基于Radon变换的轴对称目标三维姿态测量方法

为测量轴对称目标的俯仰角和偏航角,提出了一种基于Radon变换的轴对称目标三维姿态测量新方法.首先分析了目标成像模型和三维姿态测量原理;其次采用Radon变换算法提取目标的初始中轴线,然后利用最小二乘拟合法优化得到更加精确的结果;最后,以投弃式温深仪探头为对象,设计了仿真及物理实验来验证所提方法.仿真及物理实验表明,该方法能精确地提取目标的中轴线,中轴线角度平均误差小于0.02°.搭建的双目视觉测量系统可以用于目标三维姿态测量,测量精度满足应用需求.     

基于D-H坐标系法的机器人运动学研究

在机器人运动学研究中,普遍用D-H坐标系法作为分析方法。虽然D-H坐标系法在机器人运动学中应用广泛,但其本身缺少误差补偿。文中通过D-H正运动学法构建了机械运动学模型,并在此基础上提出了一种误差分析方法。该方法通过分析坐标系参数偏差的方式计算偏差量并纠正原模拟结果。通过matlab仿真,所得结果对比表明,D-H正运动学法能较好地描述机械结构的运动趋势,加入参数误差补偿后,能得到更准确的结果。     

基于特征点识别的位姿测量数据处理方法研究

视觉测量具有结构简单、成本低、非接触式测量的优点,利用视觉位姿测量结果对空间展开机构进行定位具有良好的应用前景.实际应用中需要将视觉测量数据转换到物空间坐标系从而对定位系统的控制量提供指导.针对相机外参数标定操作繁琐、需要额外设备、不利于在轨实现等缺点,提出了一种利用运动样本空间构建坐标系转换关系的数据处理方法,根据取样空间内构建的补偿方程,可以将各自由度的视觉测量数据转换到控制器坐标系上,同时能够校正由于安装、配准等导致的系统误差,从而实现高精度的空间 目标定位.实验结果表明,在1.7 m的测量距离下,所搭建单相机测量系统的位置与转角测量精度可达0.02 mm和0.003°,验证了所研究方法的有效性和实用性.     

基于视觉/惯导的掘进机实时位姿测量方法研究

针对煤矿井下掘进机实时位姿自动检测的难题,通过分析比较现有几种位姿测量方法的优缺点,提出了一种基于视觉/惯导的掘进机位姿组合测量方法。该方法通过激光捷联式惯导系统得到掘进机的姿态信息、单目视觉测量掘进机的位置信息,从而实现掘进机实时位姿的5自由度测量。依托大柳塔煤矿的快掘设备对该方法进行了实验验证。结果表明,姿态测量精度为0.1°,静态漂移的标准差不大于0.25°,位置定位精度优于1cm。该方法能够用于掘进机实时位姿测量,具有广阔的工程应用前景。     

基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法

针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求,提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先,阐述了姿态测量系统的组成,并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义;其次,建立了姿态测量数学模型,在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合,并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析;最后,搭建了姿态测量实验平台,利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明:在[?30°, 30°]角度范围内,测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°,测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°;与单目视觉法相比,姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%,在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。     

大型工件单目结构光三维扫描方法

针对大型工件,提出了一种基于单目线结构光三维扫描的方法。通过引入线结构光平面建立了视觉传感器数学模型和多项式模型,并使用高精密手动平移台控制平行线靶标在6个固定位置的移动对相机和光平面进行标定,提高标定的精度和准确度。同时对测量工件部分精准定位有效区域,减小程序运算量。该扫描方法可直接构建传感器的测量坐标系,过程简单,速度较快。通过对大尺寸铝合金铸件进行扫描测试,选取了合适的扫描速度v=1.25 mm/s,在满足精度的前提下提升了工业应用的效率。实验结果证明,此种方法能够有效准确的对物体表面进行重构,平均误差小于0.1 mm,具有较高的精度。     

基于空间矢量约束的煤矿掘进机组合测量方法

为了解决煤矿掘进机位姿测量的问题, 将一组反向同轴安装的工业相机和捷联惯性导航系统组装成测偏单元, 并结合视觉测量和惯性导航技术提出了一种基于空间矢量约束的实时位姿组合测量方法。该方法通过测偏单元测得激光指向仪光源光斑的空间矢量、掌子面光斑的空间矢量和掘进机的姿态信息, 建立空间矢量约束方程以及坐标系转换得到掘进机位置信息, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过该方法能得到掘进机实时位姿的六自由度信息。该方法可用于煤矿掘进机的位姿测量, 具有广阔的应用和发展前景。     

