基于深度投影的三维点云目标分割和碰撞检测

三维激光雷达被广泛应用在无人驾驶系统中对道路环境的检测和防碰撞检测。为增加激光雷达对扫描点云进行分割的准确性,提出一种基于深度投影的点云目标实时分割方法。首先采用体素化滤波去除噪声点,然后使用渐进式形态学滤波方法去除地面点,最后将点云进行深度投影,建立三维点云与深度投影图像的映射关系,利用深度投影图像的自适应角度阈值对点云进行目标分割,并将分割后的点云目标构造混合层次包围盒进行碰撞检测。实验结果表明该方法相对于传统聚类算法在时间效率上有明显提升,并且能有效降低过分割问题,实验数据目标分割准确率达到了78.82%,结合混合层次包围盒算法对分割后的点云目标进行碰撞检测,可有效地识别并判断物体空间位置关系,提升碰撞识别的准确性。     

一种平面轮廓分割与基元识别方法研究

为提高视觉测量系统的检测精度与检测速度,提出了一种平面轮廓分割与识别算法。首先对经过多边形逼近算法进行轮廓分割获得的分割点位置按一定规则进行修正;然后对分割点间的线段类型加以识别,对过度分割的圆弧段进行融合处理;最后用加权最小二乘拟合算法抑制了大的离群值的影响,将轮廓拟合成相对应的几何基元。对提出的方法分别进行检测精度与检测速度对比实验和基元识别能力测试实验。实验结果表明,提出的方法基元识别准确、检测速度快、通用性好。     

基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法

传统的可视化软件与方法不能够准确地反映受大气湍流以及大气边界层影响的大气参数的细节信息,难以实现连续性的大气参数演变过程.提出了一种基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法.分析了激光雷达数据的离散型特点,确定影响大气激光雷达数据可视化图形的关键因素,利用一定大气范围内的观测数据相互影响的关系,结合三次样条插值函数对插值数据进行修正并拟合观测数据的整体变化趋势.实验结果表明,该方法能够提高离散激光雷达数据间插值数据的准确性与可视化图形的平滑性,为激光雷达数据分析提供了有力手段.     

基于分开-合并的激光雷达距离图像特征提取

针对移动机器人依靠激光雷达感知环境的问题,提出一种基于分开-合并框架的直线特征提取算法。在分开阶段,用IEPF（iterative end point fit）算法对采集的激光雷达数据集合进行递归分割。在合并阶段,对由两相邻数据集合构成的新集合同时用EPF（end point fit）算法和总体最小二乘法进行拟合,如果两种拟合误差分别小于各自的阈值,则合并两个集合。合并阶段是一个递归过程,直到所有的两相邻数据集合都不满足上述合并条件才终止算法。对比实验结果表明,该算法大大降低了IEPF算法固定阈值所带来的过分割和欠分割的可能性,得到了很好的直线特征提取结果。     

基于视觉修正的激光雷达体积测量方法

针对激光雷达点云数据稀疏、扰动、存在噪声和其他方法难以迁移,实时性差等难题,面向“L”型小尺寸目标研究了一种基于视觉修正的激光雷达体积测量方法。该方法首先通过联合标定和时间戳最近邻匹配实现相机与激光雷达数据的对齐;然后经过目标检测算法获取图像中目标的信息,与此同时对点云数据执行地面分割得到地面点云与非地面点云,利用视觉投影和点云聚类实现目标点云的分割,使用KDtree找到目标点云附近的地面点云;最后,设计了一种三维框的拟合算法初步完成点云目标三维框的粗拟合,并建立视觉修正模型对于目标三维框进行细修正,从而实现目标体积的计算。实验结果表明,对于武器箱道具、医疗箱和油桶等“L”型物体,提出的算法在一定范围内,体积测量的平均相对误差小于4.44%、最大误差小于6.12%、最大重复性小于5.61%,并且基于视觉的修正模型大幅提高了算法的精度和稳定性,在嵌入式平台的处理1帧用时55 ms,能够实现实时高精度的体积测量,具有良好的工程应用前景。     

基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统设计

设计了一种基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统。依据米散射激光雷达的原理,研究了激光光束与大气气溶胶的相互作用,设计并搭建了米散射激光雷达大气气溶胶检测实验平台,利用Zemax设计了一套具有滤波聚焦功能的光学望远系统。通过对光束进行扩束并利用可调谐式固定装置来增强回波信号强度。实验结果表明,设计的系统具有高的回波信号强度和低的杂散光干扰,能获得超高信噪比的激光回波信号。由此大大降低了后续算法的难度,使测得的气溶胶数据更加准确。     

