三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

基于Levenbery-Marquardt算法的点衍射三维坐标测量方法

针对现有点衍射三维坐标测量系统中的坐标高精度解调问题,提出了一种基于Levenbery-Marquardt(LM)算法的点衍射干涉测量方法。基于L-M算法的点衍射测量技术是以点衍射干涉理论为基础,在实现干涉场相位分布信息解调的基础上运用基于L-M算法的二重迭代算法重构出点衍射源的三维坐标。为验证所提出测量方法的可行性,同时进行了计算机仿真和测量实验,并与三坐标测量机的测量结果进行了对比。结果表明:该测量方法可在xyz三维方向上100mm×100mm×300mm空间范围内实现优于微米量级的测量精度。该测量方法具有不依赖算法迭代初值、测量精度高、运算速度快、抗噪声能力强等诸多优点,在三维坐标测量及测量系统的校准中具有较好的实用性。     

基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法

为了解决目前点衍射绝对位移测量系统中位移重构算法存在的收敛率低问题,并针对实际测量中时效性和高精度要求,提出了基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法。点衍射干涉绝对位移测量系统根据点衍射干涉场相位差的分布重构出点衍射探头的三维绝对位移。所提出的快速搜索粒子群算法针对测量中大量像素点数据的高效处理需要,在三维绝对位移迭代重构过程中采取非线性增加样本点数量的搜索方法,进而在保证测量精度的同时极大提高了测量效率。分别进行了仿真分析、测量实验以及三坐标机测量比对以检验所提出测量方法的可行性与稳定性。结果表明,该方法可实现三维绝对位移的快速检测,其收敛率可达90%,且在200 mm×200 mm×300 mm的测量区域中达到优于微米量级测量精度。所提出的三维绝对位移测量方法具有较高的测量效率和精度,且具备高抗噪能力和可靠性,对其在微加工技术和高精度测量中的应用具有重要意义。     

基于SfS的3D视觉测量研究

提出了一种将Shape from Silhouette(SfS)技术应用在三坐标机上的新方法,即用摄像机获取图像,用三坐标机作移动平台,构建视觉测量系统,应用SfS技术对物体进行三维测量。该视觉测量系统扩展了坐标机功能,扩大了其应用范围。实验结果表明,该视觉测量系统具有SfS技术和坐标机两者的优点,重构物体三维模型的过程简单快捷,精度高于0.4mm,其结果可作为坐标机智能测量的基础,是一种非常实用的方法。     

一种新的投影莫阿三维轮廓测试系统

基于投影莫阿原理,考虑到传统投影莫阿测试系统结构难以达到均匀光照,机械结构相移速度慢且重复精度低的缺点,设计出一种新的投影莫阿三维轮廓投影成像测试系统,利用计算机实时控制亮灭三个光源实现相移,大大提高了系统测试速度,相移重复精度好,采用垂直投影,双电荷耦合器件（CCD）倾斜成像机构,提高了光场的均匀性和可测物范围,该系统特点是测试速度快（全场测量：2s-8s),相移精度高,测量面积大（最大可为300mm*300mm),光强照明均匀,系统测量精度可达40um,详细分析系统关键技术,并给出具体实验结果,结果表明系统的设计原理是成功的,为大面积物体三维轮廓快速测量提供了一种有意义 的思路。     

一种深海游动生物三维原位观测系统

为了解决目前深海生物探索中存在的"有观无测"问题,提出并研发了基于立体视觉的深海生物原位观测系统。深入研究了水下三维视觉的关键技术,解决了水下视觉系统标定问题。针对游动生物扭曲段高精度测量,提出了一种基于Ramer算法的鱼类轮廓分段测量算法。结合特征匹配算法及极线约束条件完成匹配工作。基于所研制的搭载三维视觉系统的深海水下作业平台开展了试验,结果表明,在1.5m的工作距离条件下,水下测量精度为1.0mm。     

三维虚拟动态测量系统构建方法研究

针对传统二维测量系统存在测量精度较低、稳定性差的不足,提出一种基于数据交互的三维虚拟动态测量方法。该方法采用三维构型与总线技术同步耦合的工作方式,对三维测量系统中模型驱动的关键问题进行了研究,探讨了三维测量系统中数据交互解决方法的可行性,并将该方法应用于煤矿排水系统,完成了三维虚拟动态测量系统的开发。试验结果表明由该方法实现的三维虚拟动态测量系统具有运行稳定、操作简单、直观性强、可靠性高的优点,应用前景广阔。     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

