舱段自动装配位姿求解方法研究

在航天器自动化总装过程中需首先确定航天器舱段在装配空间内的准确位姿,为实现舱段位姿的快速精准求解,以圆柱体类航天器舱段结构为例,提出了一种矢量位姿求解法。通过在舱段的圆柱面上合理布设特征点,利用阻尼最小二乘法求解舱段连体坐标系原点在装配空间内的位置矢量,并结合空间圆柱面方程求解舱段连体坐标系的旋转矩阵,进而求得舱段的6个位姿参数。对矢量位姿求解法进行数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性和准确性。     

基于半径差约束最小二乘拟合的短圆弧测量

测量短圆弧时,由于特征点较少,噪声干扰大,通常使用的最小二乘法很难满足测量要求。本文以大齿轮为研究对象,在最小二乘法拟合的基础上,提出了半径差约束的最小二乘拟合法。该方法先计算出大齿轮上一贴片点的半径,再利用半径约束的最小二乘圆拟合法计算出大齿轮的中心,最后运用程序对模拟数据和实例数据进行处理,证明利用该方法能够有效提高拟合精度。     

大型舱段装配中的水平对接技术

为满足航天器舱段对接装配的高精度、自动化需求,提出一种基于自动化手段的大型舱段对接装配技术,即水平对接技术。从理论的角度介绍了该技术的工作原理,阐述了其基于并联机构的位姿控制和力随动控制两大技术要点,进行了舱段水平对接装配试验。通过实验证明了位姿控制方式能将销钉轴线位姿精度从0.3mm提高到0.1mm,满足舱段对接在销钉插入销孔阶段的位姿精度要求,同时证明了力随动控制能根据支链力变化实时变换舱段位姿,满足舱段对接在压紧密封圈阶段的舱段小变形要求。     

光学非球面坐标测量中位姿误差的分离与优化

在开发了一种专用非球面坐标测量机的基础上,分析了测量系统与工件在空间6个自由度上的相对位姿误差的关系,建立了位姿误差的数学模型。利用模型参数估计的方法,建立了测量数据与名义面形之间基于最小二乘法的优化模型,得到了上述位姿误差的最小二乘估计,并据此对工件面形误差测量结果进行校正,消除了位姿误差的影响,提高了测量结果的可信度与精度,最终使测量系统精度达到0.5 μm,重复精度优于0.3 μm。     

红外甲烷传感器检测中的算法研究

针对在红外甲烷气体检测中处理数据精度不高的问题,通过对最小二乘法曲线拟合进行分析,阐述了在红外甲烷检测中使用最小二乘法拟合所存在的问题,提出了一种改进的分段最小二乘法.并根据试验中测试的数据对两种拟合方法进行了分析及对比研究.试验证明:分段最小二乘法可有效提高气体检测的测量精度.     

基于圆心约束最小二乘圆拟合的短圆弧测量方法

坐标测量中通常采用最小二乘法拟合几何元素。测量短圆弧时,由于特征点数少,受到的噪声干扰大,测量精度难以保证。本文针对基于机器视觉系统的短圆弧测量,分析了采用最小二乘法多点测圆时,圆弧中心角对圆心及半径测量误差的影响,提出了圆心约束最小二乘圆拟合方法。利用本文的方法测量理论半径10mm,中心角20°的短圆弧,测量误差小于0.01mm。对比实验表明,利用圆心约束最小二乘圆拟合法测量短圆弧能有效提高拟合精度。     

复杂曲面测量数据的位姿配准方法

针对三维测量数据和自由曲面模型之间的位姿配准问题,研究了先粗后精的两步配准方法。在初始配准的基础上,融合最小二乘法和最小条件原则构造目标函数,应用微分进化算法对目标函数寻优,找出三维测量数据与理论曲面的最佳匹配矩阵以实现最优配准。实验结果表明,该方法与遗传算法相比具有运算速度快和精度高等特点,能较好的解决复杂曲面类零件测量数据的位姿配准问题,并且可用于逆向工程中曲面误差的分析及修正。     

