空间圆几何参数的非接触高精度测量方法

分析了空间圆透视投影的数学模型 ,并建立了点的空间三坐标立体视觉测量数学模型。提出了一种基于立体视觉的空间圆几何参数的非接触测量方法 ,根据极线约束求出空间圆在双目立体视觉中的对应匹配点 ,后投影到三维空间求出边缘的实际坐标 ,采用基于空间三维圆最优拟合求取空间圆的几何中心的三维空间坐标和圆半径等几何参数。该方法减小了空间圆透视投影形状畸变引起的测量误差 ,提高了基于视觉方法的空间圆几何参数的测量精度     

光笔式大视场三维视觉测量系统

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求,根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统.基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式,实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算.应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型,以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心,通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定.研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统,完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验,在7 m×4.7m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm.实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路.     

基于自由运动的刚性球棒的像机内外参数标定

制作一种两端及中间各安装一个红外反光标志球的刚性球棒,不需要其它复杂标定装置,只要将这种特制的刚性球棒在测量空间内多次随意移动并摄取其图像,即可实现双像机标定。标定算法首先假定主点位于像面中心附近的某个位置,通过Hartley改进八点法求出基本矩阵,继而求出半标定矩阵并对其奇异值分解,再线性地求出焦距。接着求出本质矩阵,奇异值分解后得到旋转矩阵和比例因子意义下的平移向量。利用三角法确定刚性球棒两端点的重建坐标和距离,与标准距离对比确定比例因子。通过评价函数将像机标定转换成寻找两像机最佳主点配对的非线性最小化问题。运用改进的模拟退火进化策略算法迭代优化求解出最佳主点配对,继而求解出像机其它内外参数。与传统方法相比,本文方法不需要对球棒的运动做任何限制,并且能够同时求解出像机内、外参数,改进的模拟退火进化策略算法改善了全局收敛性能并加快了收敛速度。     

基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。     

投影仪内参数的标定新方法

基于编码结构光的自标定三维重构技术中需将投影仪视为一个逆向的摄像机,而且需要标定其在针孔模型下的内参数矩阵。本文提出的投影仪内参数新标定方法,不需要精密移动的机械装置或精密标定模块就可以实现投影仪内参数的标定。该方法首先提取图像中的特征点坐标,依据伪随机编码原理求出特征点在投影平面上的坐标,利用几何原理求得特征点在靶标平面上的二维坐标,再通过张氏标定法完成对投影仪的内参数标定。实验表明该方法可操作性好,结果准确可靠。     

基于间接标定法的结构光视觉检测系统三维测量技术与试验评估

结构光三维测量系统的参数标定是获取三维数据的重要步骤之一,其中包括摄像机的参数标定和结构光平面的参数标定。为了解决传统光平面标定算法复杂、检测实时性低的问题,提出了一种基于定向移动平面标靶的光平面间接标定法,首先利用特征加窗提取技术和形态学细化算法对标靶平面上的光条进行中心线提取,进而获取光条中心线上的图像像素坐标点;其次结合已经标定好的摄像机参数和光平面所在的坐标分量的坐标值反解求出标定特征点的三维世界坐标;最后利用最小二乘法对求得的三维坐标点进行光平面拟合,从而实现对光平面的标定过程。采用Matlab GUI界面编程方法实现对光平面参数标定试验以及三维测量试验,验证了该方法的有效性和优越性。     

大面积形体三维测量数据拼接技术的研究

大面积形体三维无接触测量,一般采用多视场测量和测量数据拼接的方法,存在积累误差大、测量精度低的问题.采用框架拼接法,通过编码标志点的匹配,求得标志点的空间三维坐标,完成物体空间框架的重构;然后通过局部三维扫描点云与空间框架之间的特征点的提取,得到一组匹配点对,运用SVD矩阵分解算法求出旋转矩阵R和平移向量T,实现局部三维扫描数据的精确拼接.实例表明,该方法有效地提高了大面积形体三维测量的精度.     

一种工业机器人TCP位置标定算法研究

针对工业机器人工具中心点(TCP)的位置标定,提出了一种新的基于固定参考点的标定算法,该算法利用球心与球面点所在平面的投影约束关系建立两组过参考点的直线参数方程,解算参考点坐标,再结合机器人运动学位置约束关系实现了TCP标定。在此基础上,通过试验定量分析了取样点位置分布对标定结果误差的影响。该算法避免了非线性方程组的求解和系数矩阵病态问题,适用于4点及4点以上的各种TCP位置标定方法。     

基于多尺度多方向相位匹配的立体视觉方法

立体视觉是图像处理领域的一个重要分支.在阐述立体视觉原理的基础上给出了一种多尺度多方向的图像立体匹配方法.利用左右摄像机的投影矩阵得出空间点的三维坐标与两台摄像机的像平面二维坐标的映射关系,并进而得出由两个像平面坐标直接求取空间三维坐标的方法.通过把图像进行复数小波变换,把图像分解成多尺度的不同方向上的复值子图.并通过一个由粗及细的过程来实现图像的精准匹配.     

