大尺寸自由曲面部件组合测量现场全局标定优化方法与应用

为了解决全局测量与局部精度控制的矛盾,为大尺寸复杂尺寸测量提供科学依据,研究了集成激光跟踪仪与光学扫描仪的组合测量及其全局标定。在扫描仪固定机构上建立了基坐标系,为激光跟踪仪提供了位姿观测基准。通过变换标定系统各组件的相对位姿以获取冗余观测数据,采用测量平差优化技术完成了扫描仪基坐标系与自身测量坐标系间的坐标转换关系的标定。此过程在测量之前完成,降低了对测量过程的干扰。利用激光跟踪仪实现了光学扫描仪的实时位姿监测,结合基坐标系标定结果实现了局部视角测量数据的统一转换。基坐标系的标定在测量之前完成,全局标定无需中介标定装置的辅助,减少了坐标转换环节并提高了测量精度与效率。对比实验表明,提出的全局标定与测量技术可有效地控制整体测量误差,能够满足飞机装配质量的在线检测需求。     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

通用机器人视觉检测系统的全局校准技术

介绍了基于通用机器人的车身在线柔性视觉检测系统的工作原理和在复杂现场环境下使用激光跟踪仪和测量臂进行全局校准的实用方法。基于测量姿态的全局校准方法利用机械约束将传感器坐标系和靶标坐标系统一起来,实现测量姿态时传感器坐标系与系统基准坐标系的坐标转换。基于机器人运动学模型的全局校准方法利用机器人末端关节位姿可通过正向运动学获知的特点,在现场构建机器人基坐标系,并通过坐标变换获得与机器人运动精度无关的手眼关系,实现了任意姿态时的全局校准。实际测量的结果表明,应用两种校准方法后系统的重复性精度都十分理想,测量装置重复测量标准差和系统重复测量标准差分别为0.07mm和0.13mm,能够满足在线监控白车身加工尺寸变化的精度要求;系统进行坐标测量时的误差分别为±0.2mm和±0.8mm。     

基于多传感融合的吊装过程监测系统联合标定方法研究

为实现大尺度产品部件吊装对接实时位姿安全监控,利用多传感器数据融合技术,组建了包括单目视觉系统、九轴MEMS以及激光测距传感器的多传感器联合测量系统-集成测量单元。针对组建的集成测量单元设计了多传感器联合测量系统联合标定的方法,该方法借助于工业机器人首先将单目视觉系统与九轴MEMS标定于集成测量单元坐标系,然后借助单目视觉系统和工业机器人将激光测距传感器的激光射线的空间直线方程标定于集成测量单元坐标系中,最终将单目视觉系统、九轴MEMS以及激光测距传感器联合标定于统一的集成测量单元坐标系下,完成联合标定。最后经过实际试验的数据分析以及误差验证,该方法完全满足吊装过程监测任务的精度与特性要求。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

线结构光多视觉传感器现场同步校准方法

现有线结构光多视觉传感器现场校准通常需要先完成线结构光视觉传感器局部标定,再进行多视觉传感器全局校准,效率低、且在搬运过程容易对线结构光视觉传感器局部标定结果造成影响,降低测量系统精度。针对以上问题,提出一种可以同步实现线结构光视觉传感器局部标定和多视觉传感器全局校准的现场同步校准方法。该方法以自由移动三次以上的一维靶标为中介,将两个无共同视场的线结构光视觉传感器联系在一起。以一维靶标特征点距离已知为约束条件,由交比不变性,得到所有一维靶标点及光条与一维靶标相交点在各线结构光视觉传感器图像坐标系下的图像坐标,进而求解出两个线结构光视觉传感器之间的转换矩阵和一维靶标特征点及光条与一维靶标相交点在全局坐标系下三维坐标,通过拟合求解全局坐标下的光平面方程,采用非线性优化算法求解出两个线结构光视觉传感器间的转换矩阵与光平面方程的最优解。如果视觉传感器多于两个,可通过两两校准方式实现多个视觉传感器现场校准。试验结果表明,该方法同步校准方均根误差可优于0.14 mm。     

机器人柔性坐标测量系统现场校准技术研究

机器人柔性坐标测量系统能够实现大型工件尺寸在线快速测量,是自动化生产线的关键质量监控设备.现场校准技术是柔性坐标测量系统的关键技术之一,校准精度直接影响系统测量精度.现场精确建立机器人末端工具坐标系与视觉传感器坐标系形成的手眼关系、机器人运动学模型参数以及机器人基坐标系是现场校准的主要内容.通过设计中间靶标,利用激光跟踪仪直接测量的方法建立手眼关系,其转换精度不受机器人运动学误差影响;设立校准球体,实现基于距离不变模型的连杆参数现场快速校准;根据机器人正向运动学模型和激光跟踪仪的测量,利用基于奇异值分解的配准方法求解转换矩阵,高精度地建立机器人基坐标系.经过激光跟踪仪一次校准后,测量系统可利用基准球体实现机器人快速在线校准,减小模型参数变化对测量系统精度的影响.试验证明,校准后的测量系统整体误差低于0.2 mm.     

