基于视觉的挖掘机工作装置位姿测量

针对接触式传感器在恶劣环境中测量位姿不可靠这一问题,研究了通过非接触式的视觉摄像机来识别挖掘机工作装置位姿信息的方法。首先,采用摄像机拍摄挖掘机工作装置的2维图,将其经过图像处理得到二值化图像。然后,对图像进行轮廓提取,获得了工作装置关节点的像素坐标,并对比了不同算法的精确性。最后,通过理论计算推导出坐标系之间的转换矩阵,结合Open CV软件将像素坐标转换为世界坐标,并利用实验验证了其正确性。实验表明:该方法测量所得结果与全站仪测得结果的误差在30 mm内,两者吻合较好,可以应用于挖掘机位姿的实际测量中。     

珠线式模板在Freehand超声图像快速 标定中的应用*

为了精确标定freehand超声图像坐标系与固定于超声探头上的跟踪设备坐标系间坐标转换关系,提出一种“Z”形珠线模板,由双层“Z”形棉线与精确定位的圆珠构成。定位珠能够引导用户将探头准确定位,即将定位珠全部收入图像视野中。计算定位珠在超声图像中成像点间距的比例关系,根据其相应的模板空间间距比例制定优化算法,校准用户拾取的图像坐标。应用同源点匹配算法得到超声图像平面坐标系与磁跟踪设备坐标系间的空间转换关系,从而实现2-D超声图像向3-D空间坐标系的定位转换。标定结果显示此方法与以往的标定方法相比：加快了标定速度,且标定精度与重建精度有所提高。试验采用磁定位方式进行探头的跟踪定位,此方法同样适用于其他定位方式。     

应用SVM算法的相位—三维坐标标定方法

在采用光栅投影轮廓术的立体视觉方法对目标物体重构过程中,关键的步骤就是求得目标物表面特征点的相位与三维坐标的映射关系。通过对单目相机与投影仪组成的视觉系统建立模型,并对相机坐标系与投影仪坐标系进行空间解析,可得空间中任意一点在图像中坐标(u,v)、绝对相位θ与其在相机坐标系下的三维坐标(xc,yc,zc)存在复杂的非线映射关系。提出基于SVM算法的相位—三维坐标标定方法,用带有圆形标志点的平面标定板进行SVM回归模型的样本采集与训练。并通过对测试集回归预测的数据与实际测量中的数据进行对比,分析实验结果显示该标定方法确实可行,具有较高的标定精度。     

光学定位脑外科机器人系统及其空间配准

坐标标定与空间配准是图像导引的无框架脑外科立体定向机器人研究中的基本问题。为了实现简便、快捷的空间注册和标定，并提高机器人立体定位的精度，本文提出一种基于光学定位的脑外科机器人系统方案，并介绍了系统的构造、工作原理及流程，分析了基于光学定位手段建立从计算机图像空间到机器人现实操作空间的坐标映射的简捷、有效的方法。该系统基于标志点进行空间配准，采用光学跟踪定位手段，可以实时跟踪修正机器人的末端位姿，使系统在操作精度、操作便捷性和智能化方面有很大的改善。本研究提出的系统方法和坐标系映射转换关系，为实际应用提供了理论基础。     

基于图像处理的机器人目标识别与定位系统

为实现移动机器人对目标的导引,提出了一种简单有效的方法。机器人视觉系统的关键技术是对目标实时、准确的提取,而目标提取的实质是图像分割。该文介绍了一种基于色彩空间参照表的适用于机器人视觉系统目标提取的图像分割算法,通过图像处理计算出主动目标图像特征的质点来实现对目标的定位,利用神经网络建立了目标从图像空间到摄像机空间的坐标对应关系,从而对空间运动目标进行了定位。仿真结果也验证了该方法的有效性和可行性。     

空间目标天基双星立体天文定位

为了提高天基光学传感器观测空间目标的定位精度,基于天文定位原理,提出了一种天基空间目标双星立体天文定位方法.首先,根据光学载荷固有参数,分析了空间目标在光学传感器上成像特性,选择阈值质心法精确提取目标在二维像平面上位置.接着,基于目标到观测传感器全链路坐标投影变换关系,建立了地球惯性坐标系下目标的观测矢量模型.然后,结合最小二乘法准则,建立了双星立体天文几何定位模型,完成空间目标从二维图像信息到三维空间信息的投影变换.最后,搭建地面实验生成了含空间目标的星空图像,并完成了定位算法验证和误差仿真分析.实验结果表明:当定位模型中没有误差时,定位精度可达10-5 m;当同时存在卫星位置误差、卫星姿态误差、卫星轨道误差、相机安装误差和图像处理误差时,定位误差分布为均值为零,标准差为114.62 m的高斯分布,基本满足定位需求.本文的研究工作可为天基空间目标的高精度检测定位提供参考.     