基于移动最小二乘法测量数据的数控刀轨生成

为解决激光快速成型方法精度和效率低的问题,提出了一种采用移动最小二乘法将测量数据直接生成粗精加工刀具路径的算法,并对拟合误差进行了分析.粗加工采用层切法快速切削材料,首先按照粗加工余量生成偏置点云,采用移动最小二乘法拟合点云切片数据,并生成偏置曲线,划分子加工区域,生成Zigzag方式的粗加工刀具轨迹.精加工采用球头刀保证加工精度,按照球头刀半径偏置点云并删除局部干涉的点生成偏置点云,对偏置点云进行切片处理.并拟合确定刀位点,有序连接生成精加工刀位轨迹.实验结果表明,粗加工具有较高的效率,精加工能够满足给定的加工精度并避免局部干涉.     

BP神经网络在多位置捷联寻北系统中的应用

为了精确拟合多位置捷联寻北系统采集的数据的曲线,计算陀螺初始位置和真北方向的夹角,简要介绍了多位置捷联寻北系统的工作原理,推导了寻北测量的数学模型,并分析了影响测量精度的因素,分别采用了最小二乘法和BP神经网络法,对两种方法的拟合精度和最终计算得到的寻北结果进行了比较。实验结果表明：与最小二乘法相比,BP神经网络拟合精度较高,拟合残差和较小,达到0.06位,残差的均方差达到34.45位,在计算相位角时,多次寻北结果的均值基本一致,但均方差明显由于最小二乘法,达到8″。满足寻北系统对数据拟合精度的要求。     

直线特征测量数据的平滑去噪

在逆向工程中,二维截面数据的重构是曲面重构的基础,为得到拟合精度较高的截面曲线,需对所测数据进行处理。针对直线段离散数据,先利用均值平滑处理方法对其进行平滑去噪,再利用最小二乘法拟合出精度较高的直线,实例证明该平滑方法可行有效。     

面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法

为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题,提出了两点定位调姿法：通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整,采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数,确定舱段合理的调姿时间,保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法,采用串联机构即可满足调姿算法要求,避免了多轴协调控制,降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证,通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿,位移、速度、加速度轨迹光滑连续,同时满足各边界约束条件,调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm,调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明,两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求,有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。     

地面空调送风工况下改舱客机热舒适性数值模拟

改舱客机通过减小座椅排距增加客舱座位数,为航空公司带来经济效益,但座椅排距的改变使原有的地面空调送风方式已不适用于改舱客机,容易导致客舱内的热舒适性不佳。针对此问题建立了改舱后的波音737客舱仿真模型,并通过实验舱验证了仿真模型的准确性。基于合理的改舱模型,模拟分析了客舱内的温度场、风速场,考虑到改舱导致的客舱内部流场分布不均匀的问题,提出以预测平均投票(Predicted Mean Vote,PMV)和吹风感指数(Draft Rate,DR)作为热舒适性评价指标,构建评价函数综合评价改舱后的热舒适性,求解得出满足热舒适性要求的改舱客机最佳送风速度。该方法为改舱客机的热舒适性控制提供参考。     

利用平行透视投影模型的位姿迭代估计

提出了一种利用平行透视投影模型的高效位姿迭代估计方法来提高单目视觉测量系统的精度和鲁棒性.通过引入齐次坐标表示,避免了现有算法对平行透视投影参考点选择的限制.首先,研究了平行透视投影模型下使用齐次坐标求解目标位姿的方法,阐述了它的几何意义.然后,通过迭代的方式将其应用于一般透视模型下目标位姿的高精度估计.仿真实验结果表明,本文方法提高了基于平行透视投影模型的位姿迭代估计的精度,速度和抗噪性能.实物测量结果表明,本文方法的平移测量精度优于0.1 mm,旋转测量精度优于0.1°,可以满足各种视觉检测系统的要求.另外,使用标志点和图像特征亚像素定位技术还可进一步提高该算法的精度.     

