金属薄板复杂焊接变形的视频测量方法

金属薄板焊接过程中的复杂变形会对其尺寸精度、装配精度和使用性能造成显著影响,在焊中和焊后对金属薄板变形进行测量,对于了解材料的变形机理、改善焊接工艺、减少焊后应力和变形,以及提高焊件的承载能力具有重要的理论意义和工程价值。针对金属薄板焊接变形测量难题,提出了一种融合近景摄影测量和立体视觉技术的视频测量方法,通过重建并跟踪粘贴在金属薄板表面标志点的三维坐标,计算相应部位在焊接不同时刻的位移,获得金属薄板在焊接工艺中的整体变形过程和瞬时变形场域信息。通过精度评估实验得知,该方法的三维坐标测量精度高于0.05mm;通过焊接变形测量实验得知,该方法能够满足焊接过程三维变形测量对精度和效率的要求。     

波导类产品高效测量方法研究

针对波导类产品品种多、批量小、空间三维尺寸精度要求高以及测量效率低等问题,提出波导类产品空间三维尺寸测量的新方案。通过模拟波导类产品实际装配状态的方式,一次性测量波导法兰面之间X、Y、Z这3个维度的空间尺寸,并通过系列实验验证了该方法的高效性和测量准确性,在测量效率上远超传统的测量方法,可以广泛应用于不同接口和不同形状的波导类产品,具有推广应用的价值。     

柔体大变形参数的光纤光栅集成检测方法

柔体变形检测具有重要意义,但柔体大变形时局部应变远超过光纤布拉格光栅(FBG)测量量程,难以直接测量。为解决柔体大变形过程大应变检测的问题,提出了光纤光栅螺旋倾斜方法,并设计旋向不同的光纤光栅测点交错布置方案,实现柔体大变形的扭转、拉伸、弯曲状态参数的集成检测,结合三维形状检测算法重构柔体大变形形状。实验结果表明,该检测方法有效减小了光纤光栅测量应变,扩大了应变检测范围,实现了柔体大应变检测目的。     

随机振动幅值特征的图像测量方法

利用ＣＣＲ摄影机的线性时间积分成像机理,将数学图像处理技术与时间平均成像方法结合用于测量各态历经随机拓动的幅值统计特征,该测量方法只需摄取被测点在静态下的图像及其在随机状态下的一组连续的时间平均成像即可确定该点振动的位移动态范围、均值、均方值、方差和幅值概率密度曲线。该方法测量频率范围宽,对测量设备和实验条件的要求很宽松。实验表明方法具有很好的测量精度。     

莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

提出了一种基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量扭转角的高精度光学测角方法.为了验证莫尔条纹测量设备间扭转变形精度的有效性,进行了方案设计及实验分析.采用平行光管模拟设备,通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形,在独立的地基平台上进行了方案设计测量实验,并通过实验比较了不同的设计方案.选择的实验方案首先使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定,然后采用滤波细化等图像处理方法得到采集到的莫尔条纹的宽度,进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量.实验结果表明,当微调机构使平行光管在±7'的视场内旋转时.该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像,经过算法处理后,当莫尔条纹宽度为1 615～1 712μm时,扭转角的测量精度为4.3"(3σ).该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求,为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础.     

基于莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

为了精确检测大型光电测量设备之间的三维变形,提出了基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量的一种高精度光学测角方法。采用平行光管模拟设备,通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形,在独立的地基平台上进行测量实验。通过实验比较不同的设计方案,采用使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定的实验方案;并采用滤波细化等图像处理方法对采集的莫尔条纹进行处理得到条纹宽度,进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量。实验结果表明,当微调机构使平行光管在±7'的视场范围内旋转时,该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像,经过算法处理后,当莫尔条纹宽度在1615~1712 范围内时,扭转角的测量精度为4.3"(3 )。该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求,为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础。     

变异机制粒子群优化的摄像机内参数校准

针对大空间单目视觉系统中摄像机内参数校准精度对整体测量精度影响较大这一问题,本文提出一种基于变异机制粒子群优化(MMPSO)算法的摄像机内参数虚拟三维校准方法。该方法基于分阶段最优化思路,通过建立摄像机成像模型对摄像机外参数及部分内参数进行初始值估计,再通过MMPSO算法对内参数进行优化校准确定最终的结果。实验中为了提供精确的校准控制点,搭建了校准硬件平台,将红外发光二极管固定于三坐标测量机测头上并跟随测头移动,构造一个大空间虚拟三维校准板。实验结果表明:主要的10个内参数均达到测量精度要求的数量级,验证了该方法的有效性。通过单目视觉坐标测量系统对两种校准方法所得结果进行等距测量实验,基于Janne Heikkila的三维校准法的总体标准差为0.112mm,基于MMPSO算法的虚拟三维校准法的总体标准差为0.084mm。通过对比实测数据标准差,可以证明本文提出的校准方法稳定性更好,精度更高。该方法能够满足大空间单目视觉坐标测量系统对摄像机内参数精度的要求,对视觉坐标测量技术领域中的摄像机校准等非线性优化问题具有一定指导作用。     