基于样条变换多元回归模型的摄像机标定算法

针对摄像机隐式标定算法中存在的样本点数少和精度要求高的矛盾,利用样条变换多元回归模型,提出一种改进的摄像机隐式标定算法。首先采集标定图片中有限个标定样本点的像素坐标和相应的世界坐标,然后通过样条变换建立像素坐标和世界坐标间的多元回归模型,获得二维图像在世界坐标系中的三维信息,完成摄像机的标定。算法发挥上述模型在标定样本点有限的条件下,对非线性关系映射能力强、局部性质独立的特点,实现整体标定效果的改善。理论分析和实验结果均表明,与基于多项式拟合的标定算法相比,该算法的标定速度与精度显著提高。该算法已成功应用于移动机器人视觉导航系统,提高了导航信息计算的准确度。     

医学图像标志点提取方法在神经外科手术机器人中的应用分析

手术机器人辅助神经外科手术系统的应用现已成为医疗机器人领域的重要研究方向。医学图像标志点提取是完成患者注册的重要环节，医学二维影像空间与患者三维手术空间匹配的精度直接影响整个手术导航定位系统的精度。其基本原理是：先获取包含预设标记点的目标图像，在目标图像对应的图像坐标系中进行标记点提取，获得预设标记点在图像坐标系中的位置，然后基于标记点在机器人坐标系中的位置和标记点在图像坐标系中的位置，得到两个坐标系之间的转换关系。本文将在介绍医学图像标志点提取方法基础上，以睿米^?手术机器人为例，分析医学图像标志点提取方法在神经外科手术机器人中的临床应用。     

碳纤维增强铝基复合材料裂纹图像检测

根据检测目标的特点,提出了适用于本文的以下4种改进的图像处理算法:图像二值化、区域生长、数学形态学算法、骨架提取算法。利用上述图像处理算法相结合的方式对由SEM(扫描电镜)采集到的微观裂纹图像进行处理,提取并计算出裂纹长度和宽度,将计算值与测量值进行比较,验证方法的准确性。此方法为碳纤维增强铝基复合材料裂纹的裂纹图像检测提供了一种新途径。     

基于机器视觉的隔水管法兰端面位姿检测

为提高隔水管抗压检验效率,引导完成待测隔水管在隔水管检验检测装置上的在线自动对接,提出基于机器视觉的隔水管法兰端面位姿检测方法。首先通过基于形状的模板匹配算法定位出待测隔水管法兰端面的定位坐标和定位角度,同时使用图像金字塔对算法进行加速。然后使用单目三维重建技术将像素坐标系下的模板坐标及定位坐标转换到世界坐标系中,并计算出引导待测隔水管精确对接到隔水管检验检测装置上所需的位移量和旋转量。针对隔水管与注水端进行了仿真试验检测和现场试验检测,试验结果表明,该方法实现了快速精确的隔水管法兰端面位姿检测,在工程实践中具有很强的实用性。     

基于双目视觉的六自由度工业机器人控制系统研究

目前机器人视觉系统正越来越广泛地应用于视觉检测、视觉引导和视觉装配领域。为了使机器人能够快速准确地识别、检测、抓取工作台上的工件,该文设计了一套双目视觉的六自由度工业机器人控制系统。文中以张正友摄像机标定法为理论依据研究双目视觉合成技术,利用MATLAB摄像机标定工具箱分别获取左右摄像机的内外参数;通过建立机器人用户坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系实现了空间坐标转换;由OpenCV图像处理算法获得工件坐标位置,控制系统驱动机器人实现工件抓取。     

基于双平行平面相机模型的钢板尺寸视觉测量

提出基于双平行平面相机模型的视觉测量方法,用于测量生产线上运动钢板的尺寸。该方法采用数据驱动的方式计算像点在标定平面上投影点的世界坐标;采用k近邻(k-NN)方法生成目标在标定平面上的无畸变投影图像,并建立投影图像与世界坐标系的直接关联。提出了双平行平面模型下相机光心位置标定算法,利用线结构光进行板材厚度测量;在无畸变的投影图像上利用钢板边缘间的平行和垂直性进行钢板边缘特征提取,通过边缘直线的世界坐标方程求取长宽尺寸。最后,给出了针对大尺寸钢板测量的多相机测量系统框架。提出的方法为单目视觉测量方法,相比于其他方法具有现场安装简单和标定工作量小的特点。通过图像分辨率为640×480的相机对尺寸为80mm×50mm×15mm的标准铝块进行了测量,结果显示:厚度测量误差为0.1mm,长度和宽度的误差在0.2mm以内。实际应用中测量精度远高于加工精度,能够满足产品计量的要求。     

并联机床工件坐标系算法研究及其应用

并联机床已相对传统串联机床逐渐被人们认识并以其特有的优势加入到复杂、不规则曲面的加工行列当中,并成为机械制造业的一个"亮点".通过分析并联机床加工零件和定位方法,详述了并联机床工件坐标系建立的步骤和算法,主要包括坐标系平面选取、"三、二、一"六点法建坐标系、坐标系平移、旋转及修正功能.工件坐标系是并联数控机床程序转换的关键,是加工零件的质量和精度的保障,其算法研究及其应用对并联数控系统的研究和发展有一定的促进作用.     

