灰色关联分析方法在双目视觉测量系统误差分析中的应用

针对双目视觉测量系统存在误差因素繁多、分析困难等问题,提出了一种基于灰色关联技术的误差分析方法。考虑视觉系统的灰色属性,将灰色系统理论及其相关技术运用于视觉测量系统的误差分析。以镜头畸变、质心定位误差及双目视觉系统内、外参数等9项因素或参数为自变量,通过基于单项因素变化的实验,获取了误差分析的数据样本;采用灰色数据处理方法及灰色关联分析技术,从无明显规律的数据样本中明确了视觉系统各项误差因素对最终测量精度的影响。分析结果证明了灰色理论用于定量分析视觉系统误差的正确性和有效性;在灰色理论意义下,镜头径向畸变、切向畸变、摄像机夹角及特征点质心定位误差4项因素对测量精度的关联度均大于等于0.859,高于其余误差因素。     

基于灰色预测恢复算法的流式细胞仪多参数提取

针对流式细胞仪测控系统由于脉冲信号信息不完整导致多参数提取存在误差的问题,提出了一种基于灰色预测恢复算法的多参数提取方法。利用基于GM(1,1)模型的灰色预测梯形递推信号恢复算法对脉冲信号进行高精度恢复,提高信号的信息完整性。同时,对直流恢复模块进行了优化设计,通过高速数字信号处理芯片对脉冲信号模拟偏移量及直流恢复进行反馈,提高直流恢复精度及信号信噪比。最后,搭建了测控系统实验环境,对该系统进行了验证。实验结果表明,多参数提取精度均在±1.5%范围内;同时可以将流式细胞仪检测细胞的速度提高到10万个/s。     

Spindle Thermal Error Optimization Modeling of a Five-axis Machine Tool

Aiming at the problem of low machining accuracy and uncontrollable thermal errors of NC machine tools, spindle thermal error measurement, modeling and compensation of a two turntable five-axis machine tool are researched. Measurement experiment of heat sources and thermal errors are carried out, and GRA(grey relational analysis) method is introduced into the selection of temperature variables used for thermal error modeling. In order to analyze the influence of different heat sources on spindle thermal errors, an ANN(artificial neural network) model is presented, and ABC(artificial bee colony) algorithm is introduced to train the link weights of ANN, a new ABCNN(Artificial bee colony-based neural network) modeling method is proposed and used in the prediction of spindle thermal errors. In order to test the prediction performance of ABC-NN model, an experiment system is developed, the prediction results of LSR(least squares regression), ANN and ABC-NN are compared with the measurement results of spindle thermal errors. Experiment results show that the prediction accuracy of ABC-NN model is higher than LSR and ANN, and the residual error is smaller than 3 lm, the new modeling method is feasible. The proposed research provides instruction to compensate thermal errors and improve machining accuracy of NC machine tools.     

多基地周视红外搜索系统的目标定位模型与精度分析

对周视红外搜索系统提出了一种新的目标定位模型,并推导了定位误差公式。研究了周视红外搜索系统中目标搜索定位的影响因素,包括搜索站站址误差,各站对目标定位的方位角误差、俯仰角误差以及目标距离等因素。采用矩阵分析方法推导了目标的三维坐标及相对各搜索基地的距离值。采用定位误差的三维几何分布（GDOP）图分析了三站、正方形四站、菱形四站及五站模式的搜索系统对目标的定位误差。仿真实验结果表明,与其它定位模型相比,这种针对周视红外搜索系统的四站正方形目标定位模型具有较高的准确度。     

Estimation of non-statistical uncertainty in precision measurement using grey system theory

A new uncertainty assessment method is proposed to characterize non-statistical uncertainties in precision measurement. The proposed method is based on grey system theory to address the problem involved in uncertainty assessment where the sampling size is small and the distribution of the data is unknown. The advantage of the proposed approach is that the requirements of the statistics based methods are removed. In the proposed method, an accumulated true size vector and an accumulated measurement data vector are established to reduce the effects of the errors in the measurement and in the numerical calculation. The uncertainty assessment is based on the l norm of the difference between the accumulation of the sorted measurement data vector and that of the true size vector. A number of computational and experimental tests were carried out. The results demonstrated the effectiveness and consistency of the proposed method in non-statistical uncertainty assessment, compared with the existing methods.     

