛化能力。然后,提出利用LSD算法和直线增长方法来提取目标边缘,计算得到图像亚像素的特征点坐标。最后,通过ICP算法计算微器件在显微视场下的实时位置和姿态。实验结果表明,原子钟核心器件的识别准确率为95.3%,定位平均误差小于20μm,角度误差小于0.5°,能够满足微装配过程中微加持器准确抓取目标器件的要求。     

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5~ 0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。     

基于面阵CCD图像检测的光电影像测量系统

图像检测技术可应用于零件微小间隙的测量.本文依据远心光学成像,将被测零件单元光学成像至面阵CCD相机靶面,对图像进行去滤波除噪、图像增强,将Sobel运算应用于基于梯度算法的图像边缘检测,并用修正实测标定系数的方法提高实测精度,能够胜任生产中不同环境下的微间隙测量.实验结果表明,测量精度为6μm,基本满足自动影像测量稳...     

基于最佳偏振角的线性位姿测量方法研究

在基于视觉图像的位姿测量中,非线性位姿测量算法的全局收敛存在不确定性,测量结果取决于初值的选取,不能保证位姿测量的鲁棒性。线性位姿测量算法对图像处理的要求比较高,如果定位特征点图像坐标提取不够精确,会导致位姿测量精度降低。在自然光条件下,相机采集定位特征点图像,图像中高亮度区域的存在对定位特征点提取精度产生影响,进而使有效定位特征点数量减少,影响位姿测量精度。针对上述问题,文中提出了一种基于最佳偏振角的线性位姿测量方法:在相机镜头前加装线偏振片,根据Stokes矢量建立偏振片最佳偏振角度求解模型,在使用最佳偏振角度的前提下采集定位特征点图像,提取图像坐标;建立线性位姿求解模型,计算被测物体位姿。实验结果表明,该方法能够有效减少图像中的高亮度区域,改善成像质量,提高线性位姿测量精度,在?60°~+60°的测量范围内,角度测量误差小于±0.16°,在0~20 mm的测量范围内,位移测量误差小于±0.05 mm。     

平面反射式二维光栅测量系统研究

针对超精密运动台的二维亚微米级精度同步测量需求，提出并建立了平面反射式二维光栅测量系统，研究了平面反射式二维光栅的平面位移同步测量方法，分析了平面反射式二维光栅测量系统的误差传递模型。通过Vold-Kalman滤波算法，对光栅信号中存在的高次谐波误差、幅值/相位误差进行实时修正和滤除。采用反正切细分算法和周期测量法对光栅正交脉冲的频率进行测量，实现对被测目标的高分辨率测量和实时运动速度测量。同时，构建了亚微米级测量精度的平面反射式二维光栅测量系统，测量范围为500 mm×500 mm,x、y方向的定位精度为±0.3μm，测量分辨率为0.005μm。     

基于球心拟合的多边激光跟踪系统自标定方法

随着大尺寸工件和设备的制造加工以及装配的精度要求提高,对工件加工装配过程进行测量的测量系统精度要求也有所提高。多边法激光跟踪三维坐标测量系统只利用距离测量数据解算空间点坐标,能够避免激光跟踪仪角度测量带来的误差。文中提出了一种通过在跟踪仪测头挂载夹具进行球心拟合来获取跟踪仪测量原点的方式进行系统自标定,并辅以移站的方式,可使用两台激光跟踪仪构建四站多边法激光跟踪三维坐标测量系统。另外,文中还尝试了三站系统的构建。实验证明,四站系统将对标称长度1000.943 mm位于约20 m处的标准尺长度测量误差由最大110 μm减小至28 μm,三站系统将对标称长度969.045 mm位于约7.5 m处的标准尺长度的测量误差由最大67 μm减小至21 μm,相较于单台跟踪仪提高了精度,相较于传统多边系统降低了测站数量和成本,能够在工业现场实现高精度三维坐标测量。     

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。     

采用相位板的中波红外共形光学系统设计

为了满足现代军事装备中的侦查需求,提出了一种新型的红外共形成像光学系统,在消除光学头罩引入的复杂像差过程中,采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正.给出了一个红外共形成像光学系统设计实例,其工作谱段为3.7μm～4.8μm,焦距为40mm,长径比为1.0,瞬时视场为2°,扫描视场为±15°.结果表明,在奈奎斯特频率...     