一种应用于大尺寸测量系统的坐标系自动标定方法

针对现有方法在标定过程中过于繁琐的问题,提出了一种应用于大尺寸测量系统的坐标系全自动标定方法。该方法通过固定两个在测量单元局部坐标系已知坐标的测量节点作为标记靶,测量单元之间相互测量彼此的标记靶获得标记靶上的测量点在不同坐标系下的坐标值,利用这些坐标值建立三维几何约束,从而自动标定不同坐标系之间的坐标转换关系。借助于精密激光定位系统平台进行实验验证,结果表明,所提方法可以实现测量单元局部坐标系之间的自动标定,降低了坐标系标定过程中的人工成本。在距离测量单元布站区域约2 m,大小为5 000 mm×5 000 mm×500 mm的测量空间中长度测量的精度在0.46 mm/m以内,测试点三维坐标测量的标准偏差在0.026 mm以内,可以满足绝大部分工业测量的需求。该方法极大的提高了系统的标定效率,有望为具有自动标定功能的大尺寸测量设备的产品化提供新的理论基础。     

单摄像机单投影仪结构光三维测量系统标定方法

系统参数的标定是结构光三维测量系统工作的基础,且参数标定的精度直接影响测量的精度,其中投影仪目前还存在标定过程复杂、精度较低等问题。为解决该问题,通过投影一组圆阵图案到一块本身带有特征圆的平板上,并由摄像机拍摄;基于二维射影变换理论,通过误差补偿法建立投影仪图像坐标和摄像机图像坐标的对应关系,利用该对应关系计算获取标定点的投影仪图像坐标;以标定点的两组图像坐标和世界坐标为初始值,使用非线性算法对系统进行全参数整体优化,完成系统的标定。实验验证了系统标定误差最大值小于0.05 mm,误差均方根小于0.03 mm,结果表明该方法标定过程简单,能够有效地提高标定精度,具有较广的适用性。     

一种同时测量平行偏差、倾斜偏差的方法

提出了一种仅由接收物镜和CCD构成的接收器,通过物镜位置的调整,可以同时完成平行偏差（平偏）和倾斜偏差（角偏）这两个参量的测量.通过对系统像差的分析,提出了可显著降低物镜像差对测量结果影响的算法.理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1/1.6 inch的系统,平偏测量准确度可达0.02 mm,角偏测量准确度可达9.5″.     

光笔式单目视觉测量系统的关键技术

为了对机械加工部件进行高精度、大尺寸、三维立体空间的现场实时测量,建立了光笔式单目视觉测量系统。对该系统中的新型光笔工艺、算法转换模型、摄像机焦距的优化、光笔笔尖位置的标定进行了研究。首先提出了一种利用光刻工艺设计制作的新型光笔,其次,基于近景摄影测量学中的单像空间后方交会原理,建立了一种新的光笔坐标系与摄像机坐标系之间的转换模型,通过最小二乘平差法循环迭代求解最优的单像空间外方位元素,从而确定了转换模型基本参数。最后,分析了摄像机焦距对光笔式单目视觉测量系统结果的影响,并提出了一种确定相对准确焦距和光笔测头在光笔坐标系下的位置的方法。实验结果表明：摄像机坐标系下x轴、y轴、z轴方向的稳定性误差分别为0.042、0.048、0.066 mm;测量最大误差为0.173 mm,较大程度上满足了光笔式单目测量系统稳定性强和精度高的要求。     

基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量

为了满足高精度透镜加工工艺的要求,设计了一套基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量系统。已标定的透镜三维轮廓测量系统利用分布式反馈激光二极管对透镜进行波数扫描,对CCD相机采集到的干涉图像依次进行随机采样傅里叶变换和解卷绕算法,最终通过计算得出透镜的三维轮廓数据。实验结果表明:该系统横向和纵向的分辨率均为0.011 3 mm/pixels,深度方向的测量均方根误差为±19.8 nm。系统结构简单、稳定性高,对透镜没有任何接触,不会对透镜表面造成损伤,适用于透镜的高精度轮廓测量。     

