基于标志点的三维数据拼接方法研究

在三维测量领域,为了获取物体表面完整的三维数字信息,常常需要对物体进行多角度或分区域测量,最终获得不同坐标系下的多视点云数据,然后将该数据转换到同一坐标系,从而实现点云的拼接(point cloud registration).对点云数据进行高效、准确的拼接是三雏扫描仪获取物体深度信息的关键技术之一,就此技术常用的基于标志点的ICP,SVD和四元数法做了阐述,并对各算法的拼接结果进行了实验对比.实验表明:SVD和四元数算法精度相当,ICP法能较好地实现物体的三维数据拼接,精度较高.     

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。     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

基于多孔径重叠扫描拼接技术的圆柱度测量研究

提出了一种利用多孔径重叠扫描拼接技术的圆柱度非接触式测量新方法,可以有效地改进目前现有圆柱度测量方法中所存在的采样点不足、评定结果不统一等问题.该方法首先对圆柱体零件进行多个子孔径(单视角)的面形测量,其次,利用重叠区域面形信息建立相对空间位置关系,并通过坐标变换将各子孔径面形统一于同一坐标系下,从而实现完整面形的拼接测量.根据获得的圆柱体零件面形数据,可以实现零件圆柱度的精确评定.文中给出了基于多孔径重叠扫描拼接技术的光栅投射测量系统,计算机模拟和实验结果验证了拼接测量方法的可行性.     

基于单次成像的三维形貌拼接技术

针对大型物体的三维形貌测量,研究基于辅助靶标的三维形貌拼接技术,并在此基础上提出单摄像机单次成像求解转换矩阵的方法.该方法通过单摄像机单次成像,结合控制点的边长约束,求解出全局坐标系同局部测量坐标系的转换关系,进而将局部测量数据统一到全局坐标系下,实现拼接.此方法避免采用单摄像机多摄站测量时带来的繁琐操作以及产生的相关问题,大大提高拼接的速度,并且可以保证较高的精度.     

形貌测量中立体图像拼接的关键技术

提出一种基于全局控制点的立体图像拼接方法.以均匀散布在被测物周围的稳定的激光点作为全局控制点,建立全局坐标系;在单次区域测量中,引入拼接靶标,导出测头坐标系与拼接相机坐标系的转换关系;再以拼接相机为中介,导出测头坐标系与全局坐标系的关系,从而将区域测量的结果统一到全局坐标系,完成拼接.该方法能够避免繁多的标记点,保持被测表面的原有形貌,克服基于相邻图像重叠拼接中误差累积的问题.     

多视点大空间三维坐标数据归一化方法

提出了一种在一个编码区内利用立体视觉传感器两次单元测量重叠区域内的公共光学编码点来完成多视点三维数据拼接的方法.通过奇异值分解法求取立体视觉传感器位姿变换的R和T矩阵,将后一次单元测量结果转换到前一次单元测量的坐标系下,完成坐标系的归一化.实验证明,该方法在使用12个编码点求解时,坐标归一化后在X、Y、Z方向上1.2 m×1 m×0.4 m范围内的平均误差分别为0.08 mm、-0.07 mm和-0.02 mm,达到了较高的拼接精度,同时该方法无需在被测目标上粘贴任何特征点,真正实现了非接触测量.     

磨削阶段大口径非球面拼接测量技术

为实现对磨削加工阶段大口径非球面光学元件的精密测量,提出一种基于坐标测量的多段拼接综合优化数据处理模型。基于多体系统理论、最小二乘原理建立两段面形轮廓拼接数学模型;提出基于曲率原理和非球面方程最小二乘拟合的冗余数据剔除数学模型;建立多段拼接的综合优化处理模型;利用Taylor Hobson轮廓仪对口径为176 mm的非轴对称非球面光学元件的3条母线进行分段测量试验并通过文中提出的数学模型进行数据拼接处理,试验结果表明,拼接测量结果与单次测量结果相比,误差最大值的平均值为0.25μm,最小值的平均值为–0.22μm,比该光学元件的面形峰-谷值2.77μm高出一个数量级,达到检测要求。试验结果证明所提多段拼接综合优化数据处理模型的正确性及有效性,该模型可以进行工程应用。     