Grey evaluation of non-statistical uncertainty in multidimensional precision measurement

A novel non-statistical method is proposed to evaluate the standard and mutual uncertainties in a multidimensional measurement based on the combined vector of measurands and the accumulated generating operation of grey system, which extends the grey theory of uncertainty in a precision measurement. The proposed method is applied in both statistical and non-statistical measurements, especially in cases of small sampling sizes or unknown distributions. Experiments and simulated computations were carried out. The results demonstrated the validity and consistency of the grey method, as compared to the statistical method, for evaluating multidimensional uncertainty.     

拼接镜新型粗共相检测方法

为了实现拼接镜平移误差的大量程、快速检测,提出了一种利用白光(400～700nm)远场光斑相干性来检测拼接镜piston误差的方法。该方法以两半圆孔间的非相干衍射图案为模板,利用互相关算法求解实际衍射图案与模板图案间的互相关系数,通过设定0.85阈值,实现拼接镜piston误差的粗共相检测。搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm,曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成,利用白光(400～700nm)远场光斑相干性测量拼接主镜各子镜间平移误差的方法进行了理论与仿真分析。利用波前探测器和主动光学技术实现了拼接镜精共焦误差的检测与调节,通过远场光斑相干性和主动光学技术实现了粗共相的检测和调节。实验表明:该方法耗时短、能量利用率高,可实现无限量程、±250nm精度的检测和调节,适合拼接镜的粗共相检测和调节。     

Robust particle filter for state estimation using measurements with different types of gross errors

For industrial processes, the state estimation plays a key role in various applications, such as process monitoring and model based control. Although the particle filter (PF) is able to deal with nonlinear and non-Gaussian processes, it rarely considers the influence of measurements with gross errors, such as outliers, biases and drifts. Nevertheless, measurements of dynamical systems are often influenced by different types of gross errors. This paper proposes a robust PF approach, in which gross error identification is used to estimate magnitudes of gross error. The gross errors can be removed or compensated so that a feasible set of particle sampling can contain the true states of the system. The proposed robust PF approach is implemented on a complex nonlinear dynamic system, the free radical polymerization of styrene. The application results show that the proposed approach is an appealing alternative to solving PF estimation problems with measurements containing gross errors.     

复杂坏境下基于SINS/UWB的容错组合定位技术研究

针对超宽带无线定位系统在复杂坏境中出现的定位数据丢失以及粗大误差等导致SINS/UWB组合系统定位精度下降的问题,提出了一种基于超宽带定位系统容错判断的组合定位方法。首先根据捷联惯导测量值进行基于中值滤波的运动载体静止状态检测,进而利用最小二乘法实现静止状态下捷联惯导量测偏差矫正;然后在建立SINS/UWB组合定位模型的基础上,引入决策树容错判断机制,对超宽带定位系统在复杂环境中由于信号干扰以及非视距导致的测量数据丢失以及粗大定位误差进行实时评估,进而应用卡尔曼滤波算法,实现容错组合定位系统的构建。在搭建的SINS/UWB组合定位实验平台中进行模型验证,结果表明容错组合定位系统能够有效检测出UWB定位系统出现的定位数据丢失以及粗大定位误差,并且在UWB粗大误差状态持续6 s的情况下,容错组合定位系统仍然能够保持较高的定位精度。     

频域时空图像测速法的图像滤波器敏感性分析

时空图像测速法是以河流表面图像中测速线为分析区域、通过检测合成时空图像的纹理主方向计算得到一维时均流速的测量方法,具有空间分辨率高、实时性强的特点。在实际应用中纹理主方向的检测精度难免会受到水面紊流、倒影、耀光、障碍物、降雨等环境扰动的影响,导致测量出现粗大误差。频域滤波技术是一种抑制噪声的有效方法,能显著提高时空图像的纹理清晰度。但现有研究在滤波器参数的敏感性分析方面存在不足,使得该方法的适用性受限。对此通过在水文站搭建在线视频测流系统采集了不同条件的河流水面视频数据,分析了6种典型场景下时空图像的空域及频域特性,进而开展了频域扇形滤波器方向角、通带夹角及半径参数的敏感性分析实验。实验结果表明：采用提出的椭圆形积分区域检测方向角优于现有的单像素宽直线;当设置通带夹角为±5.3°且半径为R/2时,滤波器在上述场景下均能有效地滤除噪声干扰。使得时空图像纹理主方向的检测精度在正常场景下达到0.1°,在复杂含噪场景下控制在0.5°以内,表面流速测量的相对误差小于6.2%。     