激光再制造机器人待加工零件形貌三维重建

采用双目摄像机结合结构光组成主动视觉测量系统,并与机器人耦合,构建了一种具有视觉功能的智能激光加工机器人,能够感知各种复杂曲面轮廓,重建三维形貌。系统由六自由度机器人、双目摄像机和结构光发射器组成。机器人带动双目摄像机和结构光发射器运动,既实现多视角测量,消除测量中的"死角",重建工件的完整三维形貌,又将测量到的点云数据转换到机器人坐标系。阐述了测量原理和数学模型,进行了单摄像机内外参数的标定,双目摄像机相对关系的标定,双目摄像机与机器人之间的手眼关系标定,得到摄像机内参数矩阵,手眼关系矩阵,机器人与世界坐标系关系矩阵。对双目图像进行大步距图像分割,提取目标区域,平滑降低图像噪声,重心法提取亚像素级结构光条纹中心,根据极线约束进行左右条纹配准,三维算法得到空间点坐标,可方便地转换到世界坐标系,实现全局坐标的统一。     

基于LS-SVM测量生物组织光学参量的实验研究

为了实现无损测量生物组织光学参量,利用CCD技术结合最小二乘支持向量机,对测量组织模拟液的光学参量进行了实验研究。通过实验测量了组织模拟液的表面漫反射光分布,建立了漫反射光分布与光学参量间的最小二乘支持向量机回归模型,该模型实现了小样本条件下对组织模拟液光学参量的预测误差仅为5%。结果表明,最小二乘支持向量机结合CCD测量技术能够准确测量组织模拟液的光学参量。     

高超声速风洞下的双目视觉测量技术研究

针对高超声速风洞试验段内来流过强、总压总温过高导致的光学测量设备不易布局的问题,设计了一种适用于高超声速风洞的双目视觉测量系统布局方案及姿态测量方法.通过试验段内外布置的高速相机及LED光源,实现对测试模型六自由度数据的采集;为了验证布局合理性,利用静态试验加以验证,采用双目视觉系统中模型标志点技术解算模型位移和姿态信...     

基于面结构光的工件内壁点云旋转拼接研究

针对某些工件内部空间有限、测量困难的问题,提出了一种基于面结构光的点云旋转拼接方法。介绍了面结构光单一视野的重建方法,采用四步相移与互补格雷码结合的方法获取绝对相位值,通过多项式拟合法对相机、投影仪进行标定。基于机械臂末端腕关节旋转平面（简称:旋转平面）对点云的配准进行了研究,提出了基于辅助相机的标定方法,给出了相机成像坐标系和旋转平面坐标系之间的变换关系。实验结果表明:该方法适用于工件内壁测量,拼接平均误差不大于0.05 mm,满足实际应用需求。     

空间相机像移补偿计算中飞行器大姿态角使用方法

提出了在大姿态角情况下飞行器姿态参数的使用方法以实现像移速度的精确计算。根据飞行器轨道坐标系转换到飞行器坐标系的转换矩阵,推导了在大姿态角存在时轨道坐标系下的姿态角速度与飞行器坐标系下的姿态角和姿态角速度的关系式。通过计算得出,在侧摆角为30时对飞行器坐标系绕飞行器轨道坐标系的转动角速度S1、S2和S3的影响最大误差分别为1.175%、50%和13.223%;在前后摆角为30时对S1、S2和S3的影响最大误差分别为63.397%、0.1745%和63.397%。根据空间相机像移速度计算精度要求比较高,确定了在一定的姿态角情况下飞行器姿态参数使用方法。提出的方法简单,易于实现,适用于空间相机像移补偿的研究。     

星敏感器支架的指向性标定及校正

为保证星敏感器支架安装后具有高精度的指向性,提出了一种星敏感器支架定量修研的技术方法,首先通过构造虚拟水平轴建立星敏感器支架坐标系,然后利用经纬仪交互测量和逐级求解方法获得星敏感器支架和相机任意两坐标轴的夹角关系。根据该结果进行了星敏感器支架实际坐标系与相机坐标系姿态变换矩阵的求解,利用星敏感器支架与相机坐标系的技术指标要求,进行了星敏感器支架理论坐标系与航天相机坐标系的姿态变换矩阵求解。然后以相机坐标系进行中间传递,获得了星敏感器支架实际坐标系到理论坐标系的姿态变换矩阵。根据该结果精确求解了星敏感器支架的修调量。通过试验研究表明利用该方法装调完成的星敏感器支架,经过两次修研迭代,其指向精度由最初的760″提升至10″以内。证明了该方法的有效性,同时星敏感器支架的指向性标定及校正也可指导其他有空间自由角度关系的两部件的精密装调。     

