基于单个SIFT特征的相对位姿估计方法

位姿估计是精密光测和自动驾驶的基本问题之一。针对自动驾驶等实际应用中,相机在平面上运动,相机位姿的自由度为3的情况,本文提出了基于单个SIFT特征的相机相对位姿估计方法。由于单目相机无法恢复平移尺度,因此相机运动的自由度减少为仅有旋转角和平移角的两自由度。通过观测地面,可以得到包含相机运动和平面法向量的地面单应信息,因此可以通过提取地面同名点估计单应矩阵来恢复相机运动。为了减少RANSAC迭代次数、提高算法效率,引入SIFT特征进行位姿估计。SIFT特征包括2幅图像中同名点图像坐标以及其特征旋转和特征尺度,可以扩充单个点对中包含的信息,有效减少求解单应矩阵所需点对数量。针对平面二自由度运动情况,本文使用单个SIFT特征点对完成单应矩阵的估计,并采用随机采样一致算法对结果进行优化,最终分解单应矩阵得到相对位姿估计结果。在仿真实验及真实实验中与2pt方法和5pt方法进行对比,证明了所提出的方法是有效的。     

基于双轴旋转调制惯性测量的载体导航信息提取方法

针对双轴旋转调制惯导系统在旋转过程中无法直接提供载体角速度等导航信息的问题,提出了一种以标定惯性测量单元与内外框时空关系来精确解调原始旋转惯性测量数据的载体导航信息提取方法。首先,从基于旋转轴的内外框坐标系定义出发,提出了综合考量整圈所有角位置状态的惯性测量单元与内外转轴安装角标定方法。然后,利用转轴方向惯性测量角增量曲线和转位测量角增量曲线的相似平移关系推导了两者之间时间不同步误差的计算方法。进一步,基于滑动数据存储窗口,通过实时测角变化率计算和相邻转位测角外推实现了时间不同步误差的精确补偿。最后,采用基于高次谐波函数的精细化误差模型实现了转轴锥摆运动引起的测角不圆度误差精确标定。采集内外框旋转试验数据验证了所提方法的有效性,结果表明由原始惯性测量信息解调导致的载体航姿提取误差小于0.001°。     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

舰载导弹中的平台惯导系统在动基座上的初始对准

本文论述了在子平台粗对准后，利用载体姿态角度差传递对准法，精确估计子平台的姿态误差角、目标方位误差角和漂移率。载体姿态角度差传递对准法解决了子平台对准中的多个未知数的求解问题，并可自动消除载体姿态角传感器误差对其估计的影响。     

基于空间目标异步观测的惯导误差快速确定

针对惯性/天文组合导航系统中大的初始状态误差影响惯导误差收敛速度的问题,在星相机观测具有先验位置信息的有限空间目标的辅助下,提出一种基于目标-恒星角距异步测量的惯导误差在线快速确定方法。首先,在星相机光轴旋转角度和视场角大小受限的情况下,设计了通过异步照相观测方式获取有效空间目标参考信息的方案;其次,在利用惯导误差状态传播模型实现异步测量信息同步处理的基础上,构建基于空间目标与恒星之间角距的非线性最小二乘优化模型,避免了星相机的光轴扰动和安装误差对测量精度的影响;最后,基于高斯牛顿法设计了两轮迭代优化估计惯导位置误差和速度误差的方法。蒙特卡洛仿真结果表明,所提方法利用对空间目标和恒星的有限观测信息,可以有效估计惯导位置误差和速度误差,在初始位置误差约十千米量级的情况下,可以估计补偿约97.73%的位置误差以及66.25%的速度误差,优化求解误差参数的计算耗时为0.0160 s。     

高精度磁信标中心位置与姿态角标定方法

针对磁信标导航中磁信标实际产生磁场中心与姿态角难标定的问题,提出一种基于低频时变磁场特征矢量的高精度磁信标标定方法。首先根据磁信标在三维空间中的磁场模型,利用多个位置与姿态已知的磁强计对待标定磁信标进行测量,解算实际磁场中心位置。再根据磁场中心位置与磁强计测量到的磁场方向矢量解算实际磁场的坐标轴姿态角,实现对磁信标的高精度标定。仿真条件下,磁信标中心位置标定精度可达0.009 m,姿态角精度可达0.13°;在实际实验中,目标位置与姿态角解算精度相比传统方法分别提高了28.6%与62.8%,充分验证所提方法具有更高的可靠性与有效性。利用该方法标定后的磁信标为磁信标导航系统提供了更可靠、精确、适应性更强的时变磁场信号源。     

