基于惯性基准的大尺寸空间角测量

针对大型装备装配过程中的大尺寸空间角测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法并且设计了相应的测量系统。该测量系统利用自准直原理获取被测轴线方向,通过内部陀螺仪和编码器测量被测轴线在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后根据每个被测轴线在公共基准内的单位向量坐标值实现空间角的计算。建立了大尺寸空间角测量的数学模型,并对测量系统的测量不确定度进行分析和计算。最后搭建了测量系统的原理样机并利用原理样机在实验室进行了模拟测量实验。实验结果表明,原理样机的实际测量误差为14",满足了测量精度的要求。该方法采用惯性空间作为公共测量基准,有效地解决了测量大尺寸空间角时测量基准难以建立和传递的难题,使得测量过程更加灵活、高效。     

微装配机器人手眼标定方法研究

在视觉反馈的机器人控制中,手眼系统的标定非常重要,直接影响机器人的作业精度.针对微装配机器人系统操作空间小的特点,提出了一种固定视觉的手眼系统标定算法,该方法通过3个空间点在机械手基坐标系中的坐标,采用P3P位姿测量原理获得相应空间点在摄像机坐标系中的坐标,建立了标定方程组,基于最小二乘法,标定出了手眼系统之间的转换矩阵.该方法无需复杂的辅助设备,标定过程简单.相关实验得到了待标定的手眼系统之间的转换矩阵,验证了该方法的标定精度和有效性.     

机器视觉多视场协同测量方法

提出了机器视觉多视场协同测量方法以实现二维几何特征的现场高精度自动测量。介绍了该方法的基本原理,研究了实现多视场协同测量的关键技术。首先,建立测量空间,在大视场图像上识别被测特征并规划测量路径,建立大视场图像坐标与测量空间坐标之间的映射关系;根据测量路径,在测量空间中完成小视场序列图像的自动采集。然后,建立大视场图像坐标与小视场图像坐标之间以及相邻小视场图像坐标之间的映射关系,据此关系,在小视场图像的相应位置搜索并构建精细的辅助测量特征。最后,根据小视场序列图像在测量空间中的方位,求解各局部被测特征参数并进一步求和得到整体被测特征参数。应用该方法对φ150mm圆盘上分布的100mm孔距进行测量实验,结果表明,相对误差的绝对值不超过0.03%。该方法测量精度不受机械坐标精度的影响,适用于在工业现场组建高精度自动测量系统。     

双目立体视觉测量系统的标定

考虑传统的自标定方法虽然无需场景信息即可实现摄像机标定,但是标定精度较低,故本文提出了一种新的大视场双目视觉测量系统自标定方法。该方法无需高精度标定板或者标定物,仅需利用空间中常见的平行线和垂直线建立摄像机参数与特征线间的约束方程,即可实现摄像机的内参数与旋转矩阵标定;同时利用空间中距离已知的3个空间点即可线性标定两摄像机间的平移向量。通过标定实验对本文提出的方法进行了验证。结果表明:该方法标定精度能够达到0.51%,可以较高精度地标定双目测量系统。由于避免了大视场测量系统标定中大型标定物制造困难,以及摄像机自标定过程中算法冗杂,标定精度不高等问题,该方法操作简便,精度较好,适用于大视场双目测量系统的在线标定。     

基于多目视觉的弯管空间参数测量方法

针对大尺寸复杂弯管空间参数的测量精度难以保障、测量效率低的问题,提出一种基于多目视觉的非接触式弯管空间参数测量方法.该方法根据多目视觉原理,利用基于中心轴线的匹配方法,从不同视点获取弯管空间轴线的三维坐标,并利用边缘线计算弯管外径,最后利用三维建模技术重建被测弯管的三维模型.设计并建立了一个八目相机的弯管空间参数测量系统,测量实验证明该方法和测量系统可以实现弯管空间参数的快速测量,测量时间可控制在1 min内,两端面中心点测量误差为0.25 mm,外径测量误差为0.0721 mm,弯曲角度测量误差为0.278°.     

双目立体摄影测量中的标定方法

针对立体摄影测量中的双目立体摄影测量,利用透视变换方法及矩阵转换知识建立了双目立体摄影测量系统的空间三维坐标数学模型,提出一种不需要迭代求解摄像机参数的标定方法,避免了迭代算法收敛速度慢、耗时多的缺点。该标定方法只需对标定板在不同角度拍摄一组图像,在无需控制任何运动参数的情况下,通过成像过程中不同坐标系之间的转换,实现了像素坐标与基准坐标之间的直接转换。该算法快速、精确、简便。实验结果表明,该标定算法可达到相对误差为0．2的精度。     

热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统

基于激光视觉三维测量原理,采用四个结构光传感器设计了一套热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统.提出了一种现场快速统一标定方法,并设计了相应的新型立体标定靶标.提出了一种对截面轮廓三维数据进行筛选和融合的数据处理方法,得到圆钢截面较理想三维坐标,从不同方位采用平行线相夹法测量圆钢截面直径.进行了系统标定实验和测量实验,实验结果证明系统在一定测量范围内能实时获取圆钢截面轮廓,直径测量精度在0.2mm以上.     