基于CCD尺寸测量中图像边缘退化及恢复技术研究

针对直边衍射效应造成的图像边缘退化问题,建立边缘退化模型。从菲涅尔直边衍射理论出发,基于信号与系统理论的图像边缘退化数学描述方法,分析了造成图像边缘退化的原因。通过分析不同光源波长和成像物距下直边衍射强度分布曲线的特点,构造简单函数实现衍射光强分布的近似,进而得到退化系统传递函数;利用退化系统传递函数构造滤波器对获取图像的边缘进行恢复,从而提高尺寸测量精度。实验结果表明:经边缘恢复方法校正后的测量结果误差约为0.02 mm,相对未校正数据的测量结果误差减小0.04 mm,提高了尺寸测量精度。     

油罐光纤传感液位测量系统的研究

采用先进的光纤传感技术在人工浮子液位计的基础上研制了一种新型的液位测量系统。系统利用力平衡原理测量液位,利用光纤传感器探测和传输信号,采用自制的光学编码盘实现光信号的调节。测试结果表明,在0~1000mm测量范围内,测量误差≤±6mm,相对误差<2%。现场应用表明,该系统的各项性能指标符合生产要求,运行稳定,性能可靠。     

用于石油罐的光纤传感液位测量系统

许多石油化工企业的油品储存罐仍使用着靠人工读数的浮子式液位测量装置，其工作效率低、误差大，而且无法实现自动化控制和管理。针对这种情况，采用先进的光纤传感技术在人工浮子液位计的基础上研制了一种新型的液位测量系统。该系统利用力平衡原理测量液位，利用光纤传感器探测和传输信号，采用自制的光码盘实现光信号的调节。该系统的现场测试结果表明，系统在测量范围为0～1000mm时，测量误差≤±6mm、相对误差＜2％。现场应用表明，该系统的各项性能指标符合生产要求，并且运行稳定，性能可靠。     

Single-pulse CARS spectra in solid propellant combustion at atmosphere pressure

The unstable-resonator spatially enhanced detection (USED) coherent anti-stokes Raman spectroscopy (CARS) measurements of temperature and N2 concentration in the combustion of solid propellant at atmosphere pressure are reported. The USED CARS measurement system has a high spatial solution of ~ 0.1 mm in diameter and 3 mm in length, and permits instantaneous measurement at 10-Hz rate. The single-pulse N2 Q-branch CARS spectra have been obtained from the propellant combustion. The temperatures and N2 concentrations of the propellant flame at different height have been achieved by fitting the experimental data to theoretical spectra. The results indicate that the temperature is up to ~ 2500 K with N2 concentration in a range from 10% to 26%.     

L波段小型化同轴-共面波导定向耦合器

设计了一种适用于L波段高功率微波辐射场测量的同轴型定向耦合器。分别选择同轴线和金属底板共面波导（CBCPW）作为主副传输线,减小定向耦合器横截面积;利用小孔耦合理论和微元法对耦合结构进行理论分析,选择连续渐变的菱形耦合缝隙,缩短定向耦合器长度;采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化,并对其性能参数进行实验测试,结果表明, 在1~2 GHz频带范围内耦合度约为47 dB,方向性大于17 dB。     

四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统

介绍了基于多边法原理的四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统 ,包括系统的工作原理、冗余特性、激光跟踪干涉仪、新型目标靶镜、系统的布局及实验结果等 ,并进一步指出下一步的工作。实验表明 ,在距跟踪干涉仪80 0mm远处 70 0mm× 6 0 0mm平面范围内 ,系统三维坐标测量不确定度为 0 .0 6 2 0mm。     

圆形阵列光电探测系统双目标识别方法

针对双弹丸同时着靶情况下的立靶坐标测量问题,提出一种圆形阵列光电探测系统的双目标识别方法。采用光电探测器件组成1个圆形的探测阵列,并将3个发光角度均为60°的扇形一字线激光器均匀设置于圆形探测阵列上组成探测光幕。当2发弹丸同时穿过探测光幕时,会在圆形探测阵列上产生6个弹丸投影,通过信号处理电路识别6个弹丸投影的中心位置,最后通过系统弹丸着靶坐标测量公式计算得到2发弹丸的着靶坐标。在对系统测量原理进行论述的基础上,建立了系统的弹丸着靶坐标测量模型,并对坐标测量误差进行了分析和仿真。仿真结果显示,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差最大为2.7 mm,Y坐标测量误差标准差最大为0.6 mm。实验结果表明,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差为2.22 mm,Y坐标测量误差标准差为1.98 mm。因此,该文所提出的系统可以有效测量弹径4.5 mm及其以上的双弹丸着靶坐标。