基于公共光学基准的大尺寸空间角度测量关键技术

提出了基于公共光学基准的大尺寸空间的角度测量方法。通过在数米至十几米的大尺寸空间内建立公共光学基准,结合视觉测量和计算机图像处理技术,借助测量公共方向基准与各个几何元素之间的夹角,可简便地实现对大尺寸空间的异面几何元素之间夹角的测量。分析了建立公共光学基准的方法。按照所提出的测量方法,对相距7m的两条异面直线的空间夹角成功地进行了现场测量。     

光笔式大视场三维视觉测量系统

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求,根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统.基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式,实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算.应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型,以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心,通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定.研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统,完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验,在7 m×4.7m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm.实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路.     

长度约束下双相机外参数不稳定定向

动态立体视觉测量技术在几何量测量特别是大视场测量中应用越来越广。在分析动态双相机立体视觉测量相对定向算法的基础上,提出了一种基于一定数量距离约束的相机不稳定定向算法。在测量场中固定放置一定数量的一维标定靶标,双相机获取标定靶标上点的中心坐标,由极线几何约束快速准确解算双相机外参数,每次测量根据标定靶重新定向相机,由靶标补偿相机在测量过程中的位置变动,保证在测量场中即使相机站位发生位置变化仍可精确测量。实验中对分布范围2.5 m×1.6 m×4.5 m测量场中90个自反射目标点进行测量,选用5对点间距离作为距离约束,并与V-STARS/S进行结果比对。结果表明在相机站位发生明显变动情况下,90个空间点三维重建位置误差小于0.160 mm,标准差小于0.042 mm。将该方法应用于合成孔径雷达测量,得到相近结果。     

FMCW激光雷达几何结构精度模型与误差修正

为实现调频连续波（Frequency-modulated Continuous-wave,FMCW）激光雷达的高精度测量,针对激光雷达机械加工及装配过程中引入的几何结构误差,提出了基于激光雷达坐标测量误差的系统误差模型及误差修正方法。建立了激光雷达坐标系组,分析了空间坐标测量误差的来源。通过坐标系间的变换矩阵,实现了测量坐标的几何误差传递。然后,归并各坐标系的几何误差,建立了显式的激光雷达几何空间坐标误差表达式。并以此为基础,建立最小二乘优化目标,解算各项误差因子和修正后坐标。求得的误差因子可以用作后续坐标测量结果的修正。最后,基于该方法设计了一套以激光跟踪仪为高精度测量仪器、以靶球球心位置为标准点的标定场,使用激光跟踪仪与激光雷达测量相同位置的靶球完成系统误差修正。实验结果表明,经修正激光雷达空间距离测量的平均误差由0.044 8%下降到0.003 8%,误差极大值由4.17 mm下降到0.30 mm,验证了激光雷达几何结构误差标定和误差修正方法的有效性。     

红外相机光轴标定研究

随着红外技术的不断发展,红外成像定位系统在现代工程测量中的应用越来越广泛。大部分测量系统一般都会选取红外相机的光轴作为系统的参照基准,因此红外相机的光轴标定的准确性将直接决定整套测量系统的准确度等级。激光跟踪仪是空间尺寸测量的一种常用仪器,它可以建立笛卡尔三维坐标系将空间任意点以坐标点形式表示出来,通过坐标点确定系统中点、线、面之间的几何位置关系。利用三靶球位置坐标原理将红外相机的光轴等虚拟参数以空间坐标点的方式标示出来,为后续试验人员的校准定位工作提供一定的技术依据和参考。     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

高铁转向架在线自动测量系统的研制

传统高铁转向架几何尺寸检测方法无法满足现代自动装配线的高效率高精度的数字化生产要求,针对转向架装配后的几何尺寸开展自动检测系统研究,以坐标测量为理念,利用龙门梁上中间安装的两组六只非接触测距传感器,结合两端安装的双磁栅尺实时采集轮对内侧面、踏面、转向架基准块及龙门梁位置数据,通过自动解算实现轴间距、轮间距、轴对角线长度,基准块与轮对内侧距离等尺寸的自动检测。经试验及分析,测量不确定度及测量节拍均满足现场在线自动化检测需求。     

