长基线声学定位系统跟踪解算优化方法

针对现有长基线定位解算算法忽略阵型标定误差的问题,本文提出了一种结合声信标的标定误差和测距误差的待定目标解算方法。该方法利用观测数据的先验误差将观测数据连同带求解量一并构建平差解算模型,可以对待定目标位置解算进行优化求解。采用该方法对现有测量船只的跟踪定位实验进行数据处理,得到的跟踪定位轨迹平滑连续,和传统方法相比更接近于GPS输出结果,在深水环境下效果提升明显。理论分析和实验结果表明采用该方法能够获得更优化的位置估计结果及全局误差,能够应用于高精度长基线定位系统中。      

长基线定位系统高精度阵型标定方法

为解决长基线定位系统传统标定方法中受垂直方向声速变化剧烈而导致的标定精度差、逐个声信标交汇标定效率低、跟踪定位阶段采用不同声信标基准对目标解算不一致的问题,本文提出了一种高精度相对阵型标定方法,通过水下声信标的互测距信息构建观测模型改进了传统标定方式。理论分析表明,采用该方法水平方向上能够获得与测距等量级的标定精度,有效地提高了标定效率,采用不同的声信标基准目标解算结果一致,在深海作业中优势明显。通过浅水试验结果可以看出该方法水平方向上的标定精度能达到和测距等量级的毫米量级精度,和传统标定方法相比提高了一个数量级,在提高标定精度的同时降低了作业复杂度,采用本文的标定结果获得的目标定位结果更接近于GPS输出,具有良好的工程应用价值。      

近景大视场角分区域标定方法研究

针对飞行试验测量视场大相机标定精度低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先通过将标靶均匀布置在摄像机视场内,使得标靶尽可能均匀错落地充满整个视场范围,再结合人眼判读的方式求解靶标的像面位置,最终与全站仪三维坐标形成精确的空间标定点集。接着,将像平面按横向方向等间距分割成Ｎ个区域,并结合后方交会的方法分别对每个子区域进行相机参数的计算。实验结果表明：经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了4％(Ｎ＝3)。算法可实现指定区域的相机参数计算,基本满足中高等精度的工业测量要求。所本文研究可应用于位置相对固定不变的工业视觉测量,特别是大工件测量领域。     

一种机器人手眼关系混合标定方法

针对机器人手眼关系的求解问题,在现有研究方法基础上,将传统方法高精度的优点和主动视觉方法的简单易实现性相结合,提出了一种新的混合求解方法;只需机器人进行两次正交平移运动及分别对标定板成像一次,即可标定手眼旋转矩阵R,再指导机器人移动到标定板原点,即可求解手眼平移矩阵T。以自主研发的平方六轴串联机器人为实验对象,应用所提出方法求解出手眼关系,并用传统方法对所求结果进行分析,证明该方法误差在1 mm以内,不需要求解复杂的传统方程,且准确度高、易实现。     

用于智能移动设备的条纹反射法检测系统

条纹反射法是一种结构简单的三维面形检测手段,本文对该方法在智能手机、平板等移动设备中的集成和应用进行了研究。首先,对条纹反射法标定误差以及智能设备的特点进行了分析。然后,在分析实际检测中的关键误差基础上,提出了通过相机非线性定标、改善相移算法、格点位置标定、应对相机自动增益调整等一系列方法和算法,在设备现有硬件条件下提高了测量精度和稳定性;最后,使用iPad Air对直径为105 mm的SiC反射面进行了实验。结果表明,标定精度在毫米量级时,对反射面的检测精度RMS值达到33μm,并且以低频误差为主,在局部高频区域检测结果有明显优势,证实了在不使用其他外部设备前提下,集成于智能平板的条纹反射法具备几十微米量级精度的检测能力。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

