航发叶片型面激光点云三维重构误差分析

针对航空发动机叶片型面的高精度检测需要,阐述了基于激光扫描点云的叶片型面三维重构技术,并对型面重构误差进行了深入分析.该技术对测量数据进行点→线→面数学模型处理,先由点云采用端点一阶导矢连续法拟合出光顺曲线,再基于截面曲线的非均匀有理B样条曲面拟合,依据曲面网格线光顺法重构出曲面,然后根据空间测点到曲面的最小距离对重构误差进行分析.最后通过叶片型面激光测量装置对算法进行了验证.实验结果表明,重构误差小于0.019mm,满足对叶片型面质量的评价要求.     

Bishop标架螺旋多芯光纤三维位形重构方法研究

针对多芯光纤三维位型重构问题,提出了一种基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构方法。分析了基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构算法原理,实验采用了螺旋多芯光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gating, FBG)阵列传感,通过光谱漂移计算各个纤芯的应变值,并根据节点截面应变关系模型实现了纤芯曲率和扭转角解算,最后,结合Bishop迭代计算得到光纤整体位形,实现了形状重构。进行了4种形状的重构实验,最大三维重构绝对误差为3.11mm。实验结果表明,基于Bishop-HMCF的形状重构方法能够实现三维位形重构,在柔性机构末端定位和导航上具有重要的研究意义与应用价值。     

大口径光学非球面轮廓测量过程可视化研究

研究了大口径非球面光学元件表面轮廓测量过程可视化,并设计、开发了基于双向链接边表的软件系统。提出一种改进的双向链接边表数据结构完成三维模型加载方法,建立数据结构及其相关图形元作为软件的基础层。计算非球面曲面方程获得表面轮廓的数据生成图形场景节点,并自动生成曲面测量轨迹。在非接触检测平台上进行测试,对测量数据进行平滑处理,拟合出测量获得的非球面面形,完成面形精度和表面粗糙度的评价。实验结果表明,该可视化系统技术路线正确高效、稳定性好,为非球面检测数据及其综合分析仿真提供直观的可视化平台。     

多光刀三维轮廓快速测量方法研究

提出了一种三维自由曲面多光刀快速测量方案,阐述了此方法的测量原理,讨论了多光刀阵列的实现方法,分析了影响其测试精度的主要因素.提出了采用虚拟网格标定法对各光刀分别进行标定,以及运用光刀编码的方法实现对复杂自由曲面测量的方法,结果表明:该方法是一种快速有效的三维轮廓测量方法.     

基于三维分数阶微分增强的边缘曲面重构算法

提出一种基于三维分数阶微分增强的三维边缘曲面重构算法,可重构出更多的三维不规则目标的细节结构信息,克服了原边缘曲面重构算法重构细节信息不充分的缺点.根据分数阶微分傅里叶变换的可分离性原理,将二维分数阶微分算子推广至三维并推导出三维分数阶离散滤波模板,利用三维分数阶微分对图像具有非线性增强作用的特性,对三维切片数据场进行三维分数阶微分增强.与传统三维边缘曲面重构算法相比,经过三维分数阶微分增强且采用分数阶梯度追踪细节改进的重构算法,能够重构出更丰富的三维目标细节结构信息.算法运用于神经元细胞的共焦显微图像中三维不规则目标的边缘曲面重构,实验结果验证了该算法的正确性和高效性,可推广应用至生物医学领域的三维可视化研究.     

基于标志点的三维拼接立体偏折法

立体偏折法作为一种非接触式镜面表面三维测量方法,近年来发展迅速。为了解决传统立体偏折法难以测量较大倾角曲面的问题,提出了一种基于标志点的三维拼接立体偏折法。先利用立体偏折法测量不同视角下的曲面子区域的三维点云,同时通过立体视觉测量样品台上标志点的三维坐标,使用标志点坐标进行粗拼接,再通过迭代最近点算法进行精拼接,最终重构出完整的三维面型。实际搭建了一套三维拼接立体偏折测量系统,测量了一个倾角25.8°的光滑凸球面反射镜,拼接后球面拟合误差在3μm以内。实验结果验证了方法的可行性,对立体偏折法应用于大口径和大倾角的复杂光学曲面三维测量具有借鉴意义。     

微尺度三维变形测量的显微数字图像相关系统

基于体式显微镜和数字图像相关法,提出并实现了一种用于对微小尺度材料进行全场三维变形测量的显微数字图像相关系统。针对体式显微镜标定,提出一种高精度的基于B样条曲面重构的成像系统畸变模型,该模型通过采集自主设计的高精度平面标定板图像,来构建无畸变图像平面和标定板平面之间关系,并以此确定空间B样条曲面形式。利用一种高效的对称亚像素细分法来实现数字图像的高精度匹配,并介绍了所提系统进行三维测量和分析的过程。实验结果表明,标定结果的平均重投影误差为0.03pixel,位移测量精度优于0.2μm,应变测量误差的标准差不超过100με。同时,实验结果也证实了该系统可以准确、全面地实现对微小尺寸材料表面的全场三维变形测量。     

