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。     

静力水准系统用于基准高差测量的研究

为了拓展静力水准系统（HLS）在粒子加速器准直测量工作中的应用,开展了针对HLS系统用于多点间基于水平面的基准高差测量的实现方法的研究。基于传感器工作原理,设计并搭建了一套由双频激光干涉仪、高精度位移平台、HLS传感器等组成的比对系统,利用该系统控制多传感器在同一坐标系下观测同一液位。通过比对获得多传感器间基于底部坐标系的零位高度差,实现了多个传感器坐标系间相对于水平面的高差值测量,并验证了高差测量精度优于5 μm。除此之外,通过在HLS传感器上方安装靶座,使用三坐标测量机(CMM)严格标定各传感器电极板至靶球球心的距离,实现了多靶球球心位置基于水平面的高差值测量,并验证了其测量精度优于30 μm。     

超大尺度线结构光传感器内外参数同时标定

为实现大型自由曲面工件的高精度快速三维测量,设计了一种由超大尺度结构光传感器和两轴导轨构成的三维测量系统。结构光传感器在两轴导轨的带动下获取图像,通过计算得到目标工件的三维坐标。为了将二维图像坐标转换到三维相机坐标,提出一种线结构光传感器内外参数同时标定的方法。该方法使用准一维靶标进行标定,通过获取运动机构平移过程中靶标与激光光条的图像,计算得到线结构光传感器内外参数。实验结果表明,该标定结果可靠,系统的测量误差在0.6mm以内,满足设计需求。标定过程操作简便,靶标制作简单,适合于工业现场标定使用。     

基于IGES的激光扫描投影文件解析方法研究

激光扫描投影仪能够实现待装配零部件线框轮廓的精准位置投影，能够大幅度改善由传统装配方式所引起的精度差，效率低等问题。为了在自主研发的激光扫描投影系统中实现可直接读取IGES（初始化图形交互规范）格式的三维数模激光投影，研究了多特征图元提取和文件自动生成方法。该方法通过提取待投影线框图形的点、线、面等数据特征，以元胞的方式存储在.ply格式文档中，通过.ply文件对数控开关进行延时控制以及对二维振镜轨迹进行操控，实现更加智能化地控制激光扫描投影。应用12个IGES格式图元的投影实验验证，该方法可实现所有图元清晰投影且激光轮廓线宽优于0.3 mm，通过这种新型投影系统可提高车间装配生产效率，改善装配精度。     

一种新的便携式防空导弹模拟训练系统

针对目前便携式防空导弹模拟训练设备成本高,精度低的缺点,提出了基于激光测距原理的便携式防空导弹模拟训练系统。系统由模拟训练弹和三维投影系统构成,利用安装在模拟训练弹上的激光距离传感器、倾角传感器作为敏感元件判断射手瞄准点坐标,采用实时三维仿真软件生成目标并通过投影仪投影作为射手瞄准的目标。阐述了系统的结构、工作原理,捕获目标判断过程、校准过程并分析了系统的误差,应用表明系统具有成本较低,安装调试方便,判断精度高的特点。系统将激光测距系统和角度传感器配合使用,较大的降低了对角度传感器的精度要求,由此带来设备成本的大幅度降低和可靠性的增加。     

激光变焦扩束光学系统设计

主要介绍了激光变焦扩束系统的设计方法。以高斯光束的准直原理为基础,采用一个倒置的望远系统建立系统物理模型和微分方程,分析得到系统中变倍补偿组件的运动轨迹。然后以二组元变焦系统为例,在理想光学系统的基本目标参数上加入具体的光学参数,并利用软件优化校正像差,设计得到了一种结构紧凑,光束准直性好且成本较为低廉的变焦扩束光学系统。     

SLS快速成形的直线导轨高速扫描动态轨迹误差的仿真

选择性激光烧结SLS快速成形XY直线导轨扫描系统进给运动由数字式随动控制系统产生，系统中存在随动跟踪误差，它与SLS成形扫描系统的运动速度和加工程序所控制的指令运动轨迹密切相关，称轨迹误差。在其高速运动的情况下，随动跟踪误差对成形工件的精度影响极大，是不可忽视的加工误差因素，必须对其进行计算和预测，以便采取相应措施，进一步提高加工精度。     

