激光三角法钢轨磨耗检测系统研究

传统基于图像处理的钢轨磨耗检测系统处理过程复杂、运算量大,难以满足实时检测的需求.为了解决以上问题,基于激光三角法构建了一种新的二维高精度钢轨磨耗检测系统.它采用光切法扫描钢轨轮廓,将直接采集到的轮廓坐标通过以太网传输到工控机上;通过对不同去噪方法的性能比较,最终采用基于灰色关联的中值滤波方法对初始轮廓数据进行预处理;采用基于最小二乘的高斯-牛顿非线性二次拟合来提取轨腰圆心特征点,通过仿射变换将实测轮廓与标准轮廓进行对位,得到钢轨的磨耗值.实验结果表明:该检测系统垂直磨耗和侧面磨耗测量精度均达到±0.2mm,性能优于传统图像检测方法(±0.3mm),满足铁路标准要求,可用于实时检测钢轨磨耗参数,指导轨道维护工作.     

基于二维激光位移传感器的钢轨磨耗改进检测算法

基于二维激光位移传感器的钢轨磨耗检测系统在实际线路上采集的轮廓坐标数据往往存在噪声和离群点干扰,传统基于非线性最小二乘轮廓匹配算法对干扰点较为敏感,因此容易出现匹配不准的问题。提出了在传统的方法上采用距离和最小取代最小二乘平方和最小的目标函数,并采用Nealder-Mead单纯形算法对目标函数进行优化求解得匹配参数。在MATLAB中进行仿真,对比分析了提出方法的有效性及误差,方法在轨道检查车实采线路数据上进行了验证,改进方法有效改善了受干扰时的匹配精度。     

混合遗传算法在结构参数标定中的应用

对多关节三维扫描仪的参数标定方法进行了研究。在准确推出三维空间坐标模型的基础上,提出了基于非线性最小二乘法思想的参数优化模型,继而提出了一种基于奇异值分解的最小二乘法的参数标定方法,在分析其适用范围之后,进一步提出了嵌入这种最小二乘法算子的混合遗传算法,这种算法综合了两者的优点,具有收敛速度快,精度高等优点,特别是其修正参数误差的范围比文献3、4的范围大大提高了。实验结果证明这种标定方法具有非常好的鲁棒性和工程应用价值。     

黑白棋盘网格中的直线检测方法研究

黑白棋盘网格的直线检测在摄像机标定中具有重要的应用价值。针对黑白棋盘网格图像的特点及传统Hough变换直线检测方法中参数选择敏感的不足,在Hough变换的基础上进行了后续处理,结合最小二乘法获得黑白棋盘网格图像中的直线信息。最后,通过大量真实图像实验验证了方法的可行性,并与传统Hough变换方法及其改进方法进行了比较。     

计算机视觉在并联机器人运动学标定中的应用

为提高并联机器人运行精度,研究利用计算机视觉标定并联机器人运动学参数的方法。首先对Delta型三自由度并联机器人进行运动学分析。然后采用光学照相机为传感器,在机构处于不同位姿状态下对固定于动平台上的标定板进行拍照,通过相机标定以及相应的坐标变换方法,求出动平台中心在基坐标系中的位置。最后利用机器人逆运动学模型、自定义的误差方程和非线性最小二乘估计,获得运动学参数。实验结果表明,该标定方法成本较低,标定方法简单、有效。     

复杂环境下的多工件定位研究

为了获取工业流水线上工件精确的位姿信息,提出一种在复杂环境下同时定位多个工件的方法。首先在复杂环境下采用基于边缘梯度的匹配算法及图像金字塔搜索策略快速识别多个目标,得到目标在图像坐标系中的精确位置信息。然后通过张正友棋盘标定法对单目摄像机进行标定,获得摄像机的内参数及畸变参数。最后,通过优化最小二乘法建立了一种图像坐标系到世界坐标系间的转换关系,实现目标由图像坐标系到世界坐标系中的精确位姿定位。实验表明该方法能在杂乱背景、部分遮挡及非线性光照等环境下,准确地定位工件,鲁棒性较高;识别目标的平均时间在0.5 s以内,工件在x-o-y平面的定位误差小于1 mm、姿态角度定位误差小于1°,可以满足工业应用中复杂环境下的实时性和精度要求。     

采用限定记忆区间最小二乘法辨识DC伺服电机系统非线性参数的方法

以ＤＣ伺服电机系统作为研究对象，提出了采用限定记忆最小二乘法辨识具有非线性参数的ＤＣ伺服电机系统动力学参数的新方法．（１）采用限定记忆最小二乘法，辨识出了伺服电机的非线性参数与运动状态相关的轨迹．（２）提出了以速度指令信号的周期设定限定记忆区间长度Ｌ的方案．（３）对用限定记忆最小二乘法辨识出的非线性参数列再构出非线性参数列与状态变化间的对应关系，然后对每个与状态变化相关的非线性参数列，使用最小二乘法进行二次曲线的拟合，进一步构造出非线性参数的近似模型．（４）将拟合得到的非线性参数列的模型代入到ＤＣ伺服电机的动力学方程式中，便可构成电机系统的非线性模型．采用限定记忆最小二乘法可以观测到系统的非线性参数与运动状态变化的关系，并且可以构成更精确的电机系统的非线性模型，通过对模型与电机系统之间的误差检定，确认了使用此方法建立的模型具有误差小、精度高，更接近实际系统．     

