线结构光扫描测头结构参数优化设计

线结构光扫描测头在逆向工程中应用广泛,其测量精度对3D重建可靠性有重要影响。本文建立了基于光学三角法的线结构光扫描测头数学模型,由坐标转换和透视成像原理实现二维像素坐标与三维世界坐标间转换。分析了线结构光扫描测头结构参数对测量精度的影响,推导出测量误差模型。分析了漫反射光强度变化对结构参数的影响,结合实际设计需要给出边界约束条件,并仿真实现结构参数优化设计,误差低于0.02mm。     

输电塔架承载变形的三维光学测量

考虑输电塔架结构复杂,需要做承载变形真型实验来检测塔架实际承载能力的问题,本文提出了一种三维全场变形光学测量方法来解决塔架真型试验中存在的大尺寸、大变形、多测点、三维变形、塔架承载形态保持时间短等测量难点.该方法基于工业近景摄影测量技术重建单个状态下塔架测点的三维结构,利用具有身份信息的人工标志点来实现不同状态测量结果的对齐.通过跟踪固定在塔架上的变形点,计算相应部位的位移来获取真型塔架在不同负载下的整体变形.精度评估实验表明,提出的方法测量精度优于0.1 mm/4 m;真型实验显示,测量结果能够为塔架结构力学性能分析和改进塔架设计提供有价值的参考数据.该方法具有现场工作量小、不干扰测量对象、量程弹性大等优点,能够满足各型塔架三维变形测量对效率和精度的要求.     

位感条纹三维振动测量原理及试验研究

针对当前单目视觉测量方法难以实现结构三维振动同步测量的问题,提出一种基于位感条纹和高速相机的结构三维振动同步测量新方法。在建立测量系统完整的原理模型基础上,系统描述单相机成像坐标下采用单个位感条纹获取结构三维动态位移信息的测量原理,建立成像位感条纹三维编码动态参数与结构实际三维位移之间的内在联系,推导各维位移的计算公式。通过结构三维运动和视觉成像系统的联合仿真模型,验证位移测量原理和算法的正确性;并通过仿真和试验分析系统的测量性能及其影响因素。通过对结构已知三维运动的测量,并与基于三维加速度传感器的接触式测量方法进行对比试验,验证基于位感条纹的视觉测量方法及系统在实现结构三维振动位移准确同步测量的有效性。     

多高度小零件视觉测量方法设计

设计一种综合应用激光三角法和二维机器视觉测量技术测量方法,实现对多高度小零件二维几何尺寸的测量。首先在测量高度范围内,利用线结构光进行高度测量标定,采用多项式拟合建立线结构光成像位置与高度的关系;用精密圆形靶标对不同高度平面进行二维尺寸标定,分别考虑不同高度平面坐标系映射到图像坐标系后光学放大率不同和坐标系间的不平行,CCD摄像机阵列垂直方向与水平方向不一定垂直的情况,以及光学镜头畸变等得到不同平面所在高度的二维尺寸测量标定参数,由此建立起各二维尺寸标定参数和高度的函数关系。对具有不同高度的小零件进行测量,并与三坐标测量机结果进行比对,多次测量的高度最大误差小于0.032mm,二维尺寸最大误差均小于0.08mm。     

多视角沙姆成像的高精度结构光三维测量方法

传统结构光测量方法在测量高反射率和复杂结构表面存在诸多挑战,且测量精度受到测量视场的限制。本文提出了一种基于结构光投影和多视角沙姆成像的高精度标定及三维测量方法,充分利用系统的景深范围。提出结构光多目视觉测量模型,将投影仪坐标系作为系统测量坐标系,通过建立“三维点-投影图像点-4个相机图像点”的对应关系对系统进行一体化标定,然后利用多视图几何成像约束,通过计算最小二乘解融合多个视角的观测信息,提高三维数据的计算精度。实验结果表明,所提方法和系统可以对高反射率和遮挡表面进行准确测量,测量精度达到5μm,大大优于传统结构光测量方法。     

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。     

真空热环境下结构热变形试验方法研究

航天器空间结构的尺寸稳定性直接关系到航天器有效载荷和平台的在轨运行性能。为改进空间结构在轨环境下的尺寸变形测量与验证方法,开展了地面模拟在轨真空热环境下的结构热变形试验方法研究。在对国内外相关试验方法与测量系统典型案例分析的基础上,基于工业摄影测量原理提出了单相机+多摄站测量方式的试验方案,并研制了相机保护系统和相机二维运动机构,相机在真空热环境下通过运动机构的弧形导轨可以在一个弧面内二维运动进行不同角度图像拍摄,用来满足多摄站的测量需求;随后针对真空热环境下测量,分析了相机保护系统的光学窗口对测量相机标定结果的影响,通过仿真与试验验证了相机拍摄景深、圆形标志点对比度和比例因子对测量精度的影响,并提出了采集多曝光图像处理方法,从不同曝光下拍摄的圆形标志点图像中优选最佳的圆心提取和识别结果进行融合计算,来保证获取较好的对比度和亮度图像。最后结合典型试验件对提出的真空热环境下结构热变形测量方法进行了试验验证,试验结果达到0. 043 mm的测量精度,表明该方法可以有效满足未来航天器空间结构热变形的测量需要。     

