星敏感器模型参数分析及校准方法研究

对星敏感器的实际测量模型和模型参数的校准方法进行了深入研究。首先,在星敏感器理想测量模型的基础上,充分考虑焦距偏差、光学系统的成像畸变、图像传感器感光面的倾斜、图像传感器感光面的旋转和主点偏差等因素对导航星实际成像位置的影响,用几何的方法建立了星敏感器的实际测量模型,其次,分析了各因素对星敏感器测角精度的影响规律;通过实测校准数据,借助最小二乘法求解模型参数,完成了星敏感器的校准。实验结果表明,测角精度得到了提高。     

Simplified Method for Joint Calibration of 3D Ladar and Monocular Camera

To address the problem of data fusion between monocular camera image with 3D data from laser detection and ranging (LADAR) sensor, this paper proposes a novel simplified scheme based on the planar feature method, which can meet the accuracy requirements of the joint calibration with fewer checkerboard calibration plate (CP) positions than traditional methods. First, a mathematical model of the joint calibration is established to obtain the calibration parameters. Secondly, the selection of positions and orientations of the CP are introduced and the corresponding influence to the calibration is analyzed. Then, the calibration result is optimized by using a nonlinear Levenberg-Marquardt (LM) optimization approach, and the distance residual method is utilized to estimate the accuracy. Finally, experimental results conclude that the minimum number of positions required to meet the joint calibration accuracy in the proposed method is 5, which is less than 12 in traditional methods.     

干涉型成像光谱仪在轨辐射定标技术应用

为提高干涉型成像光谱仪空间目标测量精度,降低传感器中各个探测元响应度差异,提升成像光谱仪在轨辐亮度测量准确性。提出了一种基于定标场反射率测量参数结合计算程序仿真与成像仪在轨测量数据比对的空间定标方法。首先在介绍高光谱定标概念的基础上,提出了不同光谱响应函数、不同场地条件下的高精度入瞳亮度计算方法;其次对干涉型成像光谱仪进行在轨相对辐射修正,校正传感器中各探测元相应度差异,利用反射率基法开展了在轨绝对辐射定标试验,针对可见光、近红外波段建立在轨辐射定标计算模型。解决了包括多种反射率场地、高精度测试区域指示的试验方案优化设计问题,实现了星载高分辨率干涉型成像光谱仪的在轨高精度定标。研究结果表明,采用该定标技术使成像光谱仪的在轨测量精度达到5%。此外,定标场地环境条件对模型计算精度有一定影响,大面积均匀场适合采用反射率基法,小面积均匀场则引入邻近像元效应进行计算,通过布设人工指示目标,可提高反射率测量数据的准确性。所采用的定标技术已获得工程应用。     

相位测量轮廓术中一种快速的系统标定方法

传统的系统标定和相位测量是分开进行的,所测量的是物体相对于参考面的高度.提出一种快速的系统标定方法,用块规代替传统方法中由机械移动装置控制的标准平面,在块规表面采样标定点完成系统标定,实现系统标定与待测物相位测量的同步进行;当待测物支撑面与参考面不重合时,依然能准确测量物体相对支撑面的高度.对一高度为14.00 mm的立方块测量的结果显示,当其支撑面相对参考面发生纵向移动或倾斜时平均相对误差不高于1.35％,均方差小于0.15 mm.该方法简化了标定过程,在实际应用中更具普适性.     

一种基于图像的光学系统测角精度检测方法

测角精度是光学系统的重要技术指标。针对传统的电子经纬仪测角精度检测方法测量数据少、扫描方向单一导致测量结果不准确,提出了一种改进的检测方法。调整电子经纬仪,使电子经纬仪发射的电十字通过光学系统成像在CCD视场中,旋转电子经纬仪以点阵形式,对光学系统各个方向进行扫描,计算机实时采集电十字图像。对采集的电十字图像,通过基于小波变换的变分Retinex算法增强图像对比度,采用OTSU阈值分割背景和目标,采用投影算法及二项式曲线拟合将电十字中心定位到亚像素级。对最终获取的电十字中心点阵数据通过径向基函数进行曲面插值,解算出基于整个CCD像面的测角精度。实验结果表明：该方法的测量精度达到0.1μrad,测得的光学系统测角精度提高了0.01mrad,检测的测角精度更加准确。     