基于交叉矢量的视觉-激光测距系统结构参数标定

视觉与三维激光测距组成的测量系统是运动估计与环境建模的主要传感设备。 为了实现测量系统感知数据坐标系的 统一,提出了一种基于空间向量自组合的视觉与三维激光测距系统结构参数标定方法。 主要包括 3 个方面:1)利用平面标定法 求解摄像机内部参数及摄像机坐标系下平面靶标的法向量,利用迭代拟合算法求解激光雷达坐标系下平面靶标的法向量,并构 建两个坐标系下的平面靶标法向量集合;2)根据向量之间夹角大小在平面靶标法向量集合中自主选取交叉向量,建立结构参 数标定目标函数;3)利用非线性优化算法求解最小二乘问题,获得外部参数的最优估计。 通过仿真与实际标定实验验证了方法 的有效性和准确性。 实验结果表明:该方法的反向投影误差小于 30 mm(3σ),满足高精度三维测量的同时还具有高的标定效 率。 所提方法满足传感器融合测量精度的要求。     

用于外场试验的交会测量

提出结合坐标系转换和按行独立的加权总体最小二乘法(RWTLS)的交会测量方法用于外场试验。该方法利用空间坐标系转换方法获得目标点在大地坐标下的空间角度参数;通过多余观测数建立条件方程确定起算数据间的角度位置关系,用RWTLS和高斯-牛顿迭代方法求得运动目标点在任一时刻的空间角度坐标;最后,利用对静态目标点的观测获得基距,结合目标点的空间角度坐标求得其轨迹曲线。实验结果表明:观测站的坐标误差在±0.15m以内,运动目标在X、Y、Z方向上的坐标误差在±0.4m内。与传统的两站前方交会测量方法相比,该方法无须校正经纬仪坐标系,也不必已知观测站位置参数,从而减少了对起算数据的需求,减少了布站工作量,具有直接简便、收敛速度快、精度较高等优点,在飞行目标外场测试中有良好的实用性。     

Linear calibration method of magnetic gradient tensor system

Based on the detailed analysis of systematic errors, mathematical model of error parameters is constructed and linear calibration method is proposed for magnetic gradient tensor system. Firstly, nonlinear mathematical model of error parameters for single vector magnetometer is constructed based on scalar calibration, and least square solution is deduced by two nonlinear conversions without any mathematical simplification. Then outputs of four tri-axial magnetometers are calibrated to sensor’s orthogonal coordinate respectively. Secondly, a least square estimation is proposed for the misalignment errors between different magnetometers according to the rotation matrix comprising conversion of different orthogonal coordinate system. After calibration, outputs of tri-axial magnetometers are acquired along the ideally platform frame-orthogonal coordinate system and these enable calibration of magnetic gradient tensor system. Simulations and experiments show that the proposed linear calibration method can accurately solve the detailed error parameters and decrease measurement errors of magnetic gradient tensor system remarkably.     

Refining the outer camera orientation in synchronized shooting from two spacecrafts

Methods for simultaneous refining the outer orientation parameters of satellite cameras in synchronized shooting from two spacecrafts moving in the same orbit are proposed and investigated. The methods are based on taking into account perspective relations between corresponding coordinates of projections of region elements in a synchronized series of stereograms under assumption that the common aiming point of the cameras does not change during shooting. A method for space shooting simulation is described and used for investigating the dependences of the errors of estimating the orientation angles of the cameras on the number of stereograms and the noise level in projective coordinates of region element images.     

平面十字磁梯度张量系统的两步线性校正

磁梯度张量系统的测量精度受限于磁传感器的零漂、灵敏度差异和三轴非正交性等系统误差以及各传感器轴系间的非对准误差。构建了平面十字磁梯度张量系统的误差参数线性模型,提出了两步线性校正法。利用两个非线性变量转换构建单磁传感器系统误差的线性方程组,对误差参数进行最小二乘估计,将传感器实际输出校正为各自理想正交输出;利用旋转矩阵构建各传感器理想正交轴间非对准误差的线性方程组并求出最小二乘解,将各传感器输出校正到参考平台框架正交坐标系上。两步校正过程均无数学简化。仿真与实验表明,相比忽略二阶及以上高阶小量的常规线性校正,提出的张量系统两步线性校正法更为精确,误差参数仿真估计准确率高于93%,实测校正后总场强度均方根误差小于13 n T,张量分量均方根误差小于90 n T/m。     