星上敏感器空间矢量自准直测量方法及标定试验

针对星上敏感器测量坐标系高精度标定的需求,提出一种空间矢量自准直测量方法,采用光电自准直经纬仪、卫星转台、基准镜阵列和坐标平移系统等,实现立方镜镜面法向矢量之间夹角的高精度自动化测量。给出空间角测量模型,基于误差传播原理推导出误差模型,并证明不确定度上限;仿真分析传感器精度对空间角测量误差的灵敏度,并在此基础上进行误差分配;设计并研制星上敏感器空间矢量自准直测量系统,对光电自准直经纬仪的转角精度、两轴垂直度和整个系统的空间角测量精度等进行试验标定;结果表明,光电自准直经纬仪转角精度优于0.6″、两轴垂直度优于0.2″,空间角测量精度优于3″,验证所提出方法的有效性、误差分配的合理性和设计方案的可行性,可为高精度星上敏感器的自动化测量标定系统的开发和应用提供参考。     

面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统

研制了一种面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统,对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由带有红外LED光点的光笔、1台CCD摄像机、靶点亮度控制器、一维标定尺以及安装有测量软件的计算机组成。在对LED点光源光强控制方式及成像系统工作原理进行分析的基础上,设计并实现了以多靶点亮度自适应控制技术和主动离焦模糊技术相结合的靶点光斑图像生成技术。该技术保证了在大跨度测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像,解决了对焦成像中摄像机视场范围与景深有限的问题;针对光笔标定问题,提出了一种简便易行的现场标定方法,此方法只需要若干个辅助靶点和2个以上间距已知的圆锥孔,就可以同时确定光笔上各靶点及光笔测头在光笔坐标系下的坐标。实验结果显示:该测量系统在2~10 m空间长度测量标准差不大于0.095 mm,能够满足中等精度的大型工件现场测量要求。     

基于自由靶标的线结构光视觉测量系统标定研究

针对现有的线结构光视觉测量系统现场标定方法存在效率低、操作复杂等不足,提出了一种基于自由移动平面靶标的标定方法。该方法以平面靶标作为标定对象,首先采用张正友的方法标定出了摄像机内部参数,然后引入了线结构光和自由移动平面靶标,以各种位姿下靶标内的激光条纹与棋盘格角点边线交点作为特征点,求取了特征点在摄像机坐标系下的坐标,并拟合出了结构光面平面方程,从而完成了整个测量系统的标定。试验结果表明,采用上述方法标定后的线结构光视觉测量系统测量误差小于1%,达到了较高的标定精度,能够满足使用要求。     

基于合作靶标的分布式测量系统定向方法

大尺寸分布式测量系统基于多源观测交会原理,测量节点间的相对位姿关系决定了系统整体性能。 工作空间测量定位 系统是分布式测量系统的典型代表,其定向方法借助激光跟踪仪的靶球互换性构建几何约束条件,导致系统接收节点存在不可 避免的对心误差,影响定向精度。 本文研究了一种移动式合作靶标的分布式系统定向方法。 通过设计集成多接收节点的合作 靶标,无需精确确定靶标接收节点间的结构关系,而是利用接收节点间空间位置的相对不变性作为刚性约束来建立冗余光平面 交会信息的基站相对位姿关系模型。 结合后方交会定向初值解算模型,得到了不受接收节点互换对心误差影响的定向结果。 最后以工作空间测量定位系统(wMPS)为实验验证平台,结果表明:此定向方法避免了靶球高精度互换性,具有较好的稳定性, 能够有效降低接收节点互换对心误差的影响。 与传统基准尺定向方法相比,此定向方法的基准长度测量精度提高了约 40% 。     

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。     

大型油罐容量计量中3D空间建模方法研究与比对试验分析

油罐的容量计量是石化企业生产运行的核心工作之一.为了提高计量检定效率,提出一种基于三维激光扫描原理的油罐容量全自动测量方法.讨论了一种扫描点云数据分析方法,通过三角网格和曲面拟和的方法计算出不同液位高度对应的油罐容积值.设计了对比试验系统,选取60 m~3和37 m~3两个标准油罐为研究对象,根据OIML R71和R80的技术要求,以0.025%准确度的容量比较法测量值为参考依据,三维激光扫描方法进行油罐容量测量具有好的复现性,而测得的容量值相对偏差满液位量程处可达0.4%,验证了这种方法的有效性,而且有效提高了油罐容量检定工作效率.     