线结构光视觉传感器的现场标定方法

建立了线结构光视觉传感器的数学模型,提出了一种基于共面标定参照物的线结构光视觉传感器的现场标定方法。该方法允许共面标定参照物在测量空间内自由移动,通过以摄像机三维坐标系为中介,将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到全局世界坐标系中,利用构建的标定特征点在现场对线结构光视觉传感器进行标定,因此可以保证线结构光视觉传感器的标定状态与测量状态完全一致。该标定方法降低了标定设备的成本,简化了标定过程,提高了线结构光视觉传感器工程化应用的便捷性。试验结果表明,该方法切实可行。     

基于消影点的机器人视觉测量系统标定方法

本文提出了基于消影点的机器人视觉测量系统标定方法。首先,利用激光跟踪仪对机器人连杆扭角进行标定;然后通过靶平面上直线与靶平面的消影线,确定摄像机的姿态;再根据世界坐标系相对机器人基坐标系不变的约束,求解机器人与摄像机的旋转矩阵;最后利用距离约束对手眼关系的位移量以及机器人连杆长度及连杆距离误差进行优化求解。经过标定,机器人视觉测量系统测量精度提高了10倍。     

基于手眼系统的线结构光焊缝跟踪系统设计

为了实现一般手眼系统与线结构光焊缝跟踪系统主要部件的复用,在一般手眼系统的基础上,加装激光器、滤光片、保护装置等设备,将其用作焊缝跟踪系统中的线激光结构光焊缝跟踪传感器。通过实验对原手眼系统的标定结果进行实验修正,使其可以替代线结构光焊缝跟踪传感器的标定。详细分析了安装激光器、滤光片、保护装置等对原手眼标定结果造成的影响,使用数据逼近的方法提高线激光结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定精度;实验时先对手眼系统进行标定,得到相机坐标系到工具坐标系的原外参矩阵;再对使用原外参矩阵得到的焊点数据,与焊点的实际坐标的误差进行分析,修正手眼系统标定结果。通过实验验证了本方法在手眼系统标定结果基础上,进行加装机构后的线结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定的平均精度可达0.53 mm,能够满足机器人焊接的需求。     

基于一维靶标的多视觉传感器全局校准

基于交比不变性原理和一维靶标点共线的特点,提出了一种多视觉传感器全局校准方法。以一个视觉传感器坐标系为基础,建立全局坐标系,称该视觉传感器为基础视觉传感器。将一维靶标在基础视觉传感器和待校准视觉传感器前合适位置摆放至少两次。对每个视觉传感器,根据拍摄得到的三个或三个以上靶标点图像坐标,由交比不变性原理,求解不在视场区域的靶标点图像坐标。结合靶标点之间的距离约束,求解待校准视觉传感器到基础视觉传感器的转换矩阵。根据一维靶标特征点共线的特点,通过捆绑调整方式得到转换矩阵的最优解。最后通过两两视觉传感器校准的方式完成多视觉传感器全局校准。该方法不需外部辅助设备、简单灵活,实用性强。试验证明全局校准精度可达0.041mm。     

基于双平面靶标的多视觉传感器现场全局校准

针对现有多视觉传感器全局校准方法多依赖外部辅助设备的问题,提出一种基于双平面靶标的多视觉传感器现场全局校准方法。以其中一个视觉传感器为基础视觉传感器,建立全局坐标系。根据基础视觉传感器与待校准视觉传感器之间的位置关系,调整固定两个平面靶标之间位置。将双平面靶标无约束移动多次(至少三次),每个视觉传感器可以“看”到对应的平面靶标。以两个平面靶标之间位置关系不变为约束条件,求解待校准视觉传感器坐标系到全局坐标系的转换矩阵,通过非线性优化方法求解转换矩阵在最大似然准则下的最优解。当视觉传感器多于两个时,通过两两视觉传感器校准的方式完成多视觉传感器现场全局校准。试验证明该方法灵活方便,切实可行。     

Global calibration method of multi-sensor vision system using skew laser lines

Multi-sensor vision system plays an important role in the 3D measurement of large objects.However,due to the widely distribution of sensors,the problem of lacking common fields of view (FOV) arises fre...     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

基于线结构光参考平面的多摄像机标定方法研究

多摄像机视觉测量系统中不同视觉传感器空间分布广,无公共视角,现场标定十分困难。针对多摄像机标定问题,研究了一种基于线结构光参考平面的灵活标定方法。标定过程中,以空间中同时覆盖相邻摄像机视角的结构光平面作为标定参考基准,在不同摄像机视角中,自由移动平面靶标多次,确保每次移动后靶标与结构光相交,并能在各自摄像机中清晰成像,摄像机拍摄靶标图像。提取靶标图像中角点坐标、激光光条特征点坐标。借助靶标平面与摄像机坐标系外部参数矩阵,求解激光光条特征点在对应摄像机坐标系中坐标。通过结构光基准平面内,不同摄像机坐标系中至少3组非共线特征点坐标信息,求解相邻摄像机外部参数。分别进行标定试验和精度验证试验,试验结果表明该方法切实可行。     

