挖掘机操作臂姿态非接触式实时测量系统

针对挖掘机机器人化作业控制系统中,测量操作臂姿态的旋转编码器等接触式传感器易因碰撞而损坏,传统的非接触式测量系统测量范围小,响应速度慢等不足,建立了一种挖掘机操作臂姿态非接触式实时测量系统。该系统基于机器视觉和三组人工靶标,操作臂的姿态用人工靶标中的三个X角点所在直线方向表示,并以此为基础,提出X角点分组跟踪策略,将各组靶标中X角点的检测范围限定在某一特定矩形区域内,应用X角点的间距作为约束条件完成人工靶标图像识别,实时计算得到操作臂姿态参数。动态测量试验表明:动臂和铲斗姿态测量误差分别在±0.5°、±1°内;X角点分组跟踪策略缩减了80%的图像检测面积,测量平均耗时仅63ms/帧,满足挖掘机实时控制要求。     

基于挖掘机GNSS精确定位的开采姿态监测系统

通过对挖掘机工作装置的分析,确定挖掘机开采姿态监测需要测量的参数,基于GNSS精确定位测姿与视觉监测技术确定各参数,解算出挖掘机的实时状态,集成入挖掘机开采姿态监测系统。该系统的应用,可以实现对挖掘机开采姿态的实时监测,结合服务器数据可对挖掘作业准确引导。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

基于视觉与激光准直的激光跟踪姿态角测量方法

针对大型装备建造、航空航天、汽车等领域对姿态测量技术的需求,提出一种以激光跟踪设备为基站,视觉测量与激光准直技术相结合的姿态测量方法。首先对测量模型中涉及的坐标系进行了定义,其次建立了激光跟踪设备坐标系与视觉坐标系之间的转换关系,通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角的测量,在上述基础上,基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量。最后在实验室环境下搭建了姿态测量验证实验平台,将靶标装载在三自由度摇摆台上,利用六轴绝对关节臂姿态角测量值作为基准进行比对,实验证明,在测量距离为2.5 m处,姿态角测量范围为-20°～20°时,姿态角测量误差绝对值可控制在2°内。     

力觉遥示教姿态几何平面法

提出基于力觉搜寻焊接坡口遥示教点方法和力觉遥示教姿态几何平面法,并给出利用遥示教姿态几何平面法计算遥示教工作角α和行走角β的方法.实验表明:基于力觉遥示教工作角αf和行走角βf较手工示教工作角αh和行走角βh误差小,误差分布较均匀,通过做平均值滤波处理,误差在±4°范围内,满足遥控焊接遥示教精度要求,其中建立的数学模型和实验数据,为遥示教姿态自适应调整奠定了基础.     

接触式交互感知的人体三维坐姿姿态估计

针对视觉姿态估计方法受覆盖遮挡等干扰,提出一种基于座椅面压力图像的人体三维坐姿姿态估计方法,建立坐姿时 座椅面体压分布与人体三维姿态之间的跨域联系。 设计了一套基于压力-视觉的坐姿训练系统,将阵列式压力传感器嵌入在座 椅面中感知坐姿变换,利用时间戳实现压力图像和双目视觉图像的同步匹配。 采取双边滤波消除压力图像的尖峰噪声;依靠 OpenPose 姿态估计、三角测量等手段从双目视觉图像中提出 19 个三维关键点;为提高姿态估计精度,提出随机梯度下降最小化 损失函数的方法来优化三维关键点坐标,并利用 3D 高斯滤波器进一步生成 3D 关键点置信度图。 设计一个基于多层卷积神经 网络的压力-视觉跨域深度学习模型,以连续的多帧压力图像作为模型输入,包含三维关键点坐标及其置信度图的 3D 姿态估计 结果作为监督对模型进行训练。 算法依靠椅面上的阵列传感器接触感知坐姿时的压力分布,就能够准确的估计包含 19 个人体 关键点的三维坐姿姿态,在验证集上测试,19 个关键点平均误差 9. 7 cm。     