结合激光准直的二维转角动态测量系统

为了克服现有二维转角动态测量方法结构复杂、成本昂贵的缺点,提出了结合激光准直的二维转角动态测量方法。首先,根据二维转角测量的关键问题提出基于激光准直的测量方法,采用准直激光作为测量基准,以远端的位置探测器作为检测器件。接着,设计测量系统和各组成模块,根据测量要求对系统中的关键模块进行设计和优化。然后,具体设计系统中的测量算法,完成测量模型建立。最后,在±2°范围内进行实验测试和分析。实验结果表明:系统可动态测量,稳定性好,测量重复性误差为1μrad,X轴非线性误差为1.8%,Y轴非线性误差为1.7%,动态带载响应频率在±0.01°内优于200Hz,基本满足二维转角测量的高精度、高重复性、高稳定性的要求。     

基于灰自助模型的气压动态测量结果评估方法

通过融合灰色模型GM(1,1)、Bootstrap方法以及不确定度评定理论,建立了气压动态测量结果的灰自助评估模型GBM(1,1),并选取估计真值、估计区间和平均不确定度等参数描述其估计结果。实验结果表明,GBM(1,1)模型融合了灰色模型GM(1,1)和Bootstrap方法的优势,可以准确模拟动态测量数据的概率分布,并跟踪动态测量过程中被测量的变化趋势,其估计误差最大值和平均值均小于原始数据的测量误差最大值和平均值。区间估计的可靠度高于96%,估计区间能够较完整地包络被测量的动态波动范围,由此证明GBM(1,1)模型能够提高气压测量精度,并可对动态测量结果的不确定度做出准确评估。     

基于灰自助最大熵法的机床加工误差的调整

基于灰自助最大熵法,进行了机械制造工艺中输出的误差分布及机床加工误差调整研究。在分析误差分布时,首先运用自助法对当前少的信息量进行自助再抽样得到大量样本数据,然后利用灰色系统理论建立误差的灰自助动态预报模型GBM(1,1),最后用最大熵法获得了输出误差的概率分布。根据输出误差的概率分布,对机床的加工误差进行调整,使加工的产品误差满足要求。计算机仿真和实际案例的研究表明,灰自助最大熵法能够对机床进行准确调整,且预报准确率高。     

大管径超声波测流误差的影响因素及修正分析

流量测量是影响水轮机效率测试精度最主要的因素。大管径流量测量的方法主要采用超声波法,然而,其测量精度及误差构成尚无有效的校验方法。结合时差法超声波流量计的测流原理,推导得到流量综合误差,建立测流误差描述模型。提出一种基于流量测量理想系统来进行误差分析的量化方法,为超声波测流系统的误差分析与控制提供一种新的途径。通过测流理想系统对超声波测流精度的影响因素进行仿真研究,分析了各项参数测量误差对系统综合误差的影响,针对影响较大的主导因素提出了相关修正方法,并对系统综合误差的控制进行了分析。最后搭建实验系统进行研究,实验结果初步验证了该方法的有效性。     

On-Machine Measurement of the Straightness and Tilt Errors of a Linear Slideway Using a New Four-Sensor Method

Although there are some multi-sensor methods for measuring the straightness and tilt errors of a linear slideway, they need to be further improved in some aspects, such as suppressing measurement noise and reducing precondition.In this paper, a new four-sensor method with an improved measurement system is proposed to on-machine separate the straightness and tilt errors of a linear slideway from the sensor outputs, considering the influences of the reference surface profile and the zero-adjustment values. The improved system is achieved by adjusting a single sensor to di erent positions. Based on the system, a system of linear equations is built by fusing the sensor outputs to cancel out the e ects of the straightness and tilt errors. Three constraints are then derived and supplemented into the linear system to make the coe cient matrix full rank. To restrain the sensitivity of the solution of the linear system to the measurement noise in the sensor outputs, the Tikhonov regularization method is utilized. After the surface profile is obtained from the solution, the straightness and tilt errors are identified from the sensor outputs. To analyze the e ects of the measurement noise and the positioning errors of the sensor and the linear slideway, a series of computer simulations are carried out. An experiment is conducted for validation, showing good consistency. The new four-sensor method with the improved measurement system provides a new way to measure the straightness and tilt errors of a linear slideway, which can guarantee favorable propagations of the residuals induced by the noise and the positioning errors.     