曲面小构件变形状态的全场检测问题研究

针对传统方法难以测量曲面小构件非均匀变形的问题,比如受力时发生变形失稳的镍钛形状记忆合金微管,提出了显微成像法和三维形扫描法.它们以非接触和全场的方式追踪构件在不同变形状态下表面标记点的位置,从而获取位移数据,并通过固体力学中经典的几何方程计算得到应变结果.实验证明了所提出方法的易操作性和可靠性,还得到了对于相变材料的力学问题的研究具有重要意义的结果.     

经济型大尺寸激光自动坐标测量系统

利用手持式激光测距仪和二轴转台,设计了一种经济型大尺寸激光三维自动测量系统,用于船舶等大型工件的现场测量.介绍了系统的测量原理和主要组成部分,系统无需合作目标,在计算机的控制下自动对目标进行测量来获得相对系统的三维坐标数据.分析了系统的主要误差对测量结果的影响,完成了主要误差的提取实验.最后,利用激光跟踪仪对系统测试水平两点间的距离的测量精度进行了评定,并对船分段模型进行了测量实验.实验表明,该系统对水平放置物体的两点间距离的测量精度达到了1.73 mm,对船分段模型的平行平面之间的距离测量精度达到了1.5 mm.由于系统构成简单,硬件成本较低,测量精度较高,测量速度大约为1 point/s,非常适用于船分段的测量.     

大型铸件自动化三维测量与精度检测技术

面结构光三维测量技术具有非接触、速度快、精度高等优势,广泛应用于铸造、锻造等领域。将面结构光三维测量技术与六关节机器人、高精度导轨和高精度电动转台相结合,设计自动化三维测量与精度检测系统。利用机器人和转台具有极高的重复定位精度这一特性,将不同方位的测量数据统一到同一个坐标系下,实现无标拼合;利用铸件的几何特征规划测量视点;利用标准量块验证整个测量系统的绝对测量精度和重复测量精度。该系统能够自动测量铸件点云数据并将其与设计图进行自动对比,自动出具检测报告,实现铸件加工精度的自动化检测。试验证明,该系统可自动完成铸件的精度测量,系统精度达到0.10mm,能够满足铸件加工精度的检测要求。     

The detection of rotary axis of NC machine tool based on multi-station and time-sharing measurement

At present, the detection of rotary axis is a difficult problem in the errors measurement of NC machine tool. In the paper, a method with laser tracker on the basis of multi-station and time-sharing measurement principle is proposed, and this method can rapidly and accurately detect the rotary axis. Taking the turntable measurement for example, the motion of turntable is measured by laser tracker at different base stations. The redundant equations can be established based on the large amount of measured data concerning the distance or distance variation between measuring point and base station. The coordinates of each measuring point during turntable rotation can be accurately determined by solving the equations with least square method. Then according to the error model of rotary axis, the motion error equations of each measuring point can be established, and each error of turntable can be identified. The algorithm of multi-station and time-sharing measurement is derived, and the error separation algorithm is also deduced and proved feasible by simulations. Results of experiment show that a laser tracker completes the accuracy detection of the turntable of gear grinding machine within 3 h, and each error of the turntable are identified. The simulations and experiments have verified the feasibility and accuracy of this method, and the method can satisfy the rapid and accurate detecting requirements for rotary axis of multi-axis NC machine tool.     

基于点集配准的立方体卫星非合作姿态估计

非合作目标相对姿态估计是空间在轨任务的重要问题。目前视觉成像系统通常采用特征点实现姿态测量,对单个特征点依赖性强,因此存在鲁棒性差的缺点。针对空间非合作目标中的立方体卫星在自主交会对接等任务中的姿态估计问题,采用双目视觉立体匹配并根据三角测量原理获取目标卫星的部分三维点集数据,利用点集配准解算该测量三维数据相对于已知模型的变换参数,最终实现立方体卫星的相对姿态估计。该方法基于稠密点集保证了较高的测量鲁棒性,并可扩展用于解决其他非合作目标的相对姿态估计问题。利用高精度转台的对比测量实验,验证了本文方法的精度和有效性。     