考虑测量参照物误差对VAMT1Y并联机床的运动标定仿真

采用间接测量对 VAMT1Y并联机床进行标定仿真时 ,需要引进标准测量参照物对动平台的位姿进行测量 ,但参照物本身可能存在一定的尺寸误差 ;另外间接测量时要不断变换标准测量参照物的位置 ,又会引进位置误差。为便于解决实际问题 ,将上述误差和待标定的机床的几何误差综合考虑对机床进行了标定仿真。仿真结果表明 ,适当地考虑一些测量系统的误差并不会影响最终的标定效果     

深度强化学习的数控机床几何误差标定与补偿研究

为了提高数控机床的加工精度,需要进行数控机床的几何误差标定与补偿.采用自由来流与圆柱中心连线的准线性标定方法构建数控机床控制约束参数测量模型,进行数控机床的输出载荷计算和结构力学参数评估,通过特征值屈曲分析的方法进行数控机床的几何误差测量,采用深度化学习的方法进行数控机床几何误差测量和误差补偿控制.仿真结果表明,该方法...     

一种利用位置误差模型的机器人位姿标定方法

针对机器人位姿标定模型中位置和姿态数据的权重不合理导致参数识别精度低甚至发散问题,给出一种直接基于末端位置坐标测量的机器人位姿标定方法,避免了位置和姿态数据量级不同对参数识别精度的影响。采用指数积方法,建立一种包含3点位置信息的机器人运动学模型。通过对运动学模型取微分,利用指数映射微分公式推导出机器人末端3点位置误差与几何参数误差之间映射关系的显示表达并给出参数误差识别方法。采用激光跟踪仪作为测量设备,以UR5机器人为标定对象进行运动学参数标定和验证试验。试验结果表明,机器人末端位置误差模和姿态误差模的平均值分别降低了90%和92%。     

A kinematic model for machine tool accuracy characterisation

A method for characterising machine tool accuracy is presented in this paper, using a compact quasi-static error model of a three-axis horizontal machining centre. Rigid-body kinematics and homogeneous coordinate transformation were used in this model. A metrology pallet was designed so that coefficents in the error model can be updated periodically. Ten measurement points were allocated on two perpendicular planes of the metrology pallet. One of the measurement planes was on the work table and the other was perpendicular to the table. Two different length touch trigger probes were required for error measurements. Establishing or updating the error model can be carried out in-process without disturbing the workpiece setup. The proposed compact error model is an improvement over past work for a production environment because of its robustness and convenient calibration procedure. The error model was tested in two dimensions and a good error prediction capability was observed in warm machine states.     

多站大尺寸测量仪坐标系转换的Procrustes方法

提出了用7参数Procrustes方法建立了具有尺度因子的7参数坐标转换模型对多站大尺寸坐标测量仪坐标数据进行转换。首先,根据大尺寸测量仪坐标转换的原理,建立了7参数大尺寸坐标转换的非线性模型,并具体分析了Procrustes方法及其对坐标转换的适用性和重心法的转换过程。然后,列出了7参数Procrustes坐标转换方法的具体算法步骤;最后,利用该方法对一台Faro激光跟踪仪在移站前后的实际测量数据进行了坐标转换验证。对所得结果与激光跟踪仪配套软件移站的结果以及重心法的测量结果进行了比较,还利用所得的转换参数对一已知长度的基准尺两端坐标值进行转换验证。结果表明：利用7参数Procrustes方法得到坐标转换后x、y、z三个轴的最大误差分别为24.5 μm、42.5 μm和32.8 μm,转换结果的中误差为17.1 μm,远远高于配套软件以及重心法的转换精度。另外,用转换后的坐标值计算基准尺长度的极差为36 μm。该坐标转换方法也可用于不同种类的坐标测量仪的数据匹配。     

基于坐标配准的牙颌测量点云拼合技术研究

针对牙颌等待测物非接触式光学三维测量,提出了一种融入标定功能的夹具设计方法,实现了测量过程中待测物与标定靶的空间一致性;定义了单目视觉测量过程涉及到的坐标系统;提出了一种基于坐标配准的点云拼合技术,简化了点云拼合流程,实现了点云拼合理论零误差;应用张正友标定方法对摄像机进行了标定;通过实验验证,得到了具有一定精度的牙颌三维模型点云拼合数据,实现了较快的测量速度,为提高牙颌测量系统的整体精度提供了有力支撑。     

Study on the influence of geometric errors in rotary axes on cubic-machining test considering the workpiece coordinate system

Evaluating the influence of geometric errors in rotary axes is a common method used by a five-axis machine tool for improving the machining accuracy. In conventional geometric error models, the table coordinate system is considered as the final workpiece coordinate system. In this study, an additional workpiece coordinate transformation was proposed to identify the influence of geometric error. First, a cubic machining test was conducted. Second, the necessity of workpiece coordinate transformation was analyzed, and a method for coordinate transformation was proposed. In addition, both machining simulation and an actual machining experiment of the cubic machining test were conducted to verify the efficiency of the proposed method. The results indicate that the workpiece coordinate transformation is an essential part of the geometric error model for accurately simulating the geometric error influence. The method for identifying the geometric error influence considering the workpiece coordinate transformation is applicable in manufacturing.     