激光陀螺组合体测量船体角形变中观测耦合效应的补偿（英文）

船体角形变是传递对准中的主要误差源,需要依靠测量仪器精确标定。根据姿态匹配方法使用两套激光陀螺组合体可以计算角形变。但是动态形变和船体运动角速度的交叉相关的观测耦合效应导致角形变的最优估计结果不准确,并且通过姿态匹配方法这种观测耦合效应是不能被准确测量的,需要结合其它角形变的测量信息进行计算。基于角速度匹配方法,研究了观测耦合效应,并得出其导致角形变估计的偏置误差,且受船体运动角速度调制的结论。通过补偿激光陀螺组合体测量的角速度,降低了观测耦合效应,得到了高精度的对准结果。仿真结果表明观测耦合效应主要导致了静态形变估计精度的不准确。     

基于导弹舵面信息的惯导姿态角速率滤波方法

针对导弹武器中低精度惯导系统陀螺所测量的弹体姿态角速率误差较大的问题,提出了利用导弹控制舵面信息与弹体姿态角的动力学关系构建滤波方程的方法,其相对于常用的低通滤波器能够更加精确地反映出姿态角的变化趋势.此外为降低采用EKF和UKF等非线性滤波方法所带来的计算复杂度,仿真中通过构造交错卡尔曼滤波器实现了对非线性系统的伪线性化.最后通过对某型低精度惯组在三轴姿态转台上的半实物仿真实验,该滤波算法将实测的惯导姿态角速率误差降低了40%以上.     

四环空间稳定平台姿态角的解算

不同于当地水平稳定系统,空间稳定系统中的姿态角信号不能够由平台框架角直接测量,而必须经过一系列计算才能够产生。为指导四环空间稳定平台的姿态角解算,在坐标变换的基础上,推导了平台姿态角的解算方程,设计了姿态角解算中的关键系统—高精度平台框架角测量系统。在此基础上,给出了姿态角解算的算法流程。系统测试结果表明,该方法能够正确解算四环空间稳定平台惯导系统的姿态角,在采用精准的陀螺漂移模型并引入外速度及高度阻尼后,姿态计算的数据处理误差可以控制在20″以内,能够满足高精度惯性导航系统的需要。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

基于简化无迹Kalman滤波的非线性SINS初始对准

传统的小干扰失准角模型只适合于小失准角情况下的初始对准,对于处于大失准角下的舰船或飞机的对准必须寻求不做任何线性假设的非线性模型和非线性滤波方法。针对以上问题,建立了基于四元数的姿态误差方程,给出了基于复杂噪声模型的UKF算法,在该算法的基础上假设量测方程为线性,得出简化的UKF算法,避免了重采样、多次求解量测预测方程、计算量测预测方差等一系列繁杂过程。基于以上理论建立了适合简化UKF算法的非线性滤波模型,在大失准角、小失准角下与常规Kalman和EKF算法做对比仿真,结果表明,在小失准角下三种方法效果相当,但在大失准角下简化UKF和EKF显示出了处理非线性模型的优势,对准速度和精度都好于常规Kalman算法。由于EKF线性化造成的高阶截断误差使得对准精度略低于简化UKF。     

Hybrid approach for dynamic model identification of an electro-hydraulic parallel platform

In this paper, a hybrid optimization algorithm is proposed to identify the dynamic parameters of a 6-DOF electro-hydraulic parallel platform. The dynamic model of a parallel platform with arbitrary geometry, inertia distribution and frictions is obtained based on a structured Boltzmann–Hamel–d’Alembert formulation, and then the estimation equations are explicitly expressed in terms of a linear form with respect to the identified inertial and the friction coefficients in accordance with a linear friction model. However, when nonlinear friction models are considered, the parameter identification of the electro-hydraulic parallel platform is considered as an optimization process with an objective function minimizing the errors between the measurement and identification, and then an effective combination of the particle swarm optimization (PSO) method and the local quasi-Newton method is proposed to solve the identification problem. Experimental identification processes are carried out for the identified parameters, and the identified models are compared by the predicted forces between the LS method and the optimization technique as well as between the linear and nonlinear friction models.     