高速三维数字图像法测量手机跌落全场应变

为了测量手机跌落时的变形与应变,基于数字图像相关法及双目立体视觉原理,提出一种用于手机跌落试验中变形与应变测量的方法,并研制了相应的高速三维全场应变光学测量系统。针对手机跌落碰撞过程中,角度变化导致散斑匹配失败率高,变形应变场缺损严重的问题,利用高速相机高速采集图像,并改进图像匹配方法,采用顺序逐帧基准匹配,保证了测量精度,提高了应变场完整度。研制了光学测量系统,设计了试验方案,进行了数字图像测量方法与动态应变仪测量结果的对比,对改进的散斑匹配方案进行了验证。试验结果表明,本文的方法使变形应变场的完整度提高了21%,其位移动态测量精度为0.42%,应变测量精度为0.5%。本文的方法和系统可以满足手机跌落碰撞全场变形与应变测量的要求,与传统测量方式相比有明显优势,是研究手机跌落碰撞变形规律的有效途径。     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

Large field-of-view deformation measurement for transmission tower based on close-range photogrammetry

The loading capacity of transmission towers cannot be calculated accurately only by finite element analysis (FEA) method. Traditional displacement sensors and strain gauges are not suit due to larger measuring range. In this paper, a novel system based on close-range photogrammetry technology (CPT) is proposed for tracking the 3D deformation of transmission tower during loading test. Artificial markers are pasted on the deformation area before loading. The 3D coordinates of these markers are reconstructed by using CPT methods at each stage, and the coordinate systems of different stages are registered together by means of global transformation points. The whole field 3D deformation under different load level is then obtained by tracking the homonymous markers among different stages. It is helpful for further analysis of the failure mechanism and mechanical properties of steel structures. The effectiveness of the proposed system is demonstrated by retrieving a full-scaled transmission tower deformation during loading test. A feasible solution for improving the load carrying capacity of the tested transmission tower is discussed. Evaluation experiment results indicate that the proposed method could achieve accuracy of 0.1 mm/m.     

Portable visual metrology without traditional self-calibration measurement model

To improve the 3D measurement accuracy of portable visual metrology using generic digital SLRs, deficiencies related to the traditional self-calibration model are analyzed, and a novel calibration method of generic digital SLRs is proposed. The collinear equations are established using the orientation angles of the targets, which are determined using a non-parameterized calibration platform. After calibration, the camera maps the orientation angles of incoming scene rays to the corresponding pixels on the image plane, becoming a goniometer. Additionally, the implementation and error analysis of the non-parameterized calibration model are investigated. The image points matching method, external station orientation method and bundle adjustment algorithm, which are based on orientation angles of image points, are studied. Finally, the calibration and 3D measurement accuracy are verified, along with the variation in the measurement accuracy with different calibration rotation intervals and LED intervals of the straight line target. The experimental results show that our calibration method is efficient to improve the 3D measurement accuracy of generic digital SLRs.     

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展，如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化，导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响，精度降低。针对上述问题，设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法，能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引人折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明，提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息，可测量水下目标的尺寸信息，距离目标30~80cm 时测量精度达到0.2mm，满足了水下目标三维高精度测量要求，     

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°。     

气动潜孔锤缓冲碟簧载荷特性仿真与实验

碟形弹簧的载荷变形关系直接影响潜孔锤系统振动特征。利用Muhr公式及有限元软件ANSYS分别对矩形截面、平行四边形截面缓冲碟形弹簧载荷变形特性进行计算。并对平行四边形截面碟形弹簧进行了实验。仿真与实验的结果显示,Muhr公式适用于矩形截面碟形弹簧。对于平行四边形截面碟形弹簧,应用Muhr公式计算会带来较大误差。变形量较大时,碟形弹簧载荷作用位置发生改变,考虑接触的有限元模型计算的结果与实验结果一致,因此,利用有限元法可以精确地数值模拟潜孔锤缓冲碟簧特性参数。     

基于小波的无人潜航器航位推算算法研究

针对无人潜航器(unmanned underwater vehicle,UUV)在多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)的量测噪声以及安装角偏离误差影响下,自主航行时不能满足长时间导航定位的问题,一方面基于Mallat算法的小波分解和单层重构方法对DVL量测速度进行滤波;另一方面,利用UUV湖试数据对传感器的安装偏离误差进行了校正。针对UUV在高纬度、长时间航行特点,采用地球参考椭球体作为地球几何形状的数学描述。最后对提出的导航算法进行了算法验证及自主导航控制试验,结果表明UUV的自主导航定位精度均小于0.5%,满足设计要求,并优于改进前的航位推算算法。