结合小波分析和分水岭分割法的微观表面形貌分析方法

为了实现微观表面粗糙峰特征参数的获取,提出了一种结合小波分析和分水岭分割法的微观表面形貌分析方法。该方法用小波分析从原始表面形貌数据中提取反映表面粗糙度的数据,然后用分水岭分割法对粗糙度数据进行粗糙峰分割,再通过曲面拟合获得表征每个粗糙峰的参数,最后通过统计得到整个粗糙表面的特征参数。将该方法用于分析玻璃微球的微观表面粗糙峰特征参数,获得了与传统方法接近的结果。     

基于立体视觉与激光雷达的车辆目标外形 位置融合算法研究

环境感知技术是智能汽车的关键技术之一,单独使用视觉传感器或激光雷达在目标检测和目标定位方面存在局限性。本文在图像和激光雷达目标检测的基础上,提出了一种基于立体视觉与激光雷达的车辆目标外形位置融合算法。首先,采用深度学习方法对图像和点云数据进行目标检测,再通过基于目标三维点和目标种类的目标外形位置估计方法确定目标的外形和位置,最后在数据关联后对同一时刻的图像目标及点云目标进行融合处理,获取目标的外形和位置。在KITTI数据集以及实际道路场景上验证了本文算法,实验结果表明,本文方法在检测精度上分别比YOLOv3网络、Point-GNN网络提高了5.72%和1.8%。另外,在20 m内目标外形及位置平均误差分别为4.34%和4.52%。     

基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割

提出了基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法以改善分割复杂图像和多目标图像时存在计算量大、计算时间长的问题。首先,分析了二维熵阈值分割原理,将二维熵单阈值分割扩展到二维熵多阈值分割。然后,引入萤火虫算法的思想,研究了萤火虫算法的仿生原理和寻优过程;提出了基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法。最后,使用该方法对典型图像进行阈值分割实验,并与二维熵穷举分割法、粒子群算法(PSO)二维熵多阈值分割法进行比较。实验结果表明:该方法在单阈值分割、双阈值分割和三阈值分割时分别比二维熵穷举分割法快3.91倍,1040.32倍和8128.85倍;另外,在阈值选取的准确性和计算时间方面均优于PSO二维熵多阈值分割法。结果显示,基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法能快速有效地解决复杂图像和多目标图像的分割问题。     

针对汽车精密扫描的激光雷达多站组网优化技术

针对多站激光雷达测量大型工件时站位布局与转站精度对测量结果影响大的问题,提出了基于最佳拟合的多站位点云数据匹配技术方案,通过计算数值化目标不确定度,约束公共靶点的误差范围,结合汽车框架几何外形特征完成靶标点分布设计,借助点云累计误差的统计分析完成最优站位选取。通过对单站、多站的标定测试实验,比较确定最优的三个站位组合,并在此基础上对汽车框架实物进行了三维扫描测量,定量计算了不同站位组合的目标重建精度。结果表明,本方法测试数据的角度不确定度最小,位置测量误差结果最优,最大误差为0.0418mm,平均误差为0.0063mm。因此,此技术具有更好的转站误差平差能力,对汽车框架等大型结构的精密测量具有一定的实用价值。     

非同轴激光雷达重叠因子的自校正系统设计

受振动，温度，预紧力变化等外部环境因素影响，激光雷达系统的激光发射光轴和望远镜接收光轴会发生变化，导致激光雷达系统的重叠因子发生变化，进而影响激光雷达系统的远场探测精度与探测稳定性。针对非同轴激光雷达提出开展重叠因子自校正的软硬件系统设计，采用二相电机驱动，具有自锁功能的蜗轮蜗杆发射光轴较正平台设计并搭建了激光发射光轴倾角调节系统，并以激光回波信号强度为校正判据寻找非同轴激光雷达系统收发光轴的最佳匹配位置。自校正过程采用粗扫描和细扫描相结合的方式，以实现校正精度和校正效率的综合考量，其中粗扫描采用环形扫时序，可在961 s内将激光发射光轴锁定在0.4 mrad×0.4 mrad倾角范围内；细扫描采用S形时序，可在441 s内实现激光发射光轴0.02 mrad的倾角调节精度。自校正前后的大气回波距离平方修正信号表明，设计的自校正系统能够实现非同轴激光雷达系统重叠因子的有效校正，并提升系统探测性能，为全天时，无人值守的激光雷达大气探测提供支持。     