A novel optimization method of camera parameters used for vision measurement

Camera calibration plays an important role in the field of machine vision applications. During the process of camera calibration, nonlinear optimization technique is crucial to obtain the best performance of camera parameters. Currently, the existing optimization method aims at minimizing the distance error between the detected image point and the calculated back-projected image point, based on 2D image pixels coordinate. However, the vision measurement process is conducted in 3D space while the optimization method generally adopted is carried out in 2D image plane. Moreover, the error criterion with respect to optimization and measurement is different. In other words, the equal pixel distance error in 2D image plane leads to diverse 3D metric distance error at different position before the camera. All the reasons mentioned above will cause accuracy decrease for 3D vision measurement. To solve the problem, a novel optimization method of camera parameters used for vision measurement is proposed. The presented method is devoted to minimizing the metric distance error between the calculated point and the real point in 3D measurement coordinate system. Comparatively, the initial camera parameters acquired through linear calibration are optimized through two different methods: one is the conventional method and the other is the novel method presented by this paper. Also, the calibration accuracy and measurement accuracy of the parameters obtained by the two methods are thoroughly analyzed and the choice of a suitable accuracy evaluation method is discussed. Simulative and real experiments to estimate the performance of the proposed method on test data are reported, and the results show that the proposed 3D optimization method is quite efficient to improve measurement accuracy compared with traditional method. It can meet the practical requirement of high precision in 3D vision metrology engineering.     

能动磨盘变形检测中的各误差因素分析

针对现有f530 mm能动磨盘的检测系统（有效检测口径f420 mm）,系统分析了检测过程中的球头误差、传感器安装角度误差和坐标定位误差,并给出了各项误差对检测精度的影响。同时,还针对检测基座不完全水平的问题建立模型,应用最小二乘法实现了检测数据的去倾斜处理。给出了实测数据去倾斜前后和误差补偿前后的检测精度对比情况,结果表明去倾斜算法能较好地还原实测数据,补偿检测中的系统误差有助于提高检测精度。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

高精度光电摄像系统的测量误差及其标定

详细分析了影响高精度光电摄像系统测量精度的各项误差因素,针对这些误差因素提出了详尽的标定算法,建立了摄像系统的标定模型。经过实验验证,该方法具有较高的检测精度。     

基于正弦波磁光调制的方位失调角精确测量方法

针对传统基于正弦波磁光调制的方位失调角测量系统存在测量精度不高的问题,提出了一种新的系统方位失调角测量模型以提高系统测量精度。通过分析传统的基于正弦波磁光调制的方位失调角测量原理发现,由于采用省略高阶项的贝塞尔函数展开式表示磁光调制后的信号,引入了信号截断误差和方法误差,影响了系统测量精度。在分析基础上推导建立了一种基于纯三角函数表示的无理论误差的方位失调角测量新模型并进行了仿真。仿真结果表明,利用推导建立的失调角测量新模型,系统测量精度明显高于传统方法,这对重新理解基于正弦波磁光调制的方位失调角测量系统原理、提高系统测量精度具有一定的参考意义。     

超光谱大气CO_2监测仪光谱定标误差修正

超光谱大气CO_2探测需对遥感器进行精确表征及定标,其中光谱定标工作最为基础。针对传统实验室定标方法获取的波长定标系数不确定度高等特点,开展基于气体吸收法原理的光谱定标误差修正研究,该方法与仪器使用状态一致,提高了定标系数实用性。首先利用辐射传输进行了理论光谱及误差因素模拟计算,并基于大气环境模拟定标仓开展了大气XO_2吸收光谱测量实验,最后采用LM算法进行光谱误差修正迭代优化。光谱定标误差修正结果表明:光谱偏差均值由修正前的0.03 cm~(-1)下降到修正后0.008 cm~(-1),且系统性与突变性误差得以剔除,大大提高了地面光谱定标精度,为后续温室气体反演奠定了基础。     

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。     

光栅投影相位法系统模型及标定方法

本文针对传统投影光栅相位法的光学三角法模型进行了改进,采用直入射光路并配合使用一种简便易行的标定方法,只需使用相移公式求取相位差,而不会引入与系统几何位置关系有关的量,简化了求取高度矩阵的要求。实验结果表明,新系统模型精度良好,测量误差为0.107 mm。采用该模型和标定方法可以克服传统方法系统模型的局限性,最大限度减少误差源并提高抗干扰性。     

