采用多站图像直线特征的飞机姿态估计

在角平分线方向向量法基础上提出了一种新的基于直线特征的飞机姿态多站测量方法.首先,用角平分线方法计算飞机的中轴线及其共面垂线的方向向量,由此得到飞机参考系到经纬仪摄像机参考系的旋转矩阵.然后,提取所有测站经纬仪图像上机翼边缘的直线特征,联合经纬仪俯仰方位角等参数,推导出直线特征的目标空间共面总误差函数,并使用改进的正交迭代方法优化旋转矩阵使总误差最小.最后,分解优化后的旋转矩阵得到飞机的姿态值.仿真实验得到的四站测量精度为0.17°,图像处理速度为32 frame/s,比角平分线法有了大幅的提高,另外,算法处理速度能达到实时.这些结果证明了文中方法的有效性和优越性.     

基于构建最优函数提高飞机姿态测量精度

提出了基于构建最优函数来提高飞机姿态测量精度的方法.首先,利用模板匹配法获得飞机在两个测站投影的同名特征点,在发射坐标系下采用交会获得飞机同名特征点的坐标值,根据飞机在空间的特征三角形解算飞机姿态的初值.然后,建立飞机体坐标系;利用成像的共线方程,重新计算空间特征点对应的像点坐标;以重投影结果与实际像点之间的偏差最小作为优化目标函数.最后,通过迭代提高目标姿态解的精度.实验结果表明,飞机轴向成像在大于500pixel时,姿态角测量误差小于0.1°.与中轴线法及飞机角平分线方向向量法测量精度比对,本文提出的方法采用的数学模型正确、算法合理,有效地提高了飞机姿态的测量精度.     

光电经纬仪目标异面交会测量的误差分析

本文介绍一种用于经纬仪实时确定目标瞬时位置的异面交会计算方法,即利用空间两异面光轴公垂线估计交会点坐标。分析了经纬仪间的交会角等因素对交会测量精度的影响,并应用于飞机航路试验中。结果表明,当交会角在[60°,120°]时,坐标测量精度可显著提高。     

经纬仪交会精度的定量预测

推导并建立了一系列的公式,用于定量预测两经纬仪的交会精度。给出了用于目标三维位置估计的基本多传感器三角交会法的公式,同时利用各个测量误差的泰勒展开式导出了误差传播等式。在测量误差中引入高斯分布,建立了测量误差标准差和目标位置估计标准差之间的关系式,给出了交会精度随各单项误差传播系数的变化曲线图。实验结果表明：目标的x、y坐标的估计误差不受站址坐标中z坐标误差的影响,也不受测量高低角的影响,站址坐标中z项误差直接转移到目标的z坐标估计误差中。交会角为90。时,交会精度受经纬仪单项差的影响最小,交会角在20～60°时的误差传播系数为0．079。目标（x,y）坐标的交会精度依赖于经纬仪站址的测量精度、方位角的测量精度、经纬仪和目标的距离测量精度及两经纬仪的交会角;目标z坐标的精度依赖于经纬仪到目标的水平投影距离、经纬仪z坐标的测量精度和传感器高低角测量精度。最后,给出了一套等式和图形用于设计一个两经纬仪系统,使之满足具体的精度要求。本预测方法已成功应用于实际项目中传感器的选型和光学系统的参考设计。     

空间目标姿态角测量计算方法研究

新型武器在靶场试验鉴定时,除了测量其空间X、Y、Z坐标外,还新增加测量其空间偏航角、俯仰角等姿态信息,这也对靶场试验数据处理提出了新要求.本文以靶场普遍使用的经纬仪为测量设备,提出了一种新的算法.该计算方法通过平面坐标系与三维坐标系转换、观察坐标系与世界坐标系转换,利用三维透视投影变换理论,推导出相应计算公式,并给出了单站计算目标姿态角的精度分析.该方法可以普遍应用于光学成像测量设备和电子成像测量设备的姿态角数据处理中,具有一定的独创性和先进性.     

摄影测量的动态测量应用

摄影测量技术是通过空间交会的原理计算出空间点的三维坐标.借助于高精度的照相机和快速图像处理器,摄影测量可以实现对多点的实时测量监控,从而计算出被测物的姿态、位置、形状以及它们的变化.通过数学建模,分析了摄影测量的动态测量原理,包括仪器部件坐标系的建立,活动部件坐标系的动态跟踪.并以比利时KRYPTON产品为例,介绍了典型摄影测量系统的应用技术,以及它们在航天航空汽车制造等领域中的应用实例.     