单相机立体视觉测量技术的研究

基于双目视觉理论,提出一种摆动式单目立体视觉测量方法,并搭建了相应测量系统。建立了精度分析模型,确定了系统各部分的视场范围,相机在摆动臂的带动下可以完成两个不同位置的拍摄。通过2D平面靶标定法对系统进行标定,采用Canny算子和Hough算子相结合的方式完成轮廓检测,并得到待测工件的匹配点图像。利用最小二乘法进行曲线拟合求取长方体的轮廓交点坐标及空间圆最优化拟合法求取圆的直径,实现对实验样品的三维测量,结果显示该系统相对检测精度达0.6%。     

星载激光测高系统的大气折射延迟改正模型研究

星载激光测高仪通过测量从卫星平台发射的激光脉冲在卫星与地面激光脚点之间的渡越时间计算两者之间的距离。由于光束经过大气层时发生的折射,导致卫星激光测高系统典型的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了大气折射延迟修正的理论与方法,分析比较了各种大气折射率模型,以全球首个对地观测星栽激光测高仪系统GLAS系统为例,给出了各种折射率模型的计算偏差,发现在常见温度和湿度范围内Owens375模型是一种精度较高的简化折射率模型;计算了GLAS系统高度角偏离天顶方向不超过10°的情况下,使用简单映射函数与CfA2．2映射函数模型的值,发现其差异不超过0．5mm。     

基于粒子群算法的动态热释电目标跟踪

热释电传感器用于红外目标跟踪,可以通过光学调制探测到运动目标的相对方向,而不能确定其准确距离,对此提出一种群智能搜索的动态热释电跟踪方法。传感器在摆动状态下感知红外目标,发现目标时,记录其探测角,通过分析探测角序列与运动目标轨迹离散点在极坐标系下的关系,将目标轨迹的确定转化为极径序列的确定,然后建立关于极径序列的多维粒子群空间,并构造评价粒子优劣的适应度函数,实现了运动目标轨迹的跟踪。该方法扩大了热释电探测范围,提高了目标跟踪精度,通过人体目标直线、曲线运动跟踪实验得出平均定位误差不超过0.4m,表明方法有效。     

线性调频半导体激光器实现大尺寸静态、动态测距

提高大型机电设备的加工水平，动态在线测量是关键。将线性调频半导体激光器应用于动态测量，对目标的位置及移动的速度、加速度等实现准实时测量，可对加工过程实现动态补偿；依靠系统的自校准，消除半导体激光器的老化对激光波长的影响，使得测量精度得以保证，进而使其实用化成为可能；待测的参数是拍频的频率，即测量精度与半导体激光器的输出光功率无关，加之频率是数字量，便于和微机相连组成自动测控系统。系统静态相对测量精度为３×１０－４。整个测量系统体积小、结构简单，便于实现生产和现场安装，可广泛应用于大型机电设备的静态、动态测量。     

CFETR1/32真空室机加工件的激光测量研究

在1/32真空室部件后期机加工时，采用激光跟踪仪对工件进行测量，从而解决了其在机床平台上定位基准的问题。在工件安放在机床平台后，首先通过测量拟合出工件的设计坐标系，确定其装配基准点；其次在工件外部加工出具备XY、YZ、XZ三正交平面特征的辅助标准块，建立机床坐标系；然后使用激光跟踪仪同时测量工件和辅助标准块，确定工件与辅助标准块的相对位置关系；最后机床以辅助标准块作为定位基准来完成工件的加工。使用该方法已完成两个1/32真空室部件的加工，并且加工精度在公差要求范围之内，验证了该方法的合理性和可操作性。     

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The laser tracker is used to determine the locating data of the 1/32 vacuum vessel during its later machining on the machine tool platform. Firstly, the design coordinate system of the workpiece and the base points of assembly are determined by the laser tracker when the workpiece is clamped to the platform of machining tool. Secondly, an auxiliary standard block with XY, YZ, XZ three orthogonal planes features is machined outside the workpiece to establish the machine coordinate system. Then the workpiece and auxiliary standard block are measured simultaneously with the laser tracker to determine the relative positional relationship between the workpiece and the auxiliary standard block. Finally, the machine tool uses the auxiliary standard block as the locating data to complete the machining of the workpiece. Through this method, the machining work of two 1/32 vacuum vessels have been completed, and the machining accuracy is within the range of tolerance requirements, as illustrates the rationality and practicability of the method.     