Design of a Reflective Intensity Optical Fibre Bundle Displacement Sensor

反射式光强调制型光纤位移传感器光纤束设计

贾丙辉,俞靖,冯勇,张敏,李钢

（南京工程学院 机械工程学院,南京 211167）

中文说明：

建立了5种不同结构的光强调制型光纤位移传感器光纤束的通用数学模型,对比分析了各光纤束结构在不同设计参数下的光强调制特性;基于5种结构的光纤束光强调制特性对比研究,设计了单圈同轴式光纤位移传感器;静、动态测量实验结果表明该传感器系统具有较好的静、动态性能。

关键词：光纤束位移传感器,光强调制特性,静态标定,动态标定

     

深度相机与惯性测量单元的相对姿态标定

为解决深度相机和惯性测量单元之间相对姿态难以直接测量的问题,提出一种通过捕捉同一手部运动来构造位移向量继而利用最小二乘法求取两传感器相对姿态的非接触式标定方法.首先描述和分析一类相对位姿时变的深度相机和惯性测量单元的相对姿态标定问题,然后使用深度相机与惯性测量单元同时捕获手部向空间任意方向摆动的运动信息,构造相应的位移向量,进而基于刚体旋转不变性原理建立求解模型,最后使用最小二乘法求取最佳相对姿态,即标定结果.为验证标定方法的准确性和有效性,一方面组织标定解算结果和白噪声仿真数据比对从而得出偏差估计的实验,结果表明标定后相对姿态偏差少于±4°;另一方面使用深度相机和惯性测量单元组成的传感系统对人手臂运动进行捕捉实验,结果表明标定后测得数据方可正确反映人手臂参数.本文所提出的标定方法原理简单、操作方便、无需接触测量或其它辅助标定设备,适用于机器人远程操纵和体感游戏设备等场景相应传感器标定中.     

双目立体视觉传感器结构参数优化设计

采用最优回归设计311-A方案设计实验,研究双目立体视觉传感器的结构参数对传感器测量精度的影响．根据实验结果。建立了双目立体视觉传感器的测量精度与传感器结构参数间的回归方程,并通过对优化模型的求解,得到了使双目立体视觉传感器测量精度更高的参数组合．结果表明,利用上述方法可以有效地提高双目立体视觉传感器的测量精度．     

基于灵敏度变化机理的双传感器称重系统在位标定方法

称重系统传感器安装完成后,会由于传感器安装面的形位误差使得传感器受力面不一定水平,对于所承受的重力或出现偏载,灵敏度系数安装前后不再相同,一般需在位标定后方可使用。对于双传感器系统,由于各传感器安装情况不同,灵敏度系数不仅安装前后不同,而且彼此也不相同;另一方面,由于标定时加载重心位置有一定随机性,不能保证两传感器的平均受力,因而加载重量未知。偏载和加载位置随机性相互作用,使得双传感器系统灵敏度系数标定变得困难。目前常用方法是在处理电路上附加电位器等元件,通过改变原信号放大倍数使各路灵敏度相同,然后再加载标准重量完成标定。该方法需改变原电路,可能带来未知的影响,而且对于集成型的处理电路难以实现。针对上述问题,首先建立了传感器受力模型,通过受力分析明确偏载和重心位置变化对灵敏度系数的影响机理,推导了灵敏度标定算法,将双传感器系统灵敏度系数分解为耦合系数和转换系数两部分,标定时用同一标准重物在不同位置加载两次,即可完成在位标定,解决了双传感器系统灵敏度系数的标定问题,保证偏载情况下系统的测量精度。经实验验证,该方法不改变原测量电路和机械结构,标定后系统误差小于0.03%。     

基于双目视觉的激光位移传感器标定方法

为了提高激光位移传感器在工业机器人末端坐标系下的标定精度,提出基于双目视觉的激光位移传感器标定方法. 该方法通过双目视觉技术重建激光光束投影在平面上的光斑位置,利用手眼标定参数将光斑位置转换至机器人末端坐标系,同时利用最小二乘方法将光斑拟合成光束直线,获得机器人末端坐标系下的传感器光束方向及零点位置以完成标定. 该方法可同时标定机器人末端上的多个激光位移传感器,无须采用有精度要求的辅助工件标定,具备精度高,鲁棒性强优势. 基于标准球的精度评价实验结果显示,在3倍标准差范围内该方法标定后的激光位移传感器测量精度范围为0.038 6±0.025 8 mm,满足机器人加工要求.     