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。     

基于近景工业摄影的三维视觉测量

针对接触式三维测量技术用于大型复杂工件测量时效率和自动化程度低的问题,提出了基于近景工业摄影的三维视觉测量方法。首先介绍了近景工业摄影测量的工作原理,然后依次研究了其中的关键技术:标志点中心坐标的精确定位,基于本质矩阵分解的相对定向和光束法平差解算。大尺寸棋盘格角点之间的距离测量用于精度测试,结果表明,测量精度优于0.15mm/m。选取小型卫星天线为实验对象,计算了粘贴在天线表面所有标志点的三维坐标,并拟合出天线的三维曲面结构。     

深海原位激光扫描双目立体视觉成像系统

为满足深海物体原位三维测量需要,提出一种激光扫描双目立体视觉成像方法。该方法基于双目立体视觉原理,采用四维光场光线表示法,建立水下双目立体成像系统的测量模型;采用激光线扫描光条作为像素匹配线索,及基于共面约束的像素匹配算法,提高水下左、右两个相机图像像素匹配精度。通过耐高压结构设计、电气和软件设计,建立起相应的工程样机。静水压力试验表明,该工程样机能够适应4 000 m深海静水压力;实验室精度试验,采用标准球棒为测量对象,在距离样机3 m处,多次扫描三维重建后,得到两靶球球心距测量结果的标准差为2.28 mm;南海真实海域实测试验,表明样机具有深海原位三维测量重建功能,且在距离样机2 m处,对标准球棒两球心距测量结果的标准差为2.22 mm。上述研究和试验表明,研制的激光扫描双目立体视觉成像系统,具备深海原位测量功能,具有较高三维测量精度。     

基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法

提出了一种基于相移和颜色分光的电子散斑干涉(ESPI)瞬态三维变形测量方法,该方法包括一个彩色CCD和红绿蓝三种不同波长的激光器,可同时采集来自三路的散斑干涉图像。物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的散斑干涉图像信息通过颜色分光实现分离,并利用相移算法对散斑干涉条纹图进行分析处理,分别解调出水平、竖直及离面方向的变形场相位,实现三维变形场的测量。模拟及实验分析表明,此方法能同时实现物体面内水平方向、竖直方向以及离面方向的变形测量,可用于物体表面的三维瞬态变形测量,也可单独完成面内或离面的二维变形测量。     

基于线结构光的盾尾间隙测量方法研究

针对现有盾构施工中盾尾间隙难以实时精确测量的问题,本文提出了一种基于线结构光的盾尾间隙自动测量方法。该方法首先利用线激光器在管片和盾壳之间投射出一道窄线型指示激光并通过工业相机实时采集线激光器投射在盾壳和管片之间的线激光图像,然后通过图像处理对图像目标特征进行识别并根据单目视觉成像原理和线结构光坐标测量算法提取盾尾间隙端点坐标,进而实现盾尾间隙值的精确解算。实验结果表明,本文所提出方法的重复性测量精度优于0.3 mm,绝对测量精度优于1.7 mm。该方法可以实现相机纵深方向0.2～1.9 m范围内盾尾间隙的实时精确测量,满足城市地铁隧道施工应用需求。     

基于普吕克直线的多线结构光视觉传感器标定方法

针对多线结构光系统的快速标定,提出了一种基于普吕克直线的标定方法。传统的线结构光标定方法大多以单点的形式进行提取和坐标系转换,从而获得平面方程。然而单点数量较多会导致操作复杂,不适用于多线结构光的标定。为了解决这个问题,提出了一种新的标定方法,该方法在标定过程中全部采用普吕克矩阵的形式,而不是直接使用点特征。该方法有利于在摄像机坐标系下快速准确地获得光平面方程。同时设计了一种与该方法相对应的用于标定多线结构光的平面标定靶标。为了将一般直线转换为普吕克直线,将图像平面维度延展,定义了一个新的图像空间。为了对普吕克直线的坐标系进行转换,重新表达了基于普吕克直线的透视投影模型。基于普吕克空间中直线与平面的性质,对多条结构光线的普吕克矩阵进行合并即可高效地构造出线性的矩阵方程,从而进一步拟合出结构光平面方程。实验验证了所提方法并证明了校准精度的显著提高,当测试距离为1.8 m时,测量得到的三维点的RMS误差在0.08 mm之内。     

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测系统

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测技术,采用激光三角法测距和灰度重心法提取激光条纹中心的原理,使线结构光、透镜、CCD位置信息满足Scheimpflug共轭清晰成像条件。通过图像处理获取像面坐标系位移信息,得到待测物体物面坐标系的位移,利用灰度重心法实时提取结构光条纹中心的特点,结合嵌入式系统尺寸小、稳定、便携的特性,实现对待测物体进行实时、非接触和微位移测量。     