大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

采用立体视觉的子孔径拼接测量工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统,对该系统的数学模型、测量原理以及基于四元数法的位姿变换矩阵求取方法进行了研究。首先,介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,并基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求,接着引入了立体视觉辅助测量系统,建立了其通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01度,能够给优化拼接算法提供一个有效的初始值,且该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且在其视场范围内不产生误差累积,方法简单实用,稳定可靠。     

电梯导轨几何误差测试系统

开发了一套电梯导轨测试系统，该系统用于静态测量电梯导轨的几何参数，包括导轨三个导向面的直线度、平面度、导轨的宽度、高度、垂直度和扭曲度等。在测量系统中，5个光栅传感器通过适当配置用于测量电梯导轨三个面的直线度，两侧面的平面度和导轨的其他参数可以通过这些传感器的值经过适当的数学变换获得。用一个双频激光干涉仪标定了系统导轨的运动误差，用有限元分析方法对测量时导轨的挠度进行建模，进行了系统误差和挠度的补偿。实验表明，系统的测量误差小于0．05mm。     

轻轨转向架分离设备液压升降平台的改进

轻轨转向架分离设备液压升降平台作为轻轨车辆的检修维护设备,已在重庆市轻轨二号线中投入使用,经过一段时间使用,发现该升降平台存在基准面对位精度差的缺陷。针对该液压升降平台对位精度不足的问题,在充分吸收原有设备优点的基础上,采用带位置检测的液压缸和比例阀来替代原液压系统中所采用的三级油缸和普通电磁换向阀,同时运用闭环同步控制技术,完善了该液压系统的同步控制策略,对该升降平台液压系统进行了优化改进。研究结果表明,改进后该液压升降平台的沉降梁基面与水泥地面梁基面对位精度达到水平错位小于2 mm,左、右错位小于3 mm,对位精度满足该设备的设计性能要求,可实现该液压升降平台的高精度、平稳和可靠运行,可为轻轨车辆连续运营提供可靠保证。     

激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用

为降低投影距离的定位误差，保证轨道车辆在焊接过程中的施工精度，基于激光线投影技术设计轨道车辆全位置焊接控制系统。设计光学反馈模块，确定机械光源、摄像机和镜头的结构参数；设计嵌入式平台，基于数据控制单元，实现数据的接收、连接、终止与处理。通过计算水平角与俯仰角的偏差值，自动建立轨道车辆焊接位置坐标系，计算激光投影误差，在旋转坐标下获取高斯分布的模版参数，实现激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用。在实验中，对比4种不同焊接方法在X轴、Y轴、Z轴中对目标点的定位误差，结果表明，目标点的定位误差会随投影距离增加而增加，其中激光投影技术在投影距离不超过5 m时的定位误差均小于3 mm,可见该方法的控制精度较好。     

对称 T型钢轨外形磨耗测量仪研究

介绍了对称T型钢轨外形磨耗测量仪的结构及数学模型。用Matlab对其进行运动仿真、参数优化,分析其原理误差及编码器量化误差。理论分析结果表明：仪器选用10000线的光电编码器可满足形状极差要求;仪器测量范围覆盖完整轨头断面,测量范围大,同时体积小,更便携。     

