基于单目视觉的激光光束方向标定研究（英文）

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数。方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数。本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法。首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型。然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑。在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标。沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像。利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标。由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束。拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角。实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型。测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证。结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°。     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

同轴度同步旋转测量的空间投影解析

研究了国际上同轴度准直测量的专利发展状况。在这些专利材料研究的基础上,对2轴三维空间准直测量建立数学模型,用三维空间的思想来描述一个运动的准直激光在一个同步旋转轴的垂直二维平面位置测量装置上的投影,解决同轴度测量空间解析问题。通过试验检测同轴测量空间坐标的位置变化。原来的激光光斑在从动轴垂直平面中为椭圆曲线,在位置检测器件坐标中曲线也发生了改变,并且展示了角偏差变化和轴心的位置变化对曲线的影响。     

光笔式视觉坐标测量中控制点光斑图像的识别

介绍了一种光笔式单摄像机便携三维坐标视觉测量系统。在分析该系统成像特点的基础上,提出了一种控制点椭圆形光斑图像的数字识别方法。常用的方法是在CCD摄像机镜头上加滤光片来隔离背景干扰亮斑图像,该方法以光笔上被测控制点在摄像机CCD像平面上的光斑图像轮廓所占像素个数为基准, 剔除过大和过小的图像轮廓,进而采用基于椭圆线轮廓度误差的评定方法实现控制点椭圆形光斑图像的识别。给出了该方法的具体算法,实验结果表明该方法简单方便,易于实现,检测速度较快,适用于圆形被测控制点的视觉检测系统,具有一定的理论意义和工程实用价值。     

应用虚拟像平面方法的圆柱表面单目重建*

针对圆柱表面重建问题,采用单面阵相机和线结构光构成视觉系统。该视觉系统采用虚拟像平面相机模型,通过构建虚拟像平面上的虚拟投影图像去除畸变的影响,通过虚拟像点和相机光心确定投影射线。提出该模型下相机光心的定位方法;利用两个平行平面上的结构光条的虚拟图像实现结构光的标定。利用线结构光在圆柱表面的光条为空间中一条椭圆弧的特性,首先计算出光条点在结构光平面上的坐标,由此提取出椭圆特征;再利用椭圆的短轴长为圆柱直径的特性获得圆柱的空间方程,实现圆柱定位;最后利用光心和虚拟像点在标定平面的投影点确定投影射线,计算出虚拟像点在圆柱面上的投影点坐标,构成柱面点云,并恢复出圆柱表面图像。实际实验中该视觉系统的测量精度达到双目视觉系统的水平,说明了虚拟像平面方法的有效性。     

联合三坐标测量仪与影像测量仪对斜平面通孔半径、轴向向量等参数的测量

对于斜面上的孔，尤其是对细孔、斜孔进行形状参数及位置参数的测量，单独使用普通三坐标测量仪或精密影像式测绘仪，由于测量设备的自身特点，均具有较大的局限性。在结合三坐标测量仪能够对斜平面的空间坐标精密测量与影像测量仪能够对水平面上的轮廓坐标精密测绘的基础上，利用通孔的同轴性、孔的轴向方向向量与不同加工面的夹角具有对应关系，斜平面水平放置时测量的相对点坐标，等价于测量的轮廓相对坐标是在斜平面上建立坐标系测量的值，以及斜面上建立的坐标系可以与世界坐标系通过线性变换进行对应等关系。通过对测量点坐标进行位置变换，计算并校正孔在不同平面和不同坐标系下测量的椭圆长、短半轴的长度，确定孔中心轴线与不同平面的夹角大小，从而计算出斜面椭圆的旋转角度，进而确定孔的直径、轴向向量等参数。     

空间圆姿态识别二义性的角度约束消除

为了消除视觉测量中单个圆姿态识别中存在二义性的问题,提出了一种基于空间角度约束消除二义性的方法,并且对姿态求解算法进行了误差分析,为准确进行姿态估算给出了指导性的实验结果。在摄像机已标定的前提下,根据圆特征在图像上的投影椭圆曲线确定了圆心位置和圆平面姿态参数,计算结果存在二义性;利用欧式空间中的角度不变量,识别出圆平面的真实姿态参数,同时确定圆心的真实位置;最后,根据误差传播理论对基于单圆特征的位姿估计算法进行了精度分析。实验结果表明,圆平面姿态角的测量绝对误差在0.2°以内,圆心的定位误差为0.5%,根据圆平面的位姿参数计算的共面直线的距离误差为0.8%。该方法能够准确地识别圆平面的位置和姿态,计算过程简单,结果稳定可靠且具有较高的精度。     

基于双椭圆方程的空间平面定位解析研究

以工业机器人操作中的视觉系统为应用背景,提出一种新的空间平面定位算法。通过建模分析,CCD成像及图像椭圆方程的建立,空间平面求取的计算,和模拟实验,结果证明此方法是有效可行的,不仅克服了传统的需要在平面上设置特征点的缺陷,而且这种解析方法,比传统的搜索算法计算量少,同时也为设计人员提供了有价值的参考。     

透视投影变换中椭圆中心畸变误差模型及其仿真研究

针对在三维视觉检测应用中，空间椭圆中心的透视投影变换存在畸变误差的问题进行了研究。基于透视投影变换和空间解析几何理论，建立了在摄像机的像平面上该畸变误差的数学模型，并进行了仿真研究，获得了该畸变误差的变化规律，从而为圆孔(椭圆孔)或圆柱(椭圆柱)类工件的中心位置的视觉检测、结构光三维视觉检测应用及视觉检测中的CCD摄像机内部参数标定等问题的有效解决，提供了一个有效的理论依据，具有一定的理论意义和工程实际应用价值。     