Improving integrity of on-line grammage measurement with traceable basic calibration

The automatic control of grammage (basis weight) in paper and board production is based upon on-line grammage measurement. Furthermore, the automatic control of other quality variables such as moisture, ash content and coat weight, may rely on the grammage measurement. The integrity of Kr-85 based on-line grammage measurement systems was studied, by performing basic calibrations with traceably calibrated plastic reference standards. The calibrations were performed according to the EN ISO/IEC 17025 standard, which is a requirement for calibration laboratories. The observed relative measurement errors were 3.3% in the first time calibrations at the 95% confidence level. With the traceable basic calibration method, however, these errors can be reduced to under 0.5%, thus improving the integrity of on-line grammage measurements. Also a standardised algorithm, based on the experience from the performed calibrations, is proposed to ease the adjustment of the different grammage measurement systems. The calibration technique can basically be applied to all β-radiation based grammage measurements.     

Improving the integrity of IR based online moisture measurement used in the paper and board industry

The automatic control of product moisture content in the paper industry is based upon online moisture measurement. Furthermore, the automatic control of other quality variables such as coat weight may also rely on the moisture measurement. The integrity of infrared radiation (IR) based online moisture measurement systems was studied by performing basic calibrations at the mills with references sealed between two glass plates. The calibrations were performed according to the EN ISO/IEC 17025 standard which is a requirement for calibration laboratories. The observed measurement errors were 2.9% moisture in the first time calibrations at the 95% confidence level. It is demonstrated that these errors can be reduced to under 0.5% moisture by applying traceable methods in the basic calibration, thus improving the integrity of online moisture measurements. Also a standardised algorithm, based on the experience from the performed calibrations, is proposed to ease the adjustment of different moisture measurement systems.     

基于一维靶标的多摄像机现场全局校准

基于一维靶标特征点共线的特点,提出一种多摄像机全局校准方法.以其中一个摄像机坐标系为基础,建立全局坐标系,称该摄像机为基础摄像机.在基础摄像机与待校准摄相机前将一维靶标无约束摆放至少两次.计算每个摆放位置一维靶标所在空间直线在图像中的消影点.结合一维靶标点共线的特点,分别求解全部一维靶标点在两个摄像机坐标系下三维坐标.通过两个摄像机坐标系下一维靶标对应特征点的三维坐标求解待校准摄像机坐标系到基础摄像机坐标系的转换矩阵,采用非线性优化方法求解转换矩阵的最优解.当摄像机多于两个时,通过两两摄像机校准的方式完成多摄像机全局校准.该方法不需要高精度外部辅助设备、简单灵活、实用性强.试验证明该方法灵活方便,切实可行.     

Calibration procedures and uncertainty analysis for a thermal mass gas flowmeter of a new generation

This paper deals with the differences between traditional and new technology gas meters, and focuses specifically on the calibration procedure and uncertainty evaluation of CTTMFs (Capillary Type Thermal Mass Flow Meter). In particular, measurements performed on a sample set of commercial CTTMFs for natural gas in domestic/residential (G4) applications allowed to evaluate the modifications to calibration procedures required by the new generation, digital, gas flow meters. Indeed, traditionally natural gas is metered by means of volumetric measurement techniques, while the modern, static gas flow meters (thermal and ultrasonic ones) are based on electronic flow sensors. This implies that the gas volume through the meter is measured by sampling the flow rate at selected time points and integrating the flow rate in time. The measurement time becomes therefore an important parameter, thus requiring a thorough rethinking of the calibration procedure. In order to analyse the effects of the various parameters, a series of ad-hoc calibrations were performed. Specifically, one set of calibrations was performed with constant totalized volume, while the other required a constant measurement time. In order to highlight the novelties that will have to be implemented in ordinary calibration procedures to get the best of the new technologies, the two procedures as performed on a sample set CTTMFs will be compared; the theoretical (generic) evaluation of the associated uncertainty will also be presented. Measurements were carried out at the test facility of INRIM, the Italian National Metrology Institute.     

大视场相机最优投影模型识别及星光标定方法

针对在轨摄影测量中近距离大尺寸测量需求,提出利用星光约束的大视场角摄影测量相机最优投影模型识别及标定方法。首先,构建了具备调节系数的星光几何投影分段函数模型。随后,针对分段星光投影模型开发多站位自标定光束平差算法。通过将光束平差算法与北方苍鹰寻优策略相结合,对投影模型调节系数、相机内方位参数、相机外方位参数及镜头畸变系数同步优化,直到星点像面重投影均方根误差达到全局最小,得到最优投影模型及其参数。实测实验表明,大视场角相机星光标定后,星点像面坐标的重投影均方根误差为1/9 pixel。在连续帧星光标定实验中,通过卡尔曼滤波算法对相机参数随机误差进行了有效消除。该方法可在相机星光标定过程中识别最优投影模型并标定全部成像参数,具备连续帧标定及参数校准能力。