Translohr有轨电车导向轨轮接触模型研究*

基于调研上海张江Translohr有轨电车线路导向轨磨耗的基础上,推断出导向轮与导向轨的两种稳定的接触状态：两导向轮的踏面与倒V形导向轨的两个顶面接触,以及一侧导向轮轮缘与导向轨一侧轨腰接触状态。在忽略接触点位置变化的前提下,提出导向轮与导向轨之间的接触关系可简化为四点单边弹簧的等效力学模型。在Matlab/Simulink环境中建立Translohr有轨电车的动力学模型,其中动力走行部模型中引入Dummy体以简化空间四连杆的导向机构。仿真计算Translohr有轨电车在不同半径曲线上的轮轨接触状态,并实际测量了Translohr有轨电车在上海张江线路的轮轨导向力。仿真结果说明在40 m半径曲线上处于导向轮踏面与导向轨顶面接触接触状态,在25 m半径的曲线上出现一侧导向轮踏面和轮缘接触状态。仿真得到的轮轨导向力数值与实际测量结果具有较好的一致性。建立的导向轮轨模型可用来研究Translohr有轨电车导向轨侧磨产生的条件和影响因素。     

模糊算法对柴油机电控共轨燃油系统轨压控制的影响

为了改善柴油机缸内燃烧效果,提高电控共轨系统压力控制精度,利用SIMULINK软件设计了鲁棒性较强的模糊-PID联合控制器,针对电控高压共轨燃油喷射系统的特点建立了仿真模型,模拟计算了模糊-PID联合控制器对共轨压力波动的控制过程,利用试验对仿真结果进行了验证,并探究了标准PID和模糊-PID两种控制器的优越性。结果表明:模糊-PID联合控制器具有良好的稳压作用,显著提高了共轨系统的灵敏程度,且设计参数的选择和匹配合理可行。同标准PID控制器相比,模糊-PID联合控制器的误差小,控制精度高。     

基于离线监督性学习的高铁轮轨关系在线检测技术

为维持高铁稳定运行,提升资源运输安全,在离线监督性学习算法的基础上,提出了一种轮轨关系在线检测技术。通过高速摄像机获取待检测图像,并进行拼接处理;计算加速度、轮轨力和轮轨间关系,依据关键部分的振动值得到列车的加速度值,以此判断列车是否处于平稳运行状态;通过间接测量法计算列车的横向力平衡方程和侧滚力矩平衡方程,得到轮轨力具体值;通过 k 均值算法聚类处理以明确各个样本的类中心,找出样本数量最少的类,设为异常类,完成高铁轮轨关系的在线检测。仿真实验结果表明,在稳定性、数据可靠性和实际应用方面,各项参数曲线变化幅度极为相同,曲线走向几乎一致,且使用后的轮轨接触状态较好,满足高铁轮轨关系在线检测技术的实际应用需求。     

Design,development, and calibration of a force-moment measurement system for wheel–rail contact mechanics in roller rigs

A force measurement system, referred to as “dynamometer”, for accurately acquiring the contact forces and moment in a single-wheel roller rig using piezo-electric load cells is designed and developed. Accurate determination of the wheel–rail contact forces and moments is an essential requirement for studying the wheel–rail contact mechanics. The dynamometer is placed in the load-path between the wheel–rail interface and the ground, enabling it to measure the forces and moments at the interface. A series of tests are performed to determine the quasi-static and dynamic characteristics of the dynamometer. Additionally, finite element analysis and multi-body dynamic modeling are used to establish flexural modes and dynamic interface between the components. The simulation and test results indicate that the dynamometer is able to accurately and reliably measure the contact forces and moments at the wheel–rail interface.     

车速变化对钢轨磨损影响的数值计算与实验研究

用数值计算方法分析静态接触情况下,轮轨接触质点间蠕滑力、黏滑区的分布随横移量和摇头角变化速率的变化,利用模拟试验研究有制动力作用下车速对钢轨试样磨损特性的影响。结果表明:有制动力影响时钢轨磨损量随车速的增大呈非线性减小,在车速小于160 km/h时,钢轨磨损量随车速增加急剧减小,但是当车速超过200 km/h之后,磨损量随车速的增大而下降的趋势相对比较平缓;随着摇头角变化速率和横移量变化速率的增大,轮轨接触斑中最大滑动量逐渐减小,滑移区的面积减小,而黏着区的面积增大。     

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。