交通事故现场相机标定技术研究

在分析了交通事故现场处理特点的基础上,提出了基于棋盘格模板的照相机标定方法,即从不同角度拍摄多幅含有棋盘格模板的现场图像,在Tsai两步法的基础上先对相机进行线性标定,然后基于极大似然估计进行非线性优化,最后进行图像校正,获得照相机模型参数。实验结果表明该方法标定精度高,抗噪性能稳定,标定物简单,更加灵活易用。     

基于误差分布估计的机器人手眼标定方法研究

精确的机器人手眼标定对于机器人的视觉环境感知具有重要的意义。现有算法通常采用最小二乘估计或全局非线性优化求解方法对机器人手眼系统的变换参数进行估计。当系统存在测量粗差时直接采用最小二乘估计会导致标定结果精度的下降;基于全局非线性优化策略的标定算法则由于数据粗差的影响,求解过程易过早收敛也会造成标定精度低。为了解决误差粗差敏感的问题,提出了一种基于误差分布估计的加权最小二乘鲁棒估计方法,以提高机器人手眼标定的精度。首先,通过最小二乘估计计算手眼变换矩阵;之后计算每对坐标对应的误差值;根据误差值的分布概率初始化对应坐标数据的权值;最后采用加权的最小二乘估计重新计算机器人手眼标定矩阵。最后引入迭代估计策略进一步提高手眼标定的精度。设计的机器人手眼标定实验及结果证明,所提算法能够在数据粗差影响下保持较高的标定精度,更适用于机器人的手眼标定问题。     

一种基于最小二乘法的工业相机系统标定方法

针对精密激光加工领域中机器视觉成像高精度与高性能问题,提出了一种基于最小二乘法的工业相机系统标定方法。首先,基于工业相机的成像原理,分析了工业相机四种坐标系及其转换关系。其次,结合毫米级应用场景与某种工业相机的参数规格,建立了一种二次多项式最小二乘法的系统标定模型。然后,搭建了一套工业相机视觉运动加工平台,制作了九孔标定板,并基于Visual Studio 2010平台和MFC框架开发了标定数据计算软件。实验结果表明,该系统标定模型的坐标误差为0.001mm级,为后续系统运动控制精度提供了保证。     

激光传感器扫描边缘系统定位方法研究

非接触式齿轮倒角测量系统物体坐标系与运动平台坐标系的系统定位是通过人工控制XY移动平台携带激光传感器运动使激光点投射到棋盘格左下角点,该方法存在一定的人为误差,增加了齿轮倒角测量的系统误差[1].提出用激光位移传感器扫描测量标定板右侧和下侧边缘突变点位置坐标来确定标定板右下角点位置坐标信息,棋盘格有效区域左下角点与标定板右下角点间的距离已知,控制XY二维运动平台运动,使激光点投射到棋盘格有效区域左下角点的位置,完成系统定位.     

基于双目视觉的板材平面测量研究

针对传统人工测量板材尺寸精度较低、工作量大、易导致板材表面受损等局限,基于双目视觉技术设计了一种板材尺寸视觉测量系统;通过双目相机采集棋盘格图像,采用MATLAB进行相机标定和图像校正,拍摄左右图像并通过半全局立体匹配算法(SGM,semi global matching)进行特征点立体匹配,重建出目标三维点云模型;为提高目标特征点坐标获取的准确性,提出基于HARRIS的亚像素检测方法;采用区域生长算法结合膨胀和腐蚀操作提取板材表面轮廓,根据三角测量原理计算出板材轮廓上各点的三维坐标从而实现板材的尺寸测量,并进行点云重建增强三维展示效果;实践结果表明亚像素检测方法在角点提取上存在优势,在实际板材测量应用中实现了高精度尺寸测量,满足了工业测量需求。     

基于Gocator视觉传感器的轨头参数计算

轮轨间紧密接触使轨头轮廓产生不规则变化,传统钢轨检测方法主要测量钢轨的垂直磨耗和水平磨耗,不能全面反映钢轨横截面的轮廓信息。基于Gocator视觉传感器采集、拼接得到的完整轨头轮廓数据及标准钢轨轨头轮廓曲线解析式,提出计算轨头剩余面积、轨头45°角磨耗和轨头角度参数的计算方法。该方法通过传感器拼接得到的离散点数据,采用优化分段三次的拟合方法进行多项式拟合,依次对多项式积分得到整个轨头剩余面积;通过轨头45°角所在直线与测量轮廓的交点计算其磨耗;通过计算轨头圆弧相交点处切线斜率得到轨头角度。实验数据表明,在钢轨同一截面计算得到的参数误差小,精度高,计算速度快,这些参数的有效测量值为钢轨自动化打磨维护提供指导意义。     