光栅投影测量技术中的自适应采样方法

近年来,光学技术在测量领域的应用使测量获得的数据呈十几倍甚至几十倍地增长,造成了数据处理的困难.针对光栅投影非接触测量方法获得的海量数据,提出一种基于曲面变分的自适应采样方法以减少测量获得的数据量,并给出了采样的精度计算方法.根据测量对象的曲面变分进行自适应采样,获得测量点云,并根据自适应采样数据重构CAD模型.采样精度可以达到2.3 μm,拟合精度小于7.2 μm.     

激光扫描在工件表面检测中的应用方法

为了获取磨削工件表面特征信息，提出一种基于激光扫描的磨削工件表面检测方法。利用机械臂带动激光传感器扫描放置在激光测量平面中的磨削工件，从而获得工件在激光测量平面中的三维坐标信息，通过相邻2个扫描点之间的高度变化求出工件边界点的三维坐标信息，结合x轴和y轴坐标的极值点利用最小二乘法拟合出工件边界在激光测量平面中的解析式，进一步求出附着在工件上的坐标系相对于激光测量坐标系的位姿，最后利用工件在激光测量坐标系中的位置矢量信息得出其表面特征信息。实验结果表明，利用该方法对工件表面进行检测，得到工件表面检测误差为0.11 mm，检测平均时间在1 s内，满足工件表面特征检测要求。     

于散乱三维点云的缺陷检测和三维重构方法

设备表面的缺陷检测对于保证安全生产避免经济损失具有重要意义。针对基于设备表面散乱三维点云缺陷检测和三维重构算法复杂的问题,提出了一种基于散乱三维点云的缺陷检测和三维重构方法。对散乱三维点云沿某一轴向进行分层处理,将同一层内的三维点进行移位规则化处理,并对规则化的三维点云进行缺陷检测和三维重构。分别对无缺陷设备表面和凹凸缺陷设备表面进行缺陷检测和三维重构,规则化前后三维数据缺陷计算结果相对误差为1.01%。实验结果表明,将散乱三维点云分层和规则化处理有效降低了缺陷检测和三维重构的复杂度,易于实现。     

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数,需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外,搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置,建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法,实现了靶丸内表面轮廓的精密测量,获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线;最后,对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析,结果表明,白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量,其测量不确定度优于0.1μm。     

Research on application of polynomial fitting technique in rotary kiln infrared temperature measurement system

Aiming at the linear temperature compensation algorithm’s disadvantage of temperature measurement error in rotary kiln infrared scanning temperature measurement process, this paper proposes a precise nonlinear cubic polynomial fitting temperature compensation algorithm. The proposed algorithm compensates the temperature values of scanning points on rotary kiln surface by following steps: Calculating temperature difference between the real temperature value of rotary kiln and temperature value measured by infrared scanning temperature measurement system; Fitting the temperature difference data with cubic polynomial; Using the obtained function to compensate temperature. Experimental result shows that compared with the usual linear temperature compensation algorithm, the accuracy of proposed algorithm has raised about 2.25 times when cubic polynomial is used.     

基于模糊快速Hough变换的盘孔边界识别方法

为了快速准确地识别出某型航空发动机篦齿盘均压孔的边界,提出一种新的模糊快速Hough变换.利用局部梯度信息将检测圆所需的3D Hough变换转化为一个2D Hough变换检测圆心位置和一个1D Hough变换检测圆的半径.在检测圆心位置时,对2D参量空间进行多分辨率分级,通过迭代计算由粗到精逐步细化参量空间.采用模糊投票的方法来处理边缘像素位置和梯度方向的不确定性.通过实验对比了模糊快速Hough变换与标准Hough变换、随机Hough变换进行盘孔边界识别的效果,结果表明模糊快速Hough变换可以快速准确地识别出盘孔的边界,性能优于另外两种算法.     

Using Laser Measuring and SFM Algorithm for Fast 3D Reconstruction of Objects

Effective measurement of the reflective or transparent surface of an object has always been a disadvantage in laser scanning modeling. We propose a fast and complete three-dimensional (3D) reconstruction method for small static objects using laser scanning and the structure from motion (SFM) algorithm. Meanwhile, a complete reconstruction workflow is designed and a multi-angle 3d reconstruction system is set up. To generate the complete point cloud model of the object, the SFM algorithm is used to reconstruct the surface part of the object, the data for which cannot be obtained by the laser measuring instrument. The experimental results show that this method not only improves the speed, accuracy, integrity, and visual effect of 3D reconstruction of small objects, but also extends the scope of 3D reconstruction of laser measurement.     