双轴倾角传感器姿态角测量的建模与标定

根据双轴倾角传感器的测量原理,建立了姿态角的测量模型。针对该测量模型,分别研究了无误差和误差下的姿态角的求解模型,并通过坐标变换算法,建立了含误差项的姿态角的求解模型。针对该模型的误差项,讨论了双轴倾角传感器姿态角测量的标定算法。在±4°范围内,通过实验对该标定算法进行了验证。实验结果表明,经修正,双轴倾角传感器的双轴标定精度由修正前的0.118°提高到0.012 46°,该标定算法使双轴倾角传感器的标定误差减小了一个数量级。该标定算法简单、快速,可以满足诸多场合对于姿态角测量的0.03°标定精度要求。     

火箭喷管运动视觉测试精度的校准与实验

基于新型双轴摇摆直线升降运动校准装置,提出了一种喷管运动视觉测量系统的校准方法。首先,将校准装置提供的摆心、摆角的标准值与视觉测量系统的测量值在空间上对应起来,通过校准装置提供给喷管模型2次不同轴的摆动,推导出视觉运动测量系统的世界坐标系与喷管摆角坐标系之间的位姿关系。然后求解出二者位姿矩阵和平移向量,在视觉运动测量系统中建立喷管的摆角坐标系;通过时间同步系统向校准装置和视觉运动测量系统发送同步时间基准信号和同步触发信号,同步二者的采样时间,实现标准值与测量值在时间上的对应关系,完成摆动动态数据的直接比较。最后对喷管运动视觉测量系统进行了校准实验,分析了喷管在±12°的摆动空间内不同位置的摆心、摆角的测量误差。实验结果表明,在运动范围内摆角的最大测量误差为0.093°,摆心的最大测量误差为0.832mm。     

二维合作目标的单相机空间位姿测量方法

针对空间交会对接的近距离位姿测量要求,提出了一种基于单目视觉的二维合作目标位姿解算算法。为方便空中移动平台的调整以满足特定的位姿关系,引入了一种新的姿态角定义方法,此方法定义的三个姿态角可以作为平台姿态调整的反馈量且不受旋转顺序的限制。平面模型相对于相机坐标系的三个姿态角和位置向量可通过平面单应矩阵直接导出。在测量实验中,算法基于DSP平台实现,合作目标由4个共面LED光源构成,测量值基准由高精度倾角传感器和全站仪获得。对空间位置变化范围为2m×2m,姿态角变化范围为-30°~30°的目标平面进行测量,结果表明,本算法可实现0.88%的相对位置定位误差和最大为0.996°的姿态角测量误差,且单帧算法的解算速度仅为0.25ms。     

基于深度学习的飞行器姿态分析研究

在分析运动物体姿态的任务中,分析算法的精度与速度十分重要。以飞行器作为研究对象,提出一种基于深度学习的姿态分析算法,提高算法精准度并缩短训练时间。该算法首先采用改进的级联卷积网络框架,对二维图像中目标物体的关键点实现精准定位,其次选用BP神经网络对姿态角进行回归训练,将关键点坐标作为模型输入,姿态角作为模型输出标签。试验结果表明,在设计的姿态分析算法中,其预测的飞行器姿态角的平均绝对误差可控制在0.6°～1.6°,约有98.91%样本的预测姿态角与真实姿态角的绝对误差可控制在3°以内,相比于传统的姿态分析算法,具有更高的识别率及较低的训练速度。     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代(WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了一种WAOI算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于WAOI的姿态角测量进行精度评定。结果表明,在-20°～20°角度范围内,3～15 m测量范围内,方位角精度可达0.11°,俯仰角精度可达0.26°。相较比例正交投影迭代变化(POSIT),方位角和俯仰角测角精度均提升75%以上。本文提出的WAOI算法有效提升了激光跟踪姿态测量系统的精度。     

工件多角度视觉测量方法

角度视觉测量是一项基于图像处建的角度测量技术,可实现快速和非接触式测量,同时克服了人为因素.以三角形工件为研究对象,首先利用Canny算子实现工件边缘检测,然后利用Hough变换获取图像中的多条线段特征,经处理获取三条边对应的线段特征,最后确定三个角的位置及角度值,从而实现了工件多角度自动化测量.试验表明,该算法可以同时获取三个角的对应角度值,实现了快速测量;同时其绝对误差在±0.1°内,可以满足当前工件角度检测要求.     