正交试验下基于FMMESA和GRA的环境应力-故障关联分析

环境应力是导致机电系统故障的主要原因,环境应力因素与机电系统故障间存在复杂的关联关系。首先,在故障模式、机理及影响分析方法的基础上,提出故障模式、机理、环境应力分析方法,用于定性分析导致机电系统故障的环境应力因素。其次,以定性分析结论为指导,应用加权评判法和正交试验设计法优化设计环境应力试验方案。然后,以试验数据为基础,应用灰色系统理论,提出环境应力特征与故障灰色关联分析方法,用于定量分析环境应力及其特征与故障的关联关系。最后,进行案例应用与分析。实验结果表明,所提出的方法能在优化后的试验次数情况下定性并定量的分析出影响系统故障的主要环境应力及其特征,可用于指导机电系统测试性虚拟试验中的环境建模、环境应力等级评定等,还可以作为故障检测、诊断与预测的信息基础。     

大型圆柱壳体装配平台测量系统的误差标定方法

为了保证大型圆柱壳体装配平台的制造精度,设计了适用于大型壳体尺寸采集的测量系统,并对其进行了误差标定。首先,根据机构形式和受力情况,分析了系统的误差来源,采用修正 D-H 参数法建立了包含系统几何参数误差和柔性误差的误差模型。其中,柔性误差由立柱和机械臂的弯曲产生。其次,在误差模型建立完成后,提出了测量系统误差参数的计算方法:使用控制变量法进行多组实验,计算得到了立柱的柔度参数和机械臂弯曲偏移角,通过迭代最小二乘法辨识出几何参数误差,经三次样条插值得到了整个工作空间内的立柱柔度参数和机械臂弯曲角,并对系统误差进行了补偿。最后,通过实验验证了误差标定算法的有效性。     

全波形激光测距幅相误差改正方法

针对全波形激光测距中存在的幅相误差问题,提出一种基于神经网络的幅相误差改正方法。利用非合作目标探测信息,通过提取回波波形的形状信息、能量信息、梯度信息、对称性信息及距离信息特征参数,根据皮尔逊相关系数对特征参数进行分级,建立多回波特征信息与幅相误差改正的神经网络模型以校正全波形激光测量中各通道幅相误差的影响。实验使用5%、20%、60%、80%标准反射板及激光采集模块在室内对7种距离进行数据分组采集和处理,并与传统测量方法进行对比。结果表明,该方法可以有效减小全波形激光测量中幅相误差的影响,测量精度提高了51.2%以上。     

采用相移干涉原理的平面度测量系统误差分析与校正

相移干涉法具有非接触、快速和高精度等优点,采用实验室组建的相移干涉系统进行平面度测量时,会产生280nm左右的测量误差。通过对系统误差的分析,发现由扩束器产生的波像差是测量误差的主要来源。为了校正该测量误差,采用Zernike多项式拟合波前像差,然后在平面度测量时扣除该数值拟合结果。实验结果表明,这种误差校正方法可以使λ/4平面反射镜的测量结果从误差校正前的320nm左右减小到120nm左右。     

基于激光测距的机载光电成像系统目标定位

针对小型机载光电平台无法准确获取视轴指向问题,设计了一种基于激光测距的目标定位算法。利用机载光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标多次测量,采用激光测距装置获取目标与载机间的距离信息。根据WGS-84定义的地球椭球模型建立系统的测量方程。考虑到测量方程的非线性,利用扩展卡尔曼滤波对目标位置进行估计。该定位方法精度只受到GPS接收机定位精度和激光测距机测量精度的影响,目标定位误差与机载光电侦察设备视轴指向测量无关。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置测量误差及激光测距系统位置误差对目标定位的影响,结果显示该算法定位精度较高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度8 000 m时,目标定位精度优于8 m。相比于传统定位算法,该方法可将定位精度明显提高。同时此定位方法易于部署,可操作性强,具有较大的应用价值。