全动舵面载荷测量的压电天平设计与误差分析

针对大载荷、狭窄安装空间的全动舵面气动载荷测量风洞试验,设计一种四支点三向力压电传感器并联式天平.选择压电石英作为天平的力敏元件,讨论四支点三向力传感器在其中的空间布局及其测量原理,研究并联式天平的标定方法,并对天平进行静态标定、复合加载试验.应用基于标定矩阵的求解矩阵广义逆的静态解耦算法进行解耦,从传感器等效作用点偏移的角度,利用ANSYS有限元软件分析并联式压电天平误差产生机理.实验结果表明:该天平的最大非线性误差和重复性误差分别为1.352%、1.019%,最大向间干扰系数为2.865%,复合加载对竖直力的测量精度影响较小,而对弯矩影响较为明显;天平静态标定指标均满足测试精度要求,但不同加载方向及其大小对传感器间距的影响各异,复合加载时,间距影响相互叠加,使天平测量精度降低,此天平并不适用于多向载荷测量.     

折转光管装校方法研究与误差分析

针对长距离光线折转后光轴平行性精度较低的问题,提出了一种用于高精度折转光管的装校方法。利用数字光电自准直仪、高精度五棱镜和平面反射镜构成了光管准直光线检测系统,对折转光管进行装校。给出五棱镜光线折转的工作原理、自准直光路构建方法、光管装校方法和检测过程中可能存在的误差大小以及修正方法。通过实验证明,利用本文提出的方法及装置可使折转光管光轴平行度达到2″,避免了使用大型平面反射镜装校时,因面形因素产生的误差。检测装置简便、灵巧、精度较高。     

解决约束平面偏移问题的机械臂闭环标定

基于平面约束的工业机械臂闭环标定,拟合平面与实际约束平面之间存在一定偏差,直接影响标定精度.针对此问题提出消除偏差的方法及误差模型.建立平面坐标系,得到约束平面的准确方程,通过接触式测量头对约束平面进行测量,在平面坐标系中描述测量点的位置;建立最小完整连续运动学模型,从而减少冗余参数的影响;利用双目视觉定位约束平面并规划理论测量点位置,实现自动化测量;通过改进的最小二乘法对参数误差进行辨识.实验结果表明,修正运动学参数后,机械臂绝对位置精度由1.234 mm提高到0.405 mm.该方法成本低、精度高、效率高,且简化了误差模型,适用于工业机械臂的现场标定,为机械臂生产厂家实现批量化标定及后期设备维护提供了思路.     

小量程大行程压杆检测系统及在脑-机接口的应用

为准确采集大鼠前肢运动压力值,以便于分析大鼠大脑初级运动皮层神经元信号与其相关运动感知的关系,通过理论计算,采用金属箔式全桥差动电桥测量原理和杠杆原理,设计了大鼠用微小量程、较大行程测力传感器,采用高精度外设部件互连标准（PCI)信号采集与控制输出模块,设计了大鼠实验压杆检测系统,能很好的实现大鼠前肢动作奖赏控制.实验结果表明：与现有的测力传感器相比,克服了其在测量精度、量程等方面的局限性;压杆检测系统能够实时在线记录大鼠前肢运动压力值及显示相关参数,且系统采集数据准确度和精度较高,该检测系统使得小型动物运动感知研究的脑-机接口信号检测能力显著提高.     