大视场双目投影条纹方法中的相机参数标定与优化研究

投影条纹法具有高精度、高分辨的特点,且实验设备简单,对实验环境要求低,适宜于不同尺度的三维形貌测量.双目投影条纹法通常采用有标准参照物的相机标定方法获取相机参数,以实现物体表面三维形貌重建.然而,在大型结构的三维形貌测量中参照物的相对尺度较小,传统的基于重投影的相机标定方法在特征检测中引入的误差会被放大,从而影响三维表...     

DLT-Lines Based Camera Calibration with Lens Radial and Tangential Distortion

Background

Camera calibration is an essential step for the optical measurement method used in the experimental mechanics. Most plumb line methods focus on solving lens distortions without considering camera intrinsic and extrinsic parameters.

Objective

In this paper, we propose a full camera calibration method to estimate the camera parameters, including camera intrinsic parameters, extrinsic parameters and lens distortion parameters, from a single image with six or more non-coplanar lines.

Methods

We parameterize the 3D lines with the intersection of two planes that allow the direct linear transformation of the lines(DLT-Lines). Based on the DLT-Lines, the projection matrix is estimated linearly, and then the camera intrinsic and extrinsic parameters are extracted from the matrix. The relationship between the distorted 2D lines and the distortion coefficients is derived, based on which the distortion coefficients can be solved linearly. In the last step, a non-linear optimization algorithm is used to jointly refine all the camera parameters, including the distortion coefficients.

Results

Both synthetic and real data are used to evaluate the performance of our method, which demonstrates that the proposed method can calibrate the cameras with radial and tangential distortions accurately.

Conclusions

We propose a DLT-lines based camera calibration method for experimental mechanics. The proposed method can calibrate all the camera parameters from a single image.

     

晃动基座行进间对准问题的QUEST算法

针对惯导系统晃动基座行进间初始对准问题,提出了一种基于重力矢量的QUEST(Quaternion Estimator)姿态最优估计算法。在传统基于重力矢量的初始对准方法基础上,将方向余弦矩阵的求解过程转换为Wahba问题,实现对重力矢量信息的充分利用,并通过QUEST算法实现了晃动基座下行进间粗对准的最优算法,改善了原有算法鲁棒性以及实时性等方面的问题。仿真和湖试实验验证表明,更改后的算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态估计速度和精度,特别在周期性线振动环境下的对准精度能够提高一个数量级。多航次的湖试实验结果表明,改进后的算法能够有效提高航向对准精度,综合导航速度精度能够提高50%左右。     

Temperature sensing with thermochromic liquid crystals

A review of the most recent developments in the application of thermochromic liquid crystals to fluid flow temperature measurement is presented. The experimental aspects including application, illumination, recording, and calibration of liquid crystals on solid surfaces, as well as in fluid suspensions, are discussed. Because of the anisotropic optical properties of liquid crystals, on-axis lighting/viewing arrangements, combined with in-situ calibration techniques, generally provide the most accurate temperature assessments. However, where on-axis viewing is not possible, calibration techniques can be employed, which reduce the uncertainty associated with off-axis viewing and lighting arrangements. It has been determined that the use of hue definitions that display a linear trend across the color spectrum yield the most accurate correlation with temperature. The uncertainty of both wide-band and narrow-band thermochromic liquid crystal calibration techniques can be increased due to hysteresis effects, which occur when the temperature of the liquid crystals exceeds their maximum activation temperature. Although liquid crystals are commonly used to provide time-mean temperature measurements, techniques are available which allow the monitoring of temporal changes. Selected examples illustrating the use of thermochromic liquid crystals are shown, and a survey of reported temperature measurement uncertainties is presented. Received: 3 February 1999/Accepted: 30 March 2000     

昆虫自由飞行参数的双棱镜虚拟双目测量

通过像机前加一个双棱镜实现单像机的虚拟双目拍摄,根据立体视觉原理可以获取空间点三维信息,该装置被用于测量昆虫自由飞行运动参数。如果双棱镜和像机摆放得当,可以简化立体视觉测量中对应点匹配这一最难步骤。实验获得了蜻蜓直飞过程中的一系列运动参数,将这些参数结合起来考察对于研究昆虫飞行机理非常有意义。特别地,我们对昆虫飞行中翅膀的柔性效应进行了初步讨论。     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

捷联惯导姿态更新的四子样旋转矢量优化算法研究

介绍了捷联惯导姿态更新算法中的旋转矢量算法,分析了锥运动环境下数学平台的算法漂移,提出了通过求解矛盾方程组实现四子样旋转矢量算法优化处理的新方法,并对单子样、双子样、三子样、四子样的算法漂移作了对比计算。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。