基于线结构光传感器的轨道板几何形貌检测方法

轨道板的外形尺寸精度对于保证高速铁路轨道质量起着至关重要的作用,针对现有轨道板检测方法存在的问题,本文建立了一种基于线结构光传感器的轨道板测量系统并提出了基于轨道板点云数据的几何参数测量方法。线结构光传感器按照固定间隔扫描CRTS III型轨道板,获得点云数据;利用轨道板中特殊位置点云数据对整个点云数据进行位置和姿态的校正;最后根据特征参数定义,实现轨道板四项关键几何参数的快速非接触测量。实验结果表明,本文提出的测量方法测量精度可达0.2 mm,满足轨道板的在线检测要求     

基于ASODVS的全景点云数据获取技术的研究

针对现有三维激光扫描设备不能同时获取空间点云的坐标信息和色彩信息,多视角点云数据配准复杂等问题,采用了一种将全方位视觉传感器ODVS(Omni-directional Vision Sensor)和可移动360°面激光光源相结合的主动式全景视觉传感器ASODVS(Active Stereo Omni-directional Vision Sensor)来获取点云数据。通过人机接口对ASODVS的扫描步长和速度等进行控制,实现了边扫描边获取全景点云数据;对获取点云数据空间信息过程中的关键技术——激光投射点提取算法进行了深入研究;采用了3种不同的全景激光线提取算法对全景切片图像中激光投射点进行提取,并实验研究了各自的优劣;实验结果表明,对于ASODVS而言,帧间差提取算法能有效快速准确的提取三维全景场景中激光投射点,并具有消耗计算机资源少、操作过程自动化、生成数据有序等优点。     

基于OTSU多阈值分割算法的激光线扫点云数据表达及精简方法研究

激光线扫方式获取的点云数据量庞大,不利于点云数据的存储、处理与分析。为了对激光线扫点云数据进行有效精简,提出了一种基于OTSU多阈值分割算法的激光线扫点云数据表达及精简方法。基于点云数据坐标与图像灰度值的映射,采用OTSU多阈值分割算法进行区域分割,并将分割后的各区域进行边缘提取及细化处理。根据原映射关系将细化的二值图像重新以点云方式表示,即得到精简的点云数据。在保持原有点云数据关键信息完整度的基础上,可有效地精简点云数据。实验结果表明:基于OTSU多阈值分割算法可有效地精简点云数据,同时能够有效地去除扫描过程中的背景干扰数据,具有较大的适用性和实际应用参考价值。     

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.     

集成聚焦式测头的纳米测量机用于台阶高度标准的评价

利用集成聚焦式测头的纳米测量机实现了高精度的台阶高度标准评价,该系统的测量范围可以达到25mm×25mm×5mm.描述了纳米测量机的工作原理,通过内嵌激光干涉仪和角度传感器的实时测量与反馈,实现高精度定位与扫描.聚焦式测头只作为零点传感器,与3个激光轴交于一点,避免了阿贝误差影响.通过将聚焦式测头的输出信号引入到纳米测量机的数字信号控制器中,实现定位系统的辅助测量,减小了聚焦式测头的非线性对测量结果的影响.根据ISO 5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的均方根(RMS)偏差为0.237nm.     

基于线扫方式的静压气浮激光点云数据扫描误差修正方法研究

为了修正静压气浮激光点云数据扫描误差,提出了一种基于不同扫描速度下所采集的点云数据,通过最小二乘法分区间建立误差预测模型实现对相应误差修正的新方法。实验结果表明,静压气浮三维测量仪的测量精度随气浮导轨扫描速度变化在特定范围内基本呈二次曲线变化关系,该误差修正方法能够快速、准确地实现静压气浮激光点云数据扫描误差的修正,具有较大的适用性和实际参考价值。     

一种面向空间非合作目标位姿测量应用的三维点云滤波算法

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题,给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性,验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上,以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入,验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明,该算法实现了原始点云93.1%的降采样,节省了92.9%的位姿解算时间,可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。     

面向机器人磨抛的激光点云获取及去噪算法

为了保证工业机器人磨抛的加工质量,利用激光扫描技术对机器人夹持工件的形状误差以及装夹误差进行测量和评估,包括点云数据的获取和去噪。采用条纹式激光扫描仪配合直线匀速运动对机器人末端夹持工件进行扫描,通过调节测量和运动参数,获取近似网格点云。为了去除点云中存在的大尺度噪点,在K近邻均值滤波(KNNMF)算法基础上,提出了基于局部均值的K近邻均值滤波(LMKMF)算法对偏大的数据点进行局部预先滤波,并建立相关数学模型。以峰值信噪比作为评价标准,以实际测量点云样本为测试对象进行去噪测试。结果表明,相比标准的KNNMF算法,结合LMKMF预先滤波的KNNMF算法在30%噪点密度下去噪能力提升了53.78%,证实了其在高密度噪点下具有更好的去噪能力和特征保持能力。     

基于三维激光扫描的铁路罐车点云优化处理方法

通过对三维激光扫描技术在铁路罐车中的应用研究,对扫描过程中发现的点云残缺及噪点问题进行研究分析,提出一种快速有效点云优化处理方法,新方法包括sp-H点云预处理和EtiG建模优化。验证试验表明,采用新的点云优化处理方法可以在较短时间内将扫描点云进行去噪及残缺修补,并能够快速高效进行模型重建,提升了不同工况环境下扫描点云的适用性,提高了扫描工作效率和准确度,铁路罐车容积测量结果的相对扩展不确定度达到2.4×10-3,为铁路罐车容积扫描最高准确度等级,为三维激光扫描相关技术的发展提供一定借鉴。     

飞秒激光高精细加工柴油机喷油嘴倒锥孔法

利用飞秒激光加工热效应小、高精细、对材料无选择性等特点,针对柴油发动机高压共轨系统中关键零件——喷油嘴偶件喷油孔的加工需求,设计了一种利用三光楔扫描的飞秒激光加工装置,并进行了喷油嘴倒锥孔加工工艺研究.采用微孔三座标测量机(测量准确度1.2μm)对倒锥孔尺寸准确度进行检测,通过喷油嘴高压液体流量试验台(测量准确度±0.1%)对批量制孔后的油嘴进行了流量测试,结果表明:所设计装置加工的油嘴性能可以满足欧V排放法规的应用要求,对提升汽车制造业水平及柴油车排放标准具有重要意义.     

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。     

可调谐二极管激光吸收光谱氟化氢检测（英文）

研究分布式反馈激光器的温度电流调谐特性及氟化氢气体在近红外波段的吸收线分布特征.利用归一化洛伦兹函数实现Voigt线型快速近似计算,并分析气体吸光度曲线的Voigt线型拟合以及波长扫描气体浓度反演算法.选择1.28μm附近氟化氢气体单根吸收线作为目标吸收线设计可调谐二极管激光吸收光谱系统,对已知标准浓度氟化氢气体配置的不同浓度气体进行测量.系统的检测限达到1.12ppm-m,且具有较高的测量准确度和长期稳定性,满足氟化氢气体实时在线监测的需要.     

基于移动Kinect的低成本植物三维结构表型分析

表型分析对于理解植物基因型与环境之间的关系非常重要,开发高效且成本低的相关技术是精准农业等领域的一项典型需求。其中,代表性的RGB-D设备Kinect已用于植物表型分析,但其应用潜力尚未