广义极坐标法测量渐开线轮廓误差的研究

提出了测量渐开线轮廓误差的广义极坐标方法,导出了测量模型,以此为纽带将展成法与标准极坐标法统一起来;给出了基于简易数控实现该方法的测量原理、测量控制策略以及在法向评定轮廓误差的算式;最后介绍了实测结果。     

Sampling uncertainty in coordinate measurement data analysis

There are a number of important software related issues in coordinate metrology. After measurement data are collected in the form of position vectors, the data analysis software must derive the necessary geometric information from the point set, and uncertainty plays an important role in the analysis. When extreme fit approaches (L_−∞ norm estimation approaches) are employed for form error evaluation, the uncertainty is closely related to the sampling process used to gather the data. The measurement points are a subset of the true surface, and, consequently, the extreme fit result differs from the true value. In this paper, we investigate the functional relationship between the uncertainty in an extreme fit and the number of points measured. Two major issues are addressed in this paper. The first addresses and identifies the parameters that affect the functional relationship. The second develops a methodology to apply this relationship to the sampling of measurement points.     

基于大尺度三维几何视觉的货运列车超限检测方法研究

货运列车的超限是威胁铁路安全的重要因素之一。但是一直以来,我国货运列车超限检测都是采用落后的人工方式进行测量。提出了一种基于大尺度三维几何视觉的货运列车超限自动检测方法。该方法根据三维几何视觉确定被测物在世界坐标系下的坐标,并利用铁轨靶标得到铁轨坐标系和世界坐标系之间的转换关系,将被测物的坐标转换到铁轨坐标系中对货运列车是否超限做出判断。其中,外极线约束和结构光光条约束用来防止特征点的匹配错误,平面靶标用来计算相机的参数。外场实验结果表明,该方法可以快速、准确地对货运列车超限进行判断,具有很高的应用价值。     

Station-transfer measurement accuracy improvement of laser tracker based on photogrammetry

Laser tracker has been used in a diverse range of applications due to its high accuracy and efficient, specifically as measuring the coordinates of points or scanning shape of objects. In real applications, we often need to measure common points on multi-stations by using this technology if objects are large scale. To ensure every common point within the range of laser tracker, common points are usually placed far from the laser tracker. However, the long distance between common points and laser tracker will decrease the accuracy of the result. In this research, we proposed a new method where photogrammetry and laser tracker are integrally used to measure common points to reduce measurement error. With the help of photogrammetry, we first constructed the geometric constraints of common points. Then, by using graphic correction method, the coordinates of common points on laser tracker will be corrected. Both of the theoretical and experimental study results indicated the great success of improving the measurement accuracy of laser tracker. We consider that this method we reported can highly increase the accuracy of measurement on laser tracker station-transfer.     

基于跟踪转台的光笔式全空间坐标测量系统

光笔式坐标测量系统是一种基于视觉测量的便携式坐标测量技术.在经典的光笔式坐标测量系统中,其测量范围被限制在相机的视场范围之内.为了克服这种缺陷,本文设计了一种新的光笔式坐标测量系统以实现全空间坐标测量.相机被安装在一个转台而不是三脚架上,因而,相机能够进行旋转从而对光笔的移动进行跟踪.新系统能够被用于大范围的工业现场测量,因此极大地扩展了光笔式坐标测量系统的应用范围.为了保证新设计系统的测量精度,本文还提出了一种对跟踪转台参数进行标定的方法.将光笔放置在固定的位置,并改变转台两个旋转轴的方位角,让相机从不同的视角采集光笔的图像.根据相机和转台基座之间不变的坐标变换关系,可以建立起一个非线性方程组来对跟踪转台的参数进行求解.实验结果表明,新系统在测量距离为10 m内的全空间,其坐标测量精度能够达到0.25 mm.可以得出,新设计系统能够在不损失太多精度的情况下显著扩大光笔式坐标测量系统的测量范围.     

基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。