线结构光视觉系统标定新法及其振动测控应用

激光视觉是一种在工业检测领域应用广泛的测量方式,其标定是视觉检测系统搭建的基础。为此,提出了一种新型线结构光视觉系统标定方法。采用张氏标定法完成相机标定,通过提取标定板上的激光条纹特征,根据三面共线条件进行处理完成结构光平面的标定,并对标准尺寸进行测量以验证标定结果的准确性。接着基于该系统搭建了柔性臂振动测控实验台,并用其对柔性臂振动进行检测,设计了一种非线性控制器抑制柔性臂的振动。实验结果表明,提出的标定方法三维检测精度可达0.1 mm,得以应用在柔性臂的振动检测上,设计的控制器也可在短时间内抑制柔性臂的振动,以此验证了标定方法的检测效果和振动抑制的有效性。     

面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程,建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后,提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。 实验结果表明,使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008 mm,明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm,表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度,为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。     

Subnanometric calibration of a differential interferometer

A novel self-calibration method is proposed for calibrating differential interferometers with subnanometer resolution, and the basic characteristics of the method are discussed. Analysis shows that without using any external reference, the calibration accuracy approaches the resolution limit of the interferometer, which is determined by the signal-to-noise ratio (SNR) and the stability of the measurement system. A compact differential interferometer that uses a laser diode as the light source has been developed in order to demonstrate the viability of the proposed calibration method. The conventional fringe-counting and phase modulation methods are combined in order to extend the measurement range and improve the resolution of the interferometer. The developed interferometer was calibrated using the new method, and the calibration results were compared to those obtained by a comparison calibration method that uses a capacitance displacement sensor as the reference.     

红外傅里叶光谱仪的仪器线形函数及工程应用

提出了利用定量化的仪器线形函数对面阵傅里叶光谱仪像元进行光谱修正的方法。系统介绍了傅里叶光谱仪的仪器线形函数,结合仪器的自身特征建立了仪器线形函数模型,并利用MATLAB进行了仿真计算。通过理论计算给出了中心像元和边缘像元的激光光谱波峰之间的差值,其同实际值的相对误差均值仅为4.21%,修正后的边缘像元光谱准确度达到10-5量级。得到的结果从理论角度证明了利用仪器线形函数对面阵型傅里叶光谱仪进行光谱修正的有效性。最后从实际工程应用的角度出发,提出了针对面阵傅里叶光谱仪非中心像元光谱修正的方法。实验显示该方法具有很强的普适性,可在保证较高光谱准确度的基础上极大地提高光谱定标的效率,降低光谱定标的工作量。     

基于三维激光扫描的移动大尺寸圆柱体工件长度快速检测系统

针对移动大尺寸圆柱体工件两端的表面形貌特征,利用三维激光扫描仪设计了一种快速长度在线检测系统。基于三维激光扫描仪可在短时间内连续高速获取大量测量数据的特点,系统在虚拟环境下构造出自适应测量形状的虚拟测量基准面,采用二维误差分离方法抑制系统误差和运动误差,识别定位工件两端端点并计算其到虚拟测量基准面的位移;最后结合多传感器融合模型获取三维位移场测量结果。另外,测试前用三坐标测量机精密测量过的相似形状圆柱体工件对系统进行了校准修正。为验证系统的精度和可靠性,分别对处于（1 000±25）mm内不同直径的圆柱体工件进行了长度检测。结果显示,系统可在1 s完成直径约为50 mm工件的长度测量,检测分辨力为0.010 mm,检测精度达到0.050 mm。实际运行结果表明,该设计系统具有高自动性和高效性,可满足在线生产中对大尺寸工件控制和检测的要求。     

四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统自标定与仿真

介绍了四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统的工作原理，由于系统具有冗余特性，可以实现系统的自标定。重点研究了系统自标定的原理，采用初始动点的概念代替初始长度，建立了正确的自标定模型。提出了系统的标定和测量过程相互统一的新特征。最后综合运用各种数值算法对自标定模型进行了计算机仿真。仿真结果表明，激光跟踪干涉仪的测量误差对自标定参数的计算结果有重大影响。因此，自标定过程中需要保证激光跟踪干涉仪的测距精度。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。