基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计

针对相机内参数已标定和未标定情况下的相机位姿求解,提出了基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计算法。推导了关于相机焦距和位姿参数的线性方程,通过4条以上共面直线实现了相机位姿参数的线性解算;对参数线性解进行迭代加权最小二乘优化,得到更高精度的参数估计值和直线权值;最后,利用直线权值和欧式变换的保距性实现相机焦距的解算,得到了相机焦距和位姿参数的估计值。仿真实验表明:提出的算法在相机已标定,直线数为20,像点噪声方差为5pixel的情况下,角度误差小于0.2°,相对平移向量误差小于0.5%,耗时大约为1ms。真实数据实验表明,提出的算法可以获得与棋盘标定结果相近的精度。与现有算法相比,提出的算法抗噪性更好,精度更高,能够实现基于单幅图像的未标定相机的位姿估计。     

Integrated contour detection and pose estimation for fluoroscopic analysis of knee implants

With fluoroscopic analysis of knee implant kinematics the implant contour must be detected in each image frame, followed by estimation of the implant pose. With a large number of possibly low-quality images, the contour detection is a time-consuming bottleneck. The present paper proposes an automated contour detection method, which is integrated in the pose estimation. In a phantom experiment the automated method was compared with a standard method, which uses manual selection of correct contour parts. Both methods demonstrated comparable precision, with a minor difference in the Y-position (0.08 mm versus 0.06 mm). The precision of each method was so small (below 0.2 mm and 0.3 degrees) that both are sufficiently accurate for clinical research purposes. The efficiency of both methods was assessed on six clinical datasets. With the automated method the observer spent 1.5 min per image, significantly less than 3.9 min with the standard method. A Bland-Altman analysis between the methods demonstrated no discernible trends in the relative femoral poses. The threefold increase in efficiency demonstrates that a pose estimation approach with integrated contour detection is more intuitive than a standard method. It eliminates most of the manual work in fluoroscopic analysis, with sufficient precision for clinical research purposes.     

基于神经网络的曲面拟合方法研究

分析了应用于反求工程的几种曲面拟合方法,提出一种基于神经网络技术的自由曲面拟合新方法。该方法能在实物原型存在破损或不完整的情况下对测量数据进行数据插补和曲面重构,获得精度较高的拟合曲面。通过安全帽面的测量与数据拟合处理实例,验证了该方法的有效性。     

基于虚拟仪器的低转速动平衡测量系统

设计了一种基于Labwindows/CVI的动平衡测量系统。微弱振动信号幅值和相位的精确提取是动平衡测量系统的关键,该系统采用了同步整周期采样技术,利用虚拟仪器灵活的设计方法、强大的信号数据处理与运算能力,应用基于最小二乘法拟合修正采样数据求振动幅值、相关法求相位差的软件设计方法,保证采集信号的精度,简化硬件电路设计,降低了系统成本。现场实验结果表明:该系统实现了对微弱振动信号的高精度测量,已在工程实践中应用于测量1Hz左右、质量大于300kg转子的动不平衡。     

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°。     

面向对象的大尺寸测量不确定度分析

测量结果必须说明不确定度。常规尺寸的解析法和标准比对法难以适用于评价大尺寸测量不确定度,尤其是特定拟合任务结果的不确定度。针对大尺寸测量的特殊性,研究基于蒙特卡罗的评价方法评价大尺寸特定测量对象的不确定度,并用计算机可视化直观表示离散点云。利用离线仿真评价测量不确定度,用于设计最优采样策略。以激光跟踪仪测量大型圆形截面工件分析为例,给出测点对称、均匀分布和半径约束等优化测量思想。最后应用于激光跟踪仪测量隧道构件的实例当中。仿真和实际实验表明,蒙特卡罗评价和离散点云表示法可准确、直观评价大尺寸测量特定测量对象的不确定度,制定的最优采样策略可提高测量精度。