基于方向余弦交会测量的误差分析

以2台光电经纬仪间的方向余弦交会方法为基础,结合误差传递规律,推导出目标空间位置的测量误差公式,分析包括交会角等因素对交会测量精度的影响。试验结果表明,当交会角在[30°,150°]时,坐标测量精度可显著提高,因而对实际工程应用中的光电经纬仪的布站有重要参考价值。     

基于精密零件机器人视觉测量系统的目标自动对准方法研究

线结构光传感器与被测特征圆孔处于最佳工作距离及最适姿态时,才能实现较高精度的孔心空间三维坐标测量,现阶段在不增加辅助设备,仅依靠传感器本身,没有有效办法实现线结构光传感器最佳测量位置及姿态的调整,所以本文提出一种基于圆孔边缘图像清晰度的自动姿态对正方法。在传感器姿态对正被测特征孔后,台阶面上两孔孔心距的测量误差<0.1mm,验证了本文方法的有效性。     

光电经纬仪单站空间余弦及多站面面交汇的飞机姿态测量

本文对光电经纬仪测量飞机姿态的方法进行研究。首先介绍单站经纬仪在有距离信息时测量飞机姿态的方法,采用穷举的方法,获得飞机轴线上的特征点,利用空间的位置关系获得空间姿态参数。然后介绍多站经纬仪利用面面交汇的方法获得飞机飞行姿态;首先对二维平面图像采用Hough变换拟合算法获得目标中轴线,然后计算原点到目标的中轴线的垂直距离及原点到目标的中轴线的法线与X轴的夹角,获得目标在二维平面的直线方程,目标图像的二维中轴线与摄影系统的光学中心唯一确定了一个空间平面;采用面面交汇的方法,获得空间中轴线,可以得到飞机轴线的偏航角及俯仰角。实验结果表明,两种计算方法的结果误差偏航角为0.28%,俯仰角为1.1%。本文采用的数学模型正确、算法合理,有效的提取了飞机的姿态参数。     

三维机器视觉测量系统图像边缘提取算法研究

在三维机器视觉测量系统中,二维数字图像边缘提取是进行三维坐标计算的必要前提。对几种常用边缘检测算子的边缘提取效果进行了比较;提出了一种基于Priwitt算子的改进边缘提取算法;给出了三维机器视觉测量系统中激光线图像与零件特征边缘图像交点的求解方法,为三维机器视觉测量系统的三维坐标计算奠定了基础。     

基于无衍射姿态探针和全站仪组合测量空间隐藏坐标

针对大尺度空间中构件特征隐藏区的空间坐标测量,提出了一种基于无衍射光束的测量探针,并将该探针与全站仪结合构成了空间坐标组合测量系统。介绍了探针姿态测量系统和组合测量系统的结构与原理。测量时,首先将探针测头接触于被测点,并用全站仪或激光跟踪仪瞄准探针的光学系统,测得探针的空间位置坐标。接着,使用探针将测距激光通过axicon透镜变换为无衍射光,并由CCD摄像机获得图像。由无衍射光的中心一对一映射激光的入射方向,通过无衍射光图像定中计算,获得探针的水平角和俯仰角。最后,通过电子倾角仪测得探针滚动角;联合测得各姿态角和位置坐标,通过坐标变换,计算得出被测点的空间坐标。实验显示,该探针的姿态角测量精度为1mrad,组合测量空间位置偏差为±1mm,表明基于无衍射光束的探针与全站仪所构成的组合测量系统可满足大尺度空间中特征隐藏区空间坐标测量的要求。     

基于平面表像法的任意刃形钻头切削角度的建模与测量

根据钻头前刀面的数学模型,应用平面表像法理论建立了计算曲线刃钻头主刃各点在不同参考系下的工作切削角度(包括工作前角、工作刃倾角、工作主偏角等)的像图。以此为基础,提出一种通过测量主刃投影曲线间接测量主刃各点切削角度的新方法,较好地解决了任意刃形钻头切削角度的测量问题。试验证明,该方法正确而有效。     

基于惯性基准的大尺寸空间角测量

针对大型装备装配过程中的大尺寸空间角测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法并且设计了相应的测量系统。该测量系统利用自准直原理获取被测轴线方向,通过内部陀螺仪和编码器测量被测轴线在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后根据每个被测轴线在公共基准内的单位向量坐标值实现空间角的计算。建立了大尺寸空间角测量的数学模型,并对测量系统的测量不确定度进行分析和计算。最后搭建了测量系统的原理样机并利用原理样机在实验室进行了模拟测量实验。实验结果表明,原理样机的实际测量误差为14",满足了测量精度的要求。该方法采用惯性空间作为公共测量基准,有效地解决了测量大尺寸空间角时测量基准难以建立和传递的难题,使得测量过程更加灵活、高效。     

加权整体最小二乘法在光学自准直法测量挠曲角中的应用

建立了基于光学自准直法的测量系统,利用该系统提取转台的十字丝坐标,完成了对三维物体的挠曲角测量.首先,采用Sobel提取算子对CCD拍摄到的十字丝图像进行边缘检测.然后,采用了自适应的阈值分割进行直线提取;由于转台上有其它划痕存在,采用局部最小二乘进行十字丝的提取.最后,采用加权整体最小二乘法进行十字丝两条线的直线拟合,联立两方程,得出交点坐标值.结果表明,此方法获取的两直线斜率之积的精度在±1％以内,非常接近十字丝斜率之积的真值(理论真值为-1).使用徕卡经纬仪(精度为0.5″)的角度值作为真值进行精度标定,测得a的精度为3.59″,β的为3.76″,完全满足系统挠曲角测量的精度要求.     