面向激光跟踪测量的大范围高精度姿态测量

针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求,提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计,并建立了姿态测量数学模型;其次,分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性,基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型,动态校正特征点像素坐标模型,提升了特征点的提取精度;之后,结合合作靶标几何特性、EPnP算法、Soft-POSIT算法提出一种改进的姿态测量方法,建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制,实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后,利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明：在3～10 m,方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内,适配有14个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.049°;适配有10个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强,对合作靶标特征点布局约束较小,可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。     

基于机器视觉的总段对接方法

针对总段对接过程中的定位问题,设计一种视觉定位装置,分析像素坐标与靶标的转换关系,通过机器视觉方法实现对接面关键点的偏差测量。基于该视觉定位装置设计一套视觉定位系统算法,能够结合多套视觉定位装置的结果,给出总段调整指令,为总段的精准自动化智能对接提供保障。测试实验结果表明该方法有较好的性能,满足工程使用需求。     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

车削工件表面粗糙度在机视觉测量装置的设计

为了解决传统触针式测量粗糙度仪器的不足,设计了一种车削工件表面粗糙度的在机测量装置,通过一套装夹机构,实现了视觉系统与机床的结合.为了获得高品质的图像,进行了光照实验,结果表明,采用红光60°角照射比白色背景光效果更好.此视觉测量装置,将为最终实现数控车床工件表面粗糙度在线监测,提供有效的手段.     

基于定位平台的大尺寸工件视觉测量技术研究

对于大幅面工件的几何尺寸很难进行全尺寸视觉测量的问题,提出一种单目视觉加运动控制联合的测量方法.该方法结合了图像检测功能与运动平台的可移动特点,对大尺度工件进行分区编号,控制直线精密定位平台按逆时针顺序对相应区域进行图像采集处理,并建立一种基于Canny边缘检测与分段序贯最小二乘法拟合求交点的角点检测算法,通过获取先后两不同区域图像角点坐标的偏差,结合定位平台位移信息,实现对大幅面工件的全尺寸视觉测量.最后运用建立的大尺寸工件视觉测量系统对特征丰富的工件进行测量实验,实验结果表明系统在200mm测量范围内可保证0.05mm的精度要求.     

LED光源平均发光强度检测的影响因素分析

以LED光度光色空间分布综合校准装置中平均发光强度的测量为对象展开研究。为提高检测精度,通过在远/近场条件下测量距离和LED安装角度偏差对平均发光强度影响的分析,对检测系统中距离、定位实现装置提出精度要求。系统中采用满足精度要求的位移台实现远/近场距离调节;以CCD采集LED轮廓图像,使用Hough变换和图像质心结合的方法对LED的安装进行准确定位,从而提高LED平均发光强度的测量精度,保证检测系统具有良好的可靠性和准确性。     

一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法

针对球姿态视觉检测中图像的“近大远小”透视畸变问题,提出了一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法。基于相机成像模型分析了透视畸变的特点及产生原因,根据已知的球体特征模型、相机标定技术和逆透视变换原理构建了图像透视畸变校正模型,进而实现球体任意姿态图像的透视畸变校正。实验结果表明,利用该方法测量直径60 mm以内的球体姿态时平均绝对误差低于0.6°,且该方法适用于工业生产中球体的其他视觉测量。     

载机飞行参数对倾斜成像重叠率影响及补偿

针对飞机姿态角、速度、高度对重叠率影响进行分析并给出了补偿方法。以图像目标直接地理定位方法为基础,给出了大倾斜成像重叠率的基于坐标变换分析方法;对飞行参数单变量影响给出了几何分析方法及计算公式,两种方法结果是一致的。对于载机姿态角综合作用影响,利用基于坐标变换的方法给出了载机姿态角波动在1°范围内,分析了图像目标区域与预期区域偏离的结果,同时提出了使用相机位角和俯角对飞机姿态角影响进行补偿的方法,并给出了基于坐标变换方法的相机位角和俯角补偿量计算公式;基于几何分析结果,提出了通过调整拍照周期对载机速度和载机高度波动影响进行补偿方法,并给出拍照周期的计算公式。仿真结果和实际飞行数据表明,使用相机位角和俯角进行载机姿态补偿,同时调整拍照周期,可以很好抑制航拍过程中飞机参数波动对重叠率影响,在小视场角0.88°时,在平坦地区重叠率均值与预期值偏差为1%。