机器人辅助腹腔镜手术中的视觉测量方法研究

针对目前机器人辅助腹腔镜手术中内窥镜仅被用于二维的视觉监测而缺乏三维位姿检测功能的缺陷,提出了一种基于求解共线 P n P (Perspective-n-Point )问题的手术器械位姿测量方案,测试了所提出的测量方法的精度并进行了误差分析.方案包括相机标定及畸变校正、标记设计、图像处理、标记点三维坐标计算和手术器械的三维表达.经测试,手术器械中心线的固定位置和单位方向向量的测量值的偏差低、精度较高.     

鞋底曲面数据提取与喷胶轨迹的自动生成方法

为快速有效地提取鞋底曲面信息和生成喷胶轨迹,提出一种基于线结构光扫描鞋底曲面的方法。利用线结构光三维测量原理,扫描套在鞋楦上的鞋帮底面,获得表示鞋底曲面信息的点云数据。用B样条曲线拟合出一系列的三维扫描线,生成封闭的鞋底轮廓线,计算鞋底轮廓线在鞋底曲面的偏置曲线得到喷胶轨迹。构建线结构光扫描鞋帮底面的试验装置,计算其在x、y和z轴方向上的测量误差分别为0.094、0、0.015 mm,满足系统精度要求。最后将生成的喷胶轨迹通过坐标变换应用于Stäubli机器人自动喷胶系统,验证了方法的有效性和可行性。     

Development of a two-dimensional dual pendulum thrust stand for Hall thrusters

A two-dimensional dual pendulum thrust stand was developed to measure thrust vectors [axial and horizontal (transverse) direction thrusts] of a Hall thruster. A thruster with a steering mechanism is mounted on the inner pendulum, and thrust is measured from the displacement between inner and outer pendulums, by which a thermal drift effect is canceled out. Two crossover knife-edges support each pendulum arm: one is set on the other at a right angle. They enable the pendulums to swing in two directions. Thrust calibration using a pulley and weight system showed that the measurement errors were less than 0.25 mN (1.4%) in the main thrust direction and 0.09 mN (1.4%) in its transverse direction. The thrust angle of the thrust vector was measured with the stand using the thruster. Consequently, a vector deviation from the main thrust direction of +/-2.3 degrees was measured with the error of +/-0.2 degrees under the typical operating conditions for the thruster.     

点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测

针对单线结构光测量因范围有限以及遮挡等原因而无法检测整个车轮的轮缘及踏面的问题,提出了一种列车轮对双目双线结构光检测方法。该方法采用两组双线结构光传感器进行测量和数据采集。在两传感器产生的点云进行配准的过程中使用截面点云数据还原点云矩阵,然后对其进行傅里叶变换,在计算旋转角度时先进行极坐标转换,最后求取两矩阵的互功率谱,从而得到点云的旋转和平移矩阵。在此过程中考虑到点云噪声的存在,将辛格函数近似代替无噪声的互功率谱傅里叶反变换,从而确定在频域配准时噪声对配准参数的确定并无影响。接着采用相对值比较的算法和主成分分析拟合基准平面,对轮对直径方向进行标定。利用标定值对扫描数据进行处理,得出包括车轮直径、车轮滚动圆径向跳动等对尺寸参数。实验表明:点云频域配准的双目双线轮对检测技术对车轮直径的测量尺寸误差≤±0.05mm,车轮端跳的测量误差≤±0.06mm,车轮径跳的测量误差≤0.04mm。与标准轮对检测数据相比可知,该系统满足轮对检测精度的要求。     

采用双星卫星定位系统对察尔森水库大坝变形的监测

应用GPS和GLONASS双星定位系统及GMX902 GG双频卫星接收机,对察尔森水库大坝表面变形进行监测,通过精密解算,获得的水平位移和垂直位移量可达到毫米级乃至亚毫米级的精度,可对水库大坝变形进行预警,为大坝的稳定性、安全性和防洪决策提供科学依据。     

基于主动视觉标定线结构光传感器中的光平面

提出了一种基于主动视觉的光平面标定方法实现对线结构光传感器的自动标定.与以往求取光平面上标定点后拟合平面的方法不同,该方法通过控制传感器做若干平移运动分两步完成标定.首先,经多次平移运动得到光平面中相互平行直线在摄像机中的投影,经计算消影点完成光平面法向的标定.然后,控制传感器沿设定的与光平面法向垂直的方向做2次平移运动,使其满足三点透视模型(P3P),完成摄像机坐标系原点到光平面距离信息的标定.实验结果表明:该标定方法具有较高的准确性,平均绝对测量偏差为0.015 4 mm,相对误差为0.183 0％.该方法本质上属于自标定方法,标定过程无需使用标靶,降低了标定成本,且操作灵活方便,适合现场标定.