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。     

宽光束波前测量子孔径拼接方法研究

目前检测大口径光学系统质量一般是使用大口径干涉仪,需要加工高精度的标准表面,不仅难度大,而且制造周期长,制造成本高.因此,在ICF应用上使用子孔径拼接的方案,用小口径、高精度、高分辨率的干涉仪来复原大口径光学元件的波前相位数据.这是一项新的高精度大孔径面形检测手段.既保留了干涉测量的高精度,又免去了使用与全孔径尺寸相同的标准波面,降低了成本,并且可获得大孔径干涉仪所截去的波面高频信息,为高空间频率范围的检测评价提供了手段.文中提出一种不同于ICF应用上的一种子孔径拼接方法.     

用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法

针对拼接干涉检测系统机械定位精度引起的各子孔径间的相对定位误差,提出了含定位误差补偿项的全局最优化拼接算法。介绍了该算法原理,从理论上分析了该算法拟合出的平移和旋转定位系数的精度。结合MetroPro和Matlab软件仿真模拟实验,分析了机械定位误差对拼接检测精度的影响。实验表明:拟合出的平移定位系数精度高于旋转定位系数精度,与理论分析一致;相对于一般算法,该算法对机械误差有较强的免疫力。在搭建的拼接检测装置上检测了口径为150mm的平面镜,结果显示:拼接结果与干涉仪直接检测的全口径相位残差的分布峰谷值(PV)为0.015 30λ,均方根值(RMS)为0.001 570λ,得到的结果十分接近,验证了该算法稳定可靠,能够合理有效地补偿机械精度引起的子孔径定位误差。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

子孔径变换与多孔径扫描拼接技术

多孔径扫描拼接技术是检测高精度大孔径平面面形的有效手段。利用子孔径变换实现多孔径扫描拼接,具有精度高,可靠性好,数据处理简单的特点。本文给出了数学模型,并分析了实测结果。     

子孔径检测及拼接的目标函数分析法

利用子孔径检测及拼接的方法可以完成大口径面形的干涉测量,本文提出实现子孔径拼接的目标函数分析法,并通过建立每个子孔径的相关矩阵及相关向量。每个重叠区的拟合矩阵及拟合向量,实现了子孔径的拼接。该方法简单易行且避免了误差传递和积累。     

基于环形子孔径拼接法检测非球面研究

介绍了基于点衍射干涉仪的环形子孔径拼接检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,相对传统非球面检测方法,这种方法可以有效避免高精度补偿器件的使用,它通过不同曲率半径的球面波前来匹配被测非球面的不同同心环带区域,然后通过拼接算法重构整个非球面表面。在对一非球面的仿真测试中,测量的PV值为λ／131,RMS值为λ／830（工作波长为632．8nm）,试验表明：该算法是切实可行的,具有较高的精度。     

大尺寸工件在机视觉测量的图像拼接方法

大型工件在制造过程中需要拆卸到坐标测量机上进行测量,造成效率低下、质量不易控制等问题。本文提出一种用于大尺寸工件在机视觉测量的图像拼接方法。将摄像机安装在数控机床上,通过控制机床工作台移动,摄取多幅图像,并对其进行高精度拼接。探讨了图像拍摄规则、重叠图像对的合理定义、角点提取和射影变换矩阵的计算问题。尺寸测量结果验证了该方法的有效性和高精度、高效率。     

子孔径干涉拼接测量非球面的模型分析

针对非球面波前本身带有波前误差的特点和测量中由于装调误差而带来的新的波前误差,提出基于多阶波前误差校准实现子孔径间重叠区不匹配度最小化的方法,建立待拼接的子孔径间相位关系模型;应用逐步回归法确定拼接测量中各波前误差对拼接精度影响的权重,进一步得到优化的子孔径干涉拼接测量（SSI）非球面的测量模型,并且获得较好的波面重构结果。仿真分析表明,理论上该测量模型的拟合精度高于传统测量模型,进一步仿真测量实验表明,基于波像差校准的拼接测量模型能够满足高精密非球面测量的要求。     

结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统

三维轮廓检测能力决定了光学自由曲面开发的进度和应用的范围。基于条纹反射法检测原理提出了一种结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统。该系统主要用于光学自由曲面轮廓的检测,以立体视觉测量得到的光学自由曲面轮廓数据作为初值,结合相位测量偏折法测量数据的迭代,得到精度更高的光学自由曲面轮廓测量结果。实验结果表明,该系统可测量直径为300 mm、倾斜角范围为±20°的自由曲面光学元件,系统的复合测量能力强,光学自由曲面的测量不确定度小于±1μm。     

线激光-立体视觉三维数据获取系统研究

通过将三目立体视觉和线激光扫描传感器两种物体表面三维数据获取设备集成到三坐标测量机(CMM),形成一种新型的反求工程中的数据获取系统,其中由三目立体视觉来获得物体的边界或轮廓信息、线激光扫描传感器获得物体表面的三维数据,利用多传感器的信息融合技术对三维数据进行分割,提取被测物体的几何特征,并在此基础上构建物体模型.采用这种多传感器集成坐标测量系统避免了单一传感器的局限性,从而为非接触测量系统在反求工程中的应用开辟了新的途径.     