天宫二号紫外前向光谱仪大气临边高度计算

天宫二号紫外前向光谱仪是一种对全球中层大气进行大气痕量气体垂直分布探测的新型光谱仪,在对大气痕量气体进行反演中,需要高精度地计算观测大气的高度参数等几何位置参数。本文针对该光谱仪的几何成像特点,设计并提出了一种高精度的大气高度的计算方法。首先,计算传感器坐标系下的观测矢量;其次,利用平台的轨道参数、姿态及成像时间等成像几何参数,推导出传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵,同时将观测矢量转换到地心固定坐标系下;再次,以标准地球椭球体为基准,建立经过临边切点的虚拟椭球体模型,并计算切点的地理坐标;最后,依据切点坐标推导出切点的临边高度。与理论值对比分析,在相同地球临边高度对应的散射光谱幅亮度分布保持一致,并且与美国OMPS载荷反演的O3结果进行定位误差分析,高度误差小于1pixel,在2km范围内,从而验证了本文所提算法的可行性和正确性。     

共面点的摄像机非线性畸变校正

采用传统的Tsai两步法进行摄像机标定时,标定精度会受一阶径向畸变模型的限制。本文提出了一种同时考虑摄像机镜头径向畸变和切向畸变的摄像机模型并研究了模型求解方法来提高畸变校正精度。考虑图像中心区域畸变较小,故用中心附近点列出线性方程组计算了摄像机的部分参数;建立了综合畸变模型,将摄像机参数代入模型计算畸变参数的初始值。由于焦距和平移分量在标定板与相机平面的距离深度变化不够时难以一次性准确标定,故将其代入综合畸变模型重新计算,并运用两步迭代法逐步逼近精确解。最后,对世界坐标系进行空间几何变换、透视变换和成像变换得到的重投影图像的像素坐标并与实际测得的像素坐标值进行比较,得到校正误差。结果表明,本文的畸变校正方法平均像素误差可以达到0.114 9pixel,优于Tsai校正方法的0.367 0pixel,且重复性较好。     

一种基于视觉跟踪特征点的室内导航方法

提出一种基于视觉的跟踪特征点的室内导航方法,即在地面上布置具有几何位置关系的特征点序列,利用单目摄像头采集图像,通过图像处理提取跟踪特征点的坐标值,再利用计算机图像坐标系和世界坐标系之间的转换关系,计算出移动机器人在世界坐标系中相对特征点的偏移距离和偏移角作为反馈,来控制移动机器人,以达到室内导航的目的。     

基于Harris角点检测和聚类算法的掌纹图像ROI提取方法

为了实现从掌纹图像中提取出稳定的感兴趣的区域(ROI)图像的目标,设计了一种新的掌纹ROI提取方法。使用Harris角点检测算法对二值化后的掌纹图像进行角点提取,收集相应区域的角点,利用聚类算法得到角点簇的中心点坐标,从中寻找关键点建立坐标系,提取ROI。分别利用该方法在不同掌纹数据库中进行了ROI提取实验。实验结果表明,该方法对不同的掌纹数据库图像均能保持很好的提取效果,成功率均达到了99%以上。     

基于单目视觉和激光测距仪的位姿测量算法

基于单目手眼相机和激光测距仪,提出了一种尺寸未知的空间矩形平面的位姿测量算法.该算法不需要知道矩形平面的4个顶点的物体坐标,只需要知道它们的图像坐标、激光点的图像坐标和激光测距结果,就能够计算出尺寸未知空间矩形平面在相机坐标系下的位姿,并且计算出矩形平面的尺寸.通过建立单目手眼相机和激光测距仪的数学模型,对该算法进行了验证.实验结果表明,该算法是有效的,可以应用于机器人对空间物体的跟踪、定位以及抓取.     

基于双经度模型的鱼眼图像畸变矫正方法

针对鱼眼镜头拍摄图片桶形畸变大的问题,提出了一种基于双经度图像畸变矫正算法,以改善其视觉效果。首先,在未知镜头视角大小且鱼眼图像非圆形的情况下,利用鱼眼图像特征求得球面中心及其半径,并对半径大小做优化处理以减弱极点畸变;在此基础上采用双经度模型方法,通过正交投影策略将鱼眼图像映射到球面上,转化为球面横向经度和纵向经度坐标,从而投射为以横向、纵向双经度坐标为基础的正方形平面图像,实现图像的快速、精确变换。最后,利用2个实例验证了该文所提算法的有效性和可行性。