Development of a laser-based measurement system for evaluation of the scraping workpiece quality

A laser-based measurement system for evaluation of the scraping workpiece quality that can eliminate contact-induced measurement errors and increase measurement accuracy is proposed. The laser-based measurement system comprises a light-scattering-type triangulation laser, a computer numerical control (CNC) machine tool, and an analog-to-digital (A/D) card. The triangulation laser measures the depth of the scraping spots and the CNC machine tool locates their position. The 3D data of the scraping workpiece is then drawn using the least squares method. Cast iron and Turcite workpieces can be measured. Five parameters of the scraping workpiece, namely peak points per square inch, percentage of points, distribution of heights of points or depth of surroundings, edge shape of the grooves, and flatness, can be evaluated. The scanning rate and sampling rate of the laser-based measurement system are 100 mm/s and 10 KHz, respectively. In the future, an appliance machine based on the proposed system will be designed for the on-line detection of scraping workpieces.     

Infrared/laser multi-sensor fusion and tracking based on the multi-scale model

The state estimation problem of targets detected by infrared/laser composite detection system with different sampling rates was studied in this paper. An effective state estimation algorithm based on data fusion is presented. Because sampling rate of infrared detection system is much higher than that of the laser detection system, the theory of multi-scale analysis is used to establish multi-scale model in this algorithm. At the fine scale, angle information provided by infrared detection system is used to estimate the target state through the unscented Kalman filter. It makes full use of the high frequency characteristic of infrared detection system to improve target state estimation accuracy. At the coarse scale, due to the sampling ratio of infrared and laser detection systems is an integer multiple, the angle information can be fused directly with the distance information of laser detection system to determine the target location. The fused information is served as observation, while the converted measurement Kalman filter (CMKF) is used to estimate the target state, which greatly reduces the complexity of filtering process and gets the optimal fusion estimation. The simulation results of tracking a target in 3-D space by infrared and laser detection systems demonstrate that the proposed algorithm in this paper is efficient and can obtain better performance than traditional algorithm.     

基于法线引导的激光中心线提取方法

在线结构光三维测量系统中,高精度激光条纹中心线提取是提高测量精度的关键。针对现有激光中心线存在提取精度不高、保留细节差等问题,提出了一种基于法线引导的激光中心线提取算法。该算法具体实现步骤为:首先,对图像进行预处理,结合边缘检测和几何中心法对激光线初步提取;然后,用主成分分析法(principal component analysis,PCA)求取其法线,在激光中心点处划分角度八邻域,通过法线角度引导搜寻有效点集;最后,利用灰度重心法对点集进行亚像素提取。实验结果表明:该算法均方根误差与灰度重心法相比提高了0.233 9像素,比Steger算法、方向模板法更好地保留了光条细节,可以更精确地提取光条中心,达到亚像素级的精度。     

三光束激光干涉光刻的实现方法

分析了多光束空间分布产生的误差对图形的影响,通过计算优化得到三光束产生的干涉图形在整个面内有着更好的图形稳定性。利用氦镉激光光源通过特定的光学系统形成空间分布近似旋转对称的三束光, 对光致抗蚀剂进行干涉曝光,制作出了周期600 nm、高度350 nm的蜂窝状点阵,测量结果表明该系统具有很好的图形重复性和稳定性,同时降低了对于光学光路的精密性要求。     

基于改进Fleury算法的激光扫描投影路径规划方法

为改善激光扫描投影系统在扫描复杂图形时由于扫描频率远小于20 Hz而引起的严重闪烁问题，基于图论理论将Fleury算法应用于激光扫描投影路径规划，并针对该算法无法优化非欧拉路径的局限性，提出了改进的Fleury算法。应用MATLAB对上述算法的扫描路径优化效果进行仿真分析，并应用到已有的激光扫描投影系统中进行实验，实验结果表明:基于改进的Fleury算法的激光扫描投影路径优化技术可以使激光扫描投影频率提升至20 Hz左右，有效解决频闪问题，提高绘制图像的质量，从而提升自主研发激光扫描投影仪器的实际应用价值。