一种基于双目视觉的手眼标定方法

提供了一种能同时标定摄像机与机器人手眼关系的方法,精确控制视觉机器人末端执行器做2次旋转运动和5次平移运动.建立视觉机器人末端执行机构和摄像机两个坐标系之间位置相互转换的方程,求得摄像机内参数及手眼关系,在标定的过程中取黑白棋盘中的一个成像点,无需匹配和正交运动,方便对执行机构进行控制.模拟实验数据与真实图像数据试验表明,该手眼标定方法可行、有效.     

基于双目立体视觉的低频振动测量

为了满足物体振动的测量要求,基于双目立体视觉测量的原理,设计了一套可以在线采集、离线处理的非接触式低频振动测量的视觉系统。通过滤波去除噪声,采用Canny算子和最小二乘法椭圆拟合提取到标志点的轮廓和中心坐标,在已知特征点的空间分布规律的条件下,通过相应的坐标排序方式,对左右视图对应特征点进行准确的匹配,获得了特征点的三维坐标数据。最后对比每一帧图像中对应特征点三维坐标数据,得到待测物的振动信息。通过直线导轨作为振动源带动待测物运动的方式进行了测量实验,实验结果显示,该系统的检测精度达到±0.15mm/m以上,基本满足低频振动测量的稳定可靠、精度高等要求。     

空间点的立体视觉传感器标定方法

给出了一种基于随机空间点的立体视觉传感器高精度标定方法.该方法无需求解单个摄像机的内外参数,而是将立体视觉传感器透视变换矩阵中的元素作为未知量,当已知一组由高精度三坐标测量机提供的三维空间点坐标及其对应的图像点坐标时,即可利用奇异值分解法求解出各未知量的最小二乘解,从而避免了使用各类标定模板时由于加工和测量误差引入的标定误差.最后用标定过的立体视觉传感器对一组随机空间点进行三维坐标测量,与坐标测量机给出值进行比较表明,在误差最大的X轴方向,测量误差＜0.05 mm,在Y轴和Z轴方向,测量误差＜0.01 mm,证明了该方法的有效性.     

基于双目立体视觉的工业机器人在线温度补偿

工业机器人在工业现场进行连续高速作业过程中,电机发热和关节摩擦生热将导致机械臂本体温度升高,引起机器人末端定位漂移,严重影响机器人的重复定位精度和作业精度。针对制造现场的工业机器人,提出了一种基于双目立体视觉的温度误差在线补偿方法,并基于微分运动学和双目视觉原理构建了温度误差补偿模型。在机器人末端安装基准球,同时在基座附近固定视觉测量传感器,机器人完成作业循环之后,以不同的姿态带动基准球至传感器视场内进行补偿测量。此外,通过分析各关节参数随时间变化的规律,筛选出符合温度漂移规律的显著性参数进行补偿,有效降低了补偿测量次数和耗时。实验结果显示,补偿后机器人的重复定位精度可维持在±0.1mm的水平,能够显著改善制造现场工业机器人的作业精度,且整个补偿测量过程耗时10s左右。     

基于双目立体视觉技术的子母弹抛撒面积测量方法研究

子母弹已成为枪、火箭弹和导弹增强火力的一种军需品,且已几乎广泛装备于所有国家.子母弹的杀伤效果已引起越来越多的关注.子母弹的散射面积是评估其杀伤效果的主要标准.论文提出了一种基于双目立体视觉测量理论的子母弹抛撒面积的测试方法,研究了双目立体摄像机的标定原理.依赖于相邻像素梯度场的匹配算法是通过采集双目相机左和右图像的一对数据点来得到匹配点的空间信息,从而计算出子母弹飞行路径的3D空间位置.论文采用与静爆子母弹抛撒轨迹相似的雨伞进行室内拍摄实验,得到了雨伞对地面的投影面积.仿真实验结果验证了所提出方法的可行性.     

双目视觉中空间圆弧的高精度测量方法

提出一种基于双目视觉的空间圆弧高精度测量方法.首先为提高图像中曲线的中心点位置提取精度使用Steger方法,其次在图像匹配过程中为快速准确获取匹配点对,提出通过计算右图像中极线与直线交点的方法寻找匹配点,其中该直线由距极线最近邻和次近邻且分配在极线两侧的两点确定,最后对三维数据拟合得到空间圆心坐标和圆半径,针对传统方法鲁棒性差的问题,提出基于平面约束的空间圆弧拟合方法.实验结果表明,与传统检测方法相比较,该方法对空间圆弧的高精度测量具有较好的精确性和鲁棒性.