涡轮部件及螺柱标准件同轴度测量系统的研制

涡轮增压器与变速箱在精密机械制造行业中应用广泛,涡轮部件及螺柱标准件的尺寸准确度是涡轮增压器和变速箱装配精度的一个重要保证,其中同轴度是涡轮部件及螺柱标准件尺寸准确度的一个关键参数,根据涡轮部件及螺柱标准件的同轴度测量需求,研制了一套涡轮部件及螺柱标准件同轴度的测量系统,并基于LabVIEW开发了测量软件。通过实验对螺柱标准件M12的同轴度进行测量并完成测量不确定度评定。实验结果显示四次测量得到的同轴度误差在6.3~6.5 μm,扩展不确定度达2.6 μm,结论表明:研制的同轴度测量系统适用于涡轮部件及螺柱标准件同轴度的高精度测量。     

基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法

针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求,提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先,阐述了姿态测量系统的组成,并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义;其次,建立了姿态测量数学模型,在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合,并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析;最后,搭建了姿态测量实验平台,利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明:在[?30°, 30°]角度范围内,测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°,测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°;与单目视觉法相比,姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%,在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。     

基于聚类数据融合的装配轨迹自动修正算法北大核心CSCD

在大型结构件装配过程中,为了减小多激光雷达组网系统的测量误差,并实现装配轨迹的自动修正,设计了基于聚类算法的装配轨迹自动修正系统。通过聚类分析完成对站位布局的优化,利用残差补偿实现多站数据的融合,并完成了5种不同状态的单站及多站距离精度测试。实验结果显示,在单站精度几乎一致的条件下,经优化布局后的系统转站测量不确定度由1.25 mm提升至0.45 mm。在装配轨迹修正实验中,获得了半径为3.5 m圆域内激光雷达随偏转角变化的匹配数据规律。测试分析了5个位置点的坐标值与位姿偏移量,在三个轴向上的位置偏差均值分别为0.042 mm、0.033 mm和0.039 mm,位姿偏角均值分别为0.25°、0.23°和0.49°。可见,装配轨迹修正量与转站测量不确定度相近,该系统可以实现对装配过程的在线自动修正。其可有效降低多激光雷达组网系统的数据融合误差,在自动化装配领域具有一定的价值。     

连续波可调谐CO2激光在AgGaSe2中倍频研究

在一台小型连续波(CW)CO2激光器上用光栅调谐获得了从9.23-10.65μm范围内20条谱线输出,用一片8 mm×8 mm×15 mm红外非线性光学晶体AgGaSe2实现了上述谱线的二倍频输出。实验测得10P(20)谱线的倍频光输出为2.1μW,相位匹配接收外角△θ外·L=2.1°·cm。     

长焦距无热化星敏感器光学系统设计

光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450～1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0～40 °C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。     

机动雷达大型天线自动对接技术的研究

机动雷达大型天线阵面常采用多块天线子阵面吊装拼接的架设方式,架设时受架设效率低、吊装操作存在不确定因素等的制约,使得大型雷达的机动性较差。通过对大型天线阵面自动对接技术的研究,将目前已有的室内大型零部件自动对接技术应用到大型天线装配技术中,以实现机动雷达大型天线的快速装配。主要论述了机动雷达大型天线自动对接的工程原理和所需攻克的关键技术,其中包括数字化自动测量技术、天线位姿自动调节技术和伺服控制技术等;并对其主要功能的实现方法进行了研究。     

基于三维光学信息的人体姿态快速测量

汽车中人体姿态三维测量对汽车座椅设计的舒适性评价具有重要的意义。为了快速准确地获取车内人体三维数据,文中采用一种基于双目视觉的立体三维数据获取方法,该方法将结构光与标记点相结合,实现了人体三维点云快速重建以及三维姿态(距离、角度)自动快速测量。实验结果表明,该方法在距离2 m以上,测量范围1.5 m×2 m时,人体姿态测量精度可以达到0.03 mm,满足了汽车人体姿态高精度三维数据采集的需求。与传统的汽车人体姿态三维测量方法相比,文中所使用的三维自动测量方法不仅自动化程度高,而且具有测量精度高、速度快、鲁棒性强的优点。     

小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.