一种高精度小孔圆度检测方法研究

介绍了一种用于短小孔内表面圆度检测方法。提出基于激光共焦测距原理,应用旋转反射镜转化并消除径向跳动误差及传感器振动误差的新技术。成功地检测了标准孔径表面圆度,实验结果表明,该方法可以使小孔圆度检测误差不大于0.3μm,大大提高了小孔圆度检测的精度。     

标定型星模拟器设计与关键参数测试

为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定,研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器。根据标定型星模拟器的工作原理,设计高精度的准直光学系统,从设计结果分析,光学系统有效视场为37°,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1%,MTF达到衍射极限,可以实现对星点位置的准确模拟。提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试,实验结果表明:设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求,整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要。     

曲面基体绝缘涂镀层涡流测厚高精度标定方法

为了提高金属零件表面绝缘涂镀层厚度测量精度,以某型电涡流位移流传感器为例,开展3种不同曲率的曲面试件标定试验;对比分析9次多项式、7项傅里叶级数、多峰高斯函数和径向基函数神经网络这4种标定方法的误差平方和、均方根、决定系数以及单点运算时间;综合评价4种标定方法在测量精度、计算速率方面的优劣,为涡流位移传感器在不同应用场合的标定方法选择提供参考. 针对燃料贮箱外表面聚氨酯泡沫层厚度测量要求,选用基于径向基函数神经网络的曲面基体涡流测厚法进行验证试验. 结果表明,通过优化标定方法,测量误差可以控制在?0.15~ 0.15 mm.     

一种改进的摄像机线性标定优化方法

现有的摄像机标定方法没有将高精度和简便性很好的衔接在一起。提出一种新的标定优化方法。首先选择主点位置在图像中心,纵横比为1作为初始条件;接着利用改进的摄像机线性标定方法,得到在同一摄像机坐标系下不同图像上所有标定点的摄像机坐标;最后利用摄像机坐标系下的这些三维点来优化内、外参数。实验结果表明：本文提出的标定方法得到的焦距误差在0.1mm以内,主点位置的最大误差在2pixel左右,测试点的最大误差控制在0.5pixel以内。本文提出的标定方法是一种简单、高精度的标定方法。     

基于ADμC845的高精度差动变压器变送器设计

LVDT位移传感器的变送器输出电压值和输入位移量之间存在着非线性,设计和制作线性度较高的传感器比较困难.在分析产生非线性误差主要原因和传统校正方法的基础上,利用单片机软件算法进行非线性校正以提高传感器输出精度.该算法以传感器标定数据为样本,用分段线性插值法求出实际位移量.实验测试结果表明,设计达到了高精度要求,具有良好的应用价值.     

Step kinematic calibration of a 3-DOF planar parallel kinematic machine tool

This paper presents a novel step kinematic calibration method for a 3 degree-of-freedom (DOF) planar parallel kinematic machine tool, based on the minimal linear combinations (MLCs) of error parameters. The method using mapping of linear combinations of parameters in error transfer multi-parameters coupling system changes the modeling, identification and error compensation of geometric parameters in the general kinematic calibration into those of linear combinations of parameters. By using the four theorems of the MLCs, the sets of the MLCs that are respectively related to the relative precision and absolute precision are determined. All simple and feasible measurement methods in practice are given, and identification analysis of the set of the MLCs for each measurement is carried out. According to the identification analysis results, a step calibration including step measurement, step identification and step error compensation is determined by taking into account both measurement costs and observability. The experiment shows that the proposed method has the following merits: (1) the parameter errors that cannot influence precision are completely avoided; (2) it reflects the mapping of linear combinations of parameters more accurately and enhances the precision of identification; and (3) the method is robust, efficient and effective, so that the errors in position and orientation are kept at the same order of the measurement noise. Due to these merits, the present method is attractive for the 3-DOF planar parallel kinematic machine tool and can be also applied to other parallel kinematic machine tools with weakly nonlinear kinematics. Supported by the “863” High-Tech Program of China (Grant Nos. 2006AA04Z204 and 2006AA04Z227), National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50775118 and 50605041), the “973” Basic Research Project of China (Grant Nos. 2006CB705406 and 2007CB714000), and Tsinghua Basic Research Foundation (Grant No. JC200701)