基于激光雷达的无人驾驶系统三维车辆检测

针对无人驾驶系统环境感知中的三维车辆检测精度低的问题,提出了一种基于激光雷达的三维车辆检测算法.通过统计滤波与随机抽样一致算法(Random Sample Consensus,RANSAC)实现地面点云分割,剔除激光雷达数据冗余点及离群点;改进3DSSD深度神经网络,利用融合采样提取点云中车辆语义信息与距离信息;根据特...     

数控直线电机进给定位误差补偿技术研究

介绍了应用双频激光干涉仪测试数控直线电机进给的定位误差方法,并利用最小二乘法分别建立定位误差的线性模型、分段线性模型、样条拟合模型,并对数控直线电机进给的定位误差进行补偿。研究结果表明,采用软件补偿的方法可以较大地提高直线电机进给的定位精度。     

500m口径球面射电望远镜瞬时抛物面拟合精度的预估与改善

依据500m口径球面射电望远镜(FAST)主动反射面工作原理及相关结构尺寸,基于反射面单元动态面形精度分析研究了FAST瞬时抛物面的拟合精度。首先,以反射面单元为研究对象,自节点开始推导考虑了机构运动的反射面单元动态面形精度计算方法。然后,提取不同区域19块反射面单元的各自9种初始面形工况,给出了分析算例。最后,基于单元动态精度特性,提出瞬时抛物面机械本体拟合精度及考虑馈源照明函数的半光程差拟合精度预估方法,并给出2种改善措施,即扩大可控区至300m抛物面外一层节点靶标,及抛物面周圈节点靶标向球心、中心反向各自偏移4mm。结果表明:反射面单元初始面形应优选面形精度RMS为2mm的波浪式面板。改进控制策略后机械本体拟合精度提高至RMS为3.938mm,优于RMS为5mm的设计指标,此时半光程差拟合精度RMS为0.629mm。该项研究对确定反射面单元初始面形及调节瞬时抛物面拟合精度很有意义。     

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。     

可重构空间故障容错机械臂设计

从机械臂运动学的角度，定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂和特定任务故障容错机械臂，论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性，故障容错机械臂所应该具备的自由度数，以及针对不同的任务要求，设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点，建立机械臂参数与理想值相关的罚函数，选择有效的优化算法，设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂，通用一阶故障容错空间位置机械臂，以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂，建立起完整的故障容错机械臂的设计方法。     

用于激光雷达的高精度脉冲延时及脉宽控制研究

针对激光雷达距离选通可实现不同距离雷达回波信号的选通采集,采用AD9501延时芯片和单片机设计了脉冲延时时间和脉宽可调的延时电路。其中,采用LabVIEW编写上位机控制软件,2片延时芯片级联实现了16位精度的延时调节,第3片延时芯片及R-S触发器实现了8位精度的脉宽的调节。实验中,3片AD9501由单片机进行控制,通过调整电路参数和上位机参数,延时范围达到1.8 μs可调,延时精度大约为30 ps,存在固有延时280 ns,完全满足激光雷达距离选通的要求。     

基于PNN的电力变压器故障诊断方法

对油中溶解气体进行深入分析后,以改良的三比值法为基础,提出一种基于概率神经网络(PNN)的变压器故障诊断方法。该方法利用PNN的强大的非线性分类能力,将故障样本空间映射到故障模式空间中,可形成一个具有较强容错能力和结构自适应能力的诊断网络系统,从而提高故障诊断的准确率。仿真结果表明,实际案例数据验证了此方法准确率高,是一种有效的故障诊断方法。     

反光镜测试中曲面数据采集及拟合

为了求得未知椭球曲面的曲线方程,模拟曲面的几何结构,以数字投影系统中椭球反光镜为例,介绍了大口径非球面反光镜数据采集及拟合方法。利用三坐标测量机(CMM)对椭球反光镜面型进行精密测量,根据测试数据,采用数学拟合方法获得椭球反光镜的曲线方程。并对测试模型与拟合曲面进行了光线追迹和误差分析,拟合曲面与测试曲面符合较好。因此,采用三坐标测量机进行曲面数据采集及数学方法拟合,能够得到较理想的拟合曲面方程。