椭圆振动辅助车削7075铝合金表面微织构及其特性

为研究椭圆振动车削技术辅助微织构制备的工艺及其加工后微表面特性，采用椭圆振动原理和微织构的形成原理分析了不同转速和进给速度下的微织构变化规律，进行椭圆振动轨迹测量试验和椭圆振动车削试验，分析了装置振动轨迹、表面形貌、单个微织构几何尺寸及表面粗糙度变化情况。试验结果表明，在切削试验过程中，相比传统车削，由于车刀的空间椭圆运动轨迹，超声椭圆振动车削后表面呈现类椭圆状的微织构凹槽。由理论分析和试验结果得出，随着转速和进给速度的改变，微织构凹槽的几何尺寸、轮廓高度及表面粗糙度均会发生规律性变化。     

氟化锂椭圆弯晶分析器的特性及应用

设计了测试能量范围为0.6~6 keV的椭圆弯晶谱仪。此谱仪利用椭圆自聚焦原理,晶体分析器采用氟化锂材料,椭圆焦距为1 350 mm,离心率为0.958 6,布拉格角范围为30~65°。在神光Ⅱ靶室进行了实验,入射激光波长为0.35 μm,激光功率约为1.6×10¹⁴ W/cm²,与厚度为100 μm的钛平面靶法线夹角约为45°。实验结果证实,弯曲的氟化锂晶体具有极佳探测效果,弯晶分析器对波长为0.2~0.35 nm的X射线的分辨率可达500~1 000,同时具有等光程而便于空间分辨测量的优点,在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级的收光效率,故适合于激光等离子体X射线的光谱学研究。     

Laser shock forming of SUS304 stainless steel sheet with elliptical spot

A novel forming method by laser shock wave with elliptical spot is reported. The mechanism of laser shock forming (LSF) and equation of pressure pulse were presented, and SUS304 stainless steel with a thickness of 0.4?mm was experimentally investigated. Firstly, the deformed specimen was measured by ARGUS optical measuring system, and the results of major and minor strain and material thickness reduction of sheet metal to analyze the deformation qualities were provided. Secondly, the major and minor strains were imported into forming limit diagram (FLD) to evaluate the forming parameters. The result clearly shows that all measurement points are below the forming limit curves of the SUS304 steel. Finally, the thickness reduction along long-axis direction was simulated and analyzed by using ABAQUS finite element (FE) software. The simulated results are basically in agreement with the experiment data.     

Dissipative function of coulomb friction on elliptical contact area

The problem of calculation of the moduli of the resultant vector and the basic moment of the forces of the dry rolling friction of a solid body against a rough plane surface in the presence of spinning around a vertical axis is solved in quadratures. The elementary forces of sliding friction are directed opposite to the points of the elliptical contact area fulfilling plane motion. The friction coefficient is accepted to be independent of velocity. The proposed method of computing the resultant vector and the basic moment of friction forces on the elliptical contact area makes it possible to find with a preset accuracy the forces and the friction torque in the contact problems by using numerical procedures. In particular, it is used to determine the tangential forces arising during the motion of a rail vehicle. With increasing vertical load on the wheels, the contact spot area in which the friction forces of sliding play the main role becomes larger. The proposed method can also be used with some modifications, e.g., by introducing a corrective factor, to calculate the contact spots having a configuration different from elliptical but restricted by a closed curve.     

Diffractive focusing fan-out element for the parallel DNA sequencer

Various issues of creation of diffractive optical elements transforming one laser beam with small divergence to a matrix of converging beams with a diffraction size of focused spots in the plane of object illumination and their application for problems of DNA sequencing and microscopy are considered. The parameters of diffractive elements are calculated and optimized in the approximation of the Fresnel–Kirchhoff diffraction theory. Diffractive elements are fabricated by the method of direct laser writing on a photoresist by using a circular laser writing system. Experimental characteristics of a diffractive element creating a matrix consisting of 33 × 33 beams, which are focused in one plane at a distance of 210 mm, are presented. The degree of nonuniformity of beam intensities determined by the ratio of beam intensities in the central region to intensities of peripheral beams is 1/2.5, which is potentially sufficient to be used in DNA sequencing problems. The maximum distortions of spot positions in the entire focusing field is <0.15%.     

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。     

点光源激光测头参数优化设计

本文详细分析了点光源激光测头设计参数计算及结构布局方法,线阵ＣＣＤ器件安装方式。完整阐述了点光源激光非接触式测头的结构参数优化方法。实践表明本文所述方法对点光源激光测头的结构设计,有着良好的指导作用。     

LD端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配

以光纤耦合半导体激光器作为泵浦源,5mm长的铯蒸气池作为激光增益介质,开展了端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配实验研究。分析了泵浦光聚焦光斑半径和聚焦位置对铯激光输出性能的影响。以激光器的工作斜效率和光光效率为指标对各模式匹配参数进行了优化,同时对激光器的阈值泵浦功率进行了研究。结果表明:在一定的激光振荡模束腰下,存在最佳的泵浦光聚焦光斑半径使斜效率最大。此外,聚焦位置在蒸气池中央时有利于提高斜效率和光光效率。对阈值泵浦功率的研究显示,阈值泵浦功率随泵浦光聚焦光斑半径的减小而减小,而且当泵浦光聚焦于蒸气池前端时有利于降低阈值泵浦功率。基于以上研究,获得了一组最佳模式匹配参数,即泵浦光聚焦光斑半径为333μm,激光振荡模束腰为167μm,泵浦光聚焦位置位于蒸气池中央。