一种基于平面标靶的线结构光视觉传感器标定方法

提出了一种适合于现场的线结构光视觉传感器标定 方法。建立了标定的数学模型,设计了一种平面点阵标靶,提出了坐标映射方法。根据结构 光条纹特征点的图像坐标和对应在标靶坐标系下的坐标,以及 相机内参,计算出标靶坐标系到摄像机坐标系的转移矩阵,再由转移矩阵得到特征点在摄像 机坐标系下的 坐标;在视场范围内,平面标靶按不同位姿摆放多次,获取投射在标靶上的所有特征点,对 这些特征点进 行平面拟合,得到结构光平面在摄像机坐标系下的方程。对标定的精度进行了验证,实验表 明,本文方法标定 过程简单,精度较高,适合于结构光传感器的现场标定。     

太阳同步轨道二维变姿态空间相机的外热流计算

为了得到准确的二维变姿态空间相机外热流数据,提出了一种在J2000坐标系下进行二维变姿态空间相机的外热流算法。首先,在J2000坐标系下确定了相机的位置、太阳的位置及其辐射强度;其次,根据空间相机的视轴始终指向太阳的工作特点及太阳的位置,计算出其在极端情况下的二维姿态角;然后,根据得到的姿态角计算出姿态变换矩阵。最后,利用Matlab编程计算出一个轨道周期内的不变姿态以及二维变姿态条件下的复杂外热流。该方法计算得到的不变姿态外热流与I-deas/TMG软件得到的结果能够很好地吻合。与姿态不变的相机相比,相机二维姿态的变化会导致其外热流发生较大的变化,尤其是入光口所在的-Y面,其太阳直射热流的波动范围为0~1 394 W/m2。得到的姿态角为热仿真模型姿态的调整提供了重要参考。由变姿态外热流数据可以看出,-Z面的外热流最小,其最大平均外热流小于4 W/m2。另外X面和+Y面的外热流也较小,X面最大平均外热流小于80 W/m2,+Y面最大平均外热流小于110 W/m2。在实际应用中,由于卫星平台的遮挡,X面和+Y面的外热流会更小,因此可以将-Z面,X面和+Y面作为散热面,为热设计工作提拱了很好的指导。     

基于EPNP算法的单目视觉测量系统研究

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先,利用单相机获取平面靶标图像,经图像处理后得到四个特征点的像素坐标,并使用EPNP算法进行姿态解算;其次,对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据;最后,提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法,利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明:当绕x和y轴的转动角度在[-6,6]时,姿态测量误差小于0.1,可以满足测量应用需求。     

基于蒙特卡罗法的测绘相机标定误差分析

针对测绘相机坐标系与其立方镜之间关系的标定方法,建立了两坐标系间的转换矩阵,分析了在测量中引起的误差源,并基于建立的数学模型,利用蒙特卡罗法对这些误差进行了精度分析.使用Matlab进行了相关模拟与解算,给出了误差分析结果及误差曲线,得到了各误差在整个误差链中的权重,为后期实验打下了基础.误差分析结果表明,该方法的标定精定可以满足总体标定要求,具有实用价值.     

外部测量装置的捷联惯导对准方法

在室内组合定位系统中,不同子系统之间相互姿态关系的确定是通过对准过程实现的。使用惯性器件进行组合定位,通常航姿参考系统AHRS是以地理坐标系(E-N-U)作为导航坐标系。然而,在室内导航任务中,导航坐标系一般根据用户需求建立在厂内标志点或工装坐标系等自定义位置。针对这一问题,提出一种将地理坐标系与自定义坐标系相互转换的新方法,通过激光跟踪仪建立的外部基准,提出了基于方向余弦矩阵的标定算法,实现了地理坐标系与外部参考坐标系之间的相互转换。实验结果表明:AHRS任意位姿下的转换姿态角度均方根误差小于0.25。     

激光雷达场景三维姿态点法向量估计方法

激光成像雷达能够获取反映目标三维空间位置的点云数据,可直接估计目标三维姿态角,是完成特征提取、目标配准等工作的重要参数。实现场景的三维姿态估计,借鉴基于点法向量的三维姿态估计算法（PDVA）,针对真实场景中表征场景坐标系（SCS）坐标轴的正方向向量偏差较大的问题,提出了一种优化的三维姿态估计算法（OPDVA）。该方法利用场景点云存在大面积近似平面区域的特点,通过随机抽样一致算法（RANdom SAmple Consensus,RANSAC）的平面模型对聚类中其他方向的点法向量进行滤除,得到最优拟合平面对应的法向量即为修正后的SCS坐标轴。利用旋转变换和重采样等技术手段,分别采用矩形包围盒法、PDVA和OPDVA对3组真实场景距离像进行实验。实验结果表明:OPDVA方法对场景的姿态估计明显优于其他两种方法,姿态估计误差不超过4°,对存在遮挡的场景也同样适用。