基于不确定油液光谱数据的综合传动装置剩余寿命预测

原子发射光谱分析得到的磨损微粒元素浓度是综合传动装置性能劣化评估和剩余寿命预测的重要监测指标。由于系统随机劣化过程和光谱测量误差的影响,油液光谱数据中不可避免包含系统劣化随机性和光谱测量不确定性。然而,现有基于油液光谱数据的剩余寿命预测研究中,没有考虑劣化过程的随机性和测量的不确定性对剩余寿命预测的影响。因此,针对综合传动装置劣化随机性和油液光谱数据测量不确定性对寿命预测的影响,提出一种考虑系统随机劣化和数据不确定测量的综合传动装置劣化过程建模方法。基于随机过程首中时间的概念,定义了综合传动装置的剩余寿命;基于Wiener随机过程,建立了考虑系统随机劣化和不确定测量数据的综合传动装置劣化模型,利用极大似然估计方法,估计了劣化过程模型的参数;利用卡尔曼滤波技术,实现了综合传动装置劣化状态的实时估计与更新,进一步得到了考虑系统劣化随机性和光谱数据测量不确定性的剩余寿命分布。研究结果表明,提出的劣化建模方法能够准确估计装置的运行状态,避免了采用条件维护时间对装置进行维护与保养的局限性;综合传动装置的维护时间预测值比条件维护时间延长了193 Mh（113.5%）;考虑光谱数据测量不确定性的剩余寿命预测方法优于不考虑测量不确定性的方法。     

基于模糊理论的土体渗流固结参数识别

基于模糊数学理论,根据埋置在土体内部的超孔隙水压力观测数据,建立了土体固结参数模糊识别数值方法.根据观测点的超孔隙水压力观测数据的统计特性,得到观测数据的隶属度函数.基于待识别土体渗流固结参数的先验信息即约束条件,建立了模糊约束的隶属度函数,进而得到模糊化的目标函数.以信息论方法为基础,研究了观测信息的随机不确定性和荷载的随机不确定性对参数识别结果的影响.研究表明,基于信息论的模糊参数识别方法所得到的参数识别结果同样具有随机不确定性.     

光学系统受迫振动的激光测量方法

将激光信号与高帧频CCD结合,解决了光学系统中振动信号和激光信号之间的转换问题,不仅能够测量振动对系统光束指向稳定性的影响,而且能够得到振动信号本身的频率特性。利用该方法对振源为150 Hz和200 Hz两种条件下的光学系统受迫振动进行测量,得到了与输入信号相吻合的振动信号属性。通过实验与分析得知:时域振幅测量精度为6.25 m,频域分辨力为2 Hz,方法简便高效,测量结果准确,已应用于角多路准分子激光主振荡功率放大器系统打靶试验平台光束指向稳定性的研究中。     

基于可调谐激光的CO监测仪的不确定度评定

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)对CO气体的浓度进行测量,应用整体二次谐波最小二乘法对测量信号的实验数据进行反演处理。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术, 对CO在线监测仪测量结果的不确定度来源进行了分析, 采用直接评定法对各种因素引起的不确定度分量、标准不确定度和合成不确定度进行了评定。实验结果表明, 仪器示值引入的不确定度、标准气体浓度定值的不确定度以及环境温度变化和电源电压波动引入的不确定度是影响测量不确定度的主要因素。     

基于三维激光扫描的物体重构建模

针对锂离子电池SOC(荷电状态)难以估算的问题,通过对电池建立等效的Thevenin电路模型,对不同时刻的SOC的模型参数进行拟合得到动态的模型参数,在Matlab中借助Simulink建立仿真模型,采用模块化结构,建立基于卡尔曼滤波算法的电池SOC估算系统;利用测得的电池电压电流,仿真系统可直接估算出实时的电池SOC,与实际的电池SOC对比,误差保持在2.5%以内,表明该方法可以有效的估计电池的SOC,对于锂离子电池在实际应用的容量估算有着重要意义。     

Dispersive white light combined with a frequency-modulated continuous-wave interferometer for high-resolution absolute measurements of distance

A nonincremental interferometer for the absolute measurement of distances is presented. The measuring technique is based on both dispersive white-light (DWL) interferometry and frequency-modulated continuous-wave (FMCW) interferometry. The proposed configuration integrates both techniques in the same interferometer by use of a single laser diode. This solution enables the results from the coarse measurements from the FMCW interferometer to be combined with the fine readouts from the DWL interferometer. Preliminary experimental results confirm the capability of the system to combine the advantages of the two techniques.