用经纬仪测量大尺寸三维导轨垂直度的方法

基于经纬仪将运动直线引出来的原理,提出了一种测量大尺寸三维导轨垂直度的新方法。首先在水平直线移动的Y导轨的动基座上安装经纬仪并观察静止靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合出了经纬仪视准轴分别与运动X导轨和Y导轨平行时的水平角,继而测量了X-Y导轨间的垂直度误差。然后将经纬仪固定在地基上,通过观测水平移动导轨上靶标的竖直角的微小变化,采用最小二乘法拟合了X、Y导轨的水平度误差;通过观测与Z导轨固定的靶标水平角的微小变化,采用最小二乘法拟合了Z导轨的二维铅垂度误差,利用X,Y导轨的水平度和Z导轨的铅垂度换算出了Z-X间,Z-Y间导轨的垂直度误差。最终实现了三维导轨X-Y之间、Y-Z之间、X-Z之间的垂直度的检测,并对测量的垂直度误差进行了精度分析。在研制的月球软着陆系统垂直度的调试中进行了应用,证明了该方法能够满足测量的精度要求。     

光电经纬仪单站空间余弦及多站面面交汇的飞机姿态测量

本文对光电经纬仪测量飞机姿态的方法进行研究。首先介绍单站经纬仪在有距离信息时测量飞机姿态的方法,采用穷举的方法,获得飞机轴线上的特征点,利用空间的位置关系获得空间姿态参数。然后介绍多站经纬仪利用面面交汇的方法获得飞机飞行姿态;首先对二维平面图像采用Hough变换拟合算法获得目标中轴线,然后计算原点到目标的中轴线的垂直距离及原点到目标的中轴线的法线与X轴的夹角,获得目标在二维平面的直线方程,目标图像的二维中轴线与摄影系统的光学中心唯一确定了一个空间平面;采用面面交汇的方法,获得空间中轴线,可以得到飞机轴线的偏航角及俯仰角。实验结果表明,两种计算方法的结果误差偏航角为0.28%,俯仰角为1.1%。本文采用的数学模型正确、算法合理,有效的提取了飞机的姿态参数。     

基于灭点标定的立体视觉自由曲面测量

利用基于灭点理论的方法进行系统的非线性标定,采用投射光斑法增加自由曲面的图像特征;提出了一种基于方向和距离约束的分片排列编码方法,对投影光斑进行排列编码。首先分别在左右图像上根据彩色点的位置关系自动确定一个初始匹配点和四个匹配方向,然后对其余点按照分片排列法进行自动排列编码。对石膏像的面部进行了三维测量和重构实验。实验表明,基于方向和距离约束的分片排列编码法,可以准确的进行投影点的编码, 并能够快速、有效地实现彩色图像特征点的全自动匹配。     

多步逆成形有限元法中间构型初始解预示算法

在逆成形有限元法中,为考虑加载路径的影响,针对不同成形类型阶段引入中间构型,整个过程被划分为多阶段成形过程,即多步逆成形有限元法,一个好的中间构型初始解的构造是其中的关键问题之一。针对中间构型初始解的构造,提出一种基于滑移约束曲面的节点反向映射法：利用板材的纯几何弯曲效应构造出弯曲构型,经过伪最小面积法优化后生成空间滑移约束曲面;投影展平的最终构型网格面到展平滑移约束曲面网格中,利用面积坐标计算出所有投影节点的坐标;投影节点反向映射回到空间滑移约束曲面上,构造出对应中间构型的初始解。另外,针对中间构型初始解构造中可能出现部分节点无投影区域的问题,给出一种扩展空间滑移约束曲面轮廓的解决方法。零件的数值算例验证相应算法的可行性与有效性。     

Error analysis of drill point geometry inspection using radial-view silhouette images

The conical ground drill point geometry can be described by five parameters, which are measured with the simple inspection method using radial-view silhouette images. This paper deals with error analysis of the inspection method. Different types of errors may occur while taking radial-view silhouette images of the drill point geometry. All possible setup errors have been considered and deviations from the true values of the geometrical parameters have been calculated. The sensitivities of the geometrical parameters and common angular parameters of the drill with the errors have been analyzed to develop a practical apparatus of the inspection system.     

单相机几何量检测新方法

按照常规摄影测量,如果仅使用一台相机而要获取点的三维坐标则至少需要在2个不同的位置进行摄影.本文则提出了利用单台相机仅拍摄单像片,来对平面内的几何量进行检测的方法:借助一个带有3个以上基准长度的共面工装,来辅助计算原始图像与正射摄影图像的转换参数;使用上述转换参数,将原始图像转换为正射图像;由正射图像的相似比例关系,进行平面内几何量的检测.另外,通过实验验证了本文所述的单台相机测量原理及所达到的相关精度.