一种使用线阵型CCD实现高精度二维位置测量的方法

介绍了一种使用ＣＣＤ测量位置的方法。与其它ＣＣＤ位置测量系统不同，通过设计一个特殊的光学系统，实现了使用两个线阵型ＣＣＤ进行高精度二维位置坐标测量。文中对该光学系统进行了误差分析，证实该方法具有很高的测量精度。该二维位置测量方法具有一些突出的优点：系统响应速度快，可以对动态目标进行测量；测量精度高；制造成本低。上述特点使它在工业制造领域内有着广阔的应用前景。     

基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制

开发了一种小型化人体血糖浓度无创检测系统,该系统可实现人体血糖浓度的快速、实时、无创检测,主要由嵌入式系统、夹具、光源系统和微型光栅光谱仪四部分组成。提出了一种光源稳压驱动电路方案,可满足多种光谱采集条件对光源的要求。同时提出了一种一体化夹具设计方案,不仅简化了系统的光学结构,而且提高了测量条件的可重复性。分别用小波去噪和核偏最小二乘法对采集的光谱数据进行预处理和数学建模,并对系统进行性能评价,血糖浓度预测值与标准值的相关系数为0.95,预测均方根误差为0.6mmol.L-1,系统的重复性较好。     

基于平面互补靶标的线结构光标定系统

为提升线结构光传感器的标定效率与精度,设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系,建立非线性优化偏心误差补偿模型,精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%,有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合,多次获取空间交线的坐标信息增加特征点,并使用最小二乘法拟合光平面方程,解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm,结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。     

错位光纤干涉激光谱结合BP神经网络的温度传感研究

在分析不同温度时单模错位光纤干涉光谱对应波长的条件下,搭建三层BP神经网络模型对温度传感进行研究,解决了常规光纤测温系统复杂和精度不高的问题。对建立的网络模型参数进行探讨,将采集的激光波长与对应的温度数据,经BP神经网络训练,对比得到最佳网络结构,达到在训练完成的网络输入层输入激光波长值时,便可在输出层得到对应的温度预测值。结果证明,实验输出的预测温度值与实际温度值之间表现出明显的相关性,即预测值能够逼近实测值。温度校正和预测相关系数分别达到0.999 61和0.979 27,校正标准误差与预测标准误差分别为0.017 5和0.144 0,得到预测集的平均相对误差为0.17%,剩余预测误差RPD可达到5.258 3,RPD大于3.0,说明定标效果良好,所建模型可用于实际的检测。另外,将该算法用于了带校正的双耦合结构单模错位光纤测温系统中,结果表明BP神经网络方法能够较好的处理错位光纤测温系统中激光光谱数据和温度之间的非线性关系,预测温度值与实测温度值之间的相关度为0.996 58,得到预测温度值与实际温度值之间平均相对误差为0.63%,从而提高了光纤测温传感器的精度和稳定性,同时也验证了该算法在光纤传感上的可行性,也为错位光纤的压力、曲率等其他物理量传感的精确测量提供了新思路。     

Underwater target localization using long baseline positioning system

The absolute position of an underwater target is difficult to pinpoint because the global positioning system (GPS) cannot penetrate water bodies. The long baseline (LBL) positioning system can extend GPS using high-precision calibrated underwater beacons as references. While traditional LBL systems give the target position without considering calibration error of deployed beacons. To solve this problem, we propose a method different from previous works, that combining the errors of observations together. We use GPS outputs as true values to evaluate the localization performance. An LBL system with four beacons was installed in deep sea to test the results. The positioning accuracy in deep sea improves nearly 5 m. The results suggest that beacon positioning errors have a great impact on localization precision, that is significant in high-precision positioning tasks.     

搜索策略改进的波束形成定位方法研究

针对传统时差方法定位精度低和波束形成方法定位效率低的问题,提出了一种基于遗传算法和波束形成算法的海洋平台损伤定位方法。通过遗传算法对待搜索区域坐标进行编码、选择、交叉、变异等操作,对波束形成算法的搜索策略进行改进,快速搜索损伤位置坐标。实验证明,与时差定位算法相比,本文方法的定位误差降低了50%;与波束形成算法相比,本文方法的运算时间减少了53%。因此,本文方法在保证定位精度的前提下,提高了算法的执行效率,对海洋平台损伤的实时监测和定位具有一定的实用价值。