激光跟踪仪测角误差的现场评价

激光跟踪仪是基于角度传感和测长技术相结合的球坐标测量系统,其长度测量采用激光干涉测长方法,可直接溯源至激光波长,因此,激光跟踪仪的长度测量精度远高于角度测量精度,相对而言,测角误差就成为评价跟踪仪测量精度的重要指标。为了对现场测量激光跟踪仪的测角误差进行快速有效地评价,采用跟踪仪多站位对空间中测量区域内若干个被测点进行测量,与传统基于角度交汇原理的多站位冗余测量不同,利用各站位所观测的高精度测长值建立误差方程,并通过测长方向的矢量位移对跟踪仪测长误差进行约束,获得被测点三维坐标在跟踪仪水平角和垂直角方向上的改正值,以此来评价激光跟踪仪的测角误差。通过Leica激光跟踪仪AT901-LR进行了多站位测角误差评价实验,在现场测量条件下,跟踪仪水平和垂直方向测角误差约为0.003 mm/m(1σ),符合跟踪仪的测量误差特性。     

Dimensional and angular measurements using least squares and neural networks

In this study a machine vision approach is developed for dimensional and angular measurements of manufactured components comprising straight line segments. We aim at the measurements of distance between two parallel lines and angle between two intersecting lines using both least mean square (LMS) and artificial neural network (ANN) techniques. LMS models estimate the line parameters based on the sum of squared perpendicular distances, rather than the vertical distances, between the observed data points and the line. A set of 23 gauge blocks of varying sizes is used to evaluate the performance of the LMS line estimators. Experimental results show that the measurement errors of the LMS models are affected by the line length and orientation of digital images. ANN techniques are, therefore, used to adjust the measurement errors resulting from the LMS models. Two back-propagation neural networks are developed, one for measuring the distance between two parallel lines, and the other for measuring the angle between two intersecting lines. Experimental results show that the ANNs are very effective for correcting the measurement errors regardless of line lengths and orientations of digital images. A 90% improvement in measurement accuracy for the ANN compared to the LMS was achieved. By using the ANNs, the measurement accuracy and flexibility in manufacturing applications can be significantly improved.     

红外成像系统的调制传递函数测试

研究了刃边法测试光学系统调制传递函数(MTF)的原理,提出将改进倾斜刃边法用于红外成像系统MTF的测量。考虑刃边倾斜角度的测量误差和噪声干扰会引起红外系统MTF的测量误差,采用Canny算子、直线拟合和边缘扩散函数(ESF)重构行数变动等方法来提高MTF的测试精度;同时针对ESF与线扩散函数(LSF)提出有效的降噪算法来降低噪声对MTF测试精度的影响,从而系统地降低了MTF的测量误差。搭建了实验平台,以红外成像系统的理论模型和实测参数得到的MTF曲线为依据,实验验证了本文方法的有效性,测试分析了刃边倾角的变化对MTF测试精度的影响。实验结果表明:通过本文方法测试得到的MTF曲线的测试精度为0.010,测试重复精度为0.008,刃边倾角保持在2°~10°。实验结果显示:本文方法有效地降低了刃边倾角的测量误差和噪声干扰对MTF测试产生的影响,测试结果具有良好的重复性。     

Multi-beam laser probe for measuring position and orientation of freeform surface

This study develops a novel optical non-contact probe that measures the position and orientation (normal vector) of a freeform surface. The probe system comprises a five-laser-beam projector and a charge-coupled device (CCD) camera. The probe is integrated on a three-axis platform. Five designed laser beams project onto a measuring surface, where five light spots are observed. The CCD captures the image of this surface and processes it. The 3D coordinates of the five light spots can be then computed. The normal direction at the central spot on the measuring surface is determined from two crossed curves through the coordinates of these five light spots. Two crossed curves are constructed using the Bezier method. The normal vector is the cross-product of two tangent vectors to the two crossed curves at central spot. A scheme for calibrating and making measurements using this five-laser-beam probe is proposed and verified experimentally. Experimental results demonstrate that this five-laser-beam probe system can measure the position and orientation of a freeform surface. The range of depths that can be measured using this probe is 2.4 mm and the range of angles is 40°. The positional measuring accuracy of the complete system is approximately 30 μm while the orientational accuracy is 1.8°.