基于二进制编码结构光测量系统的标定方法

针对基于二进制编码结构光的三维形貌测量系统,利用交比投影不变原理,提出了一种可同时标定摄像机模型参数与投影光平面方程参数的方法。另外,为了克服原系统只能求取部分光平面方程的缺点,利用靶标坐标系与摄像机坐标系之间的约束关系,提出了一种间接标定光平面一般方程的方法。本文阐述了该测量系统的测量原理,提出了标定方案,给出标定结果。实验结果验证了理论分析的正确性和应用的可行性。     

结构光测量系统的投影仪标定方法研究

传统单目视觉结构光测量系统通过解相位间接计算被测物的高度信息,系统约束性过强、不易操作、且标定精度较低.将双目立体视觉原理引入单目结构光视觉测量系统,根据投影仪图像坐标和摄像机图像坐标的对应关系,将投影仪当作一个逆向的相机,建立了投影仪模型,使用成熟的相机标定算法对投影仪进行标定.再配合四步相移法和基于多频外差原理的时域相位展开法,实现条纹图像的快速精确解相位.相对于传统的单目视觉结构光测量系统,本方法具有单目视觉系统操作简单、鲁棒性强的特点,同时也可以达到双目视觉测量的精度.实验结果表明,这种方法的投影仪标定精度达到了实际应用的要求.     

摄像机标定系统的设计

为了解决摄像机在视觉测量中的应用这一问题,必须实现摄像机的高精度标定,设计了摄像机标定系统。首先,从摄像机标定技术的基础理论研究出发,对摄像机标定技术的原理和所采用的张正友标定法的基本原理进行了分析总结。然后,利用Matlab 标定工具箱和一张8x12,正方形边长为26mm的黑白棋盘格,对设计的摄像机系统进行标定。最后,分析了标定系统中的误差,对该系统的设计进行验证。实验结果表明：摄像机的主点坐标误差为：[-0.01186;0.03393];摄像机外部参数标定像素误差达到[0.22981; 0.16846]。基本满足视觉测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强、可移植性强等要求,为后续应用到视觉测量中奠定了基础。     

光电经纬仪站址与测角测距误差校准

光电经纬仪校准是实现目标精确测量的关键,在设备经过一段时间的使用或移站后均需进行校准.针对近期一次光电经纬仪校准工作中,以设备旋转中心测量值作为站址坐标真值进行其他参数校准时产生了无规律且较大测角偏差的问题,提出一种基于地面控制的光电经纬仪站址与测角测距误差校准方法.相比其他类似校准方法,该方法将站址坐标、测角误差和测距误差均作为未知量进行校准模型构建,通过平差计算,得到一组最优的校准数据作为光电经纬仪测量的基准.经试验验证,该方法有效提高了光电经纬仪测量精度和可靠性,同时校准结果可直接用于光电经纬仪数据处理软件,保证光电经纬仪测量处理的规范化.     

一种基于TOF相机与CCD相机的联合标定算法研究

针对基于Time-of-Flight(TOF)相机的彩色目标三维重建需标定CCD相机与TOF相机联合系统的几何参数,在研究现有的基于彩色图像和TOF深度图像标定算法的基础上,提出了一种基于平面棋盘模板的标定方法。拍摄了固定在平面标定模板上的彩色棋盘图案在不同角度下的彩色图像和振幅图像,改进了Harris角点提取,根据棋盘格上角点与虚拟像点的共轭关系,建立了相机标定系统模型,利用Levenberg-Marquardt算法求解,进行了标定实验。获取了TOF与CCD相机内参数,并利用像平面之间的位姿关系估计两相机坐标系的相对姿态,最后进行联合优化,获取了相机之间的旋转矩阵与平移向量。实验结果表明,提出的算法优化了求解过程,提高了标定效率,能够获得较高的精度。     

一种钢轨动态轮廓数据校准方法研究

为减轻轨检车振动对车载视觉测量系统动态测量钢轨轮廓的不利影响,提出一种基于轮廓曲线特征点和最近点迭代算法ICP(Iterative Closest Point)的数据校准方法。通过识别动态轮廓曲线的特征点,完成数据初步校准,然后利用ICP算法确定初步校准数据与标准数据之间的变换矩阵,实现动态数据最终校准。最后通过实验模拟了振动对测量的影响。实验结果表明：在垂磨和侧磨测量点处,校准后数据与标准数据偏差值的标准差分别为0.088 mm、0.085 mm,取置信水平为0.99时,校正精度分别为±0.227 mm、±0.219 mm,该方法有较好的精度,可应用于工程测量。     

线结构光扫描传感器结构参数一体化标定

为了精确快捷地标定线结构光扫描传感器的结构参数,提出了一种线结构光扫描传感器结构参数一体化现场标定的新方法,建立了线结构光扫描传感器的数学模型,根据张正友摄像机标定思想结合L-M非线性优化算法能快速精确地完成摄像机内外参数的标定,在此基础上,引入辅助线激光,通过反复多次提取两激光交点完成对线结构光平面精确标定。文章还介绍了如何获取激光交点以及精确提取交点坐标的方法,通过设计相关实验验证了本文方法的可行性,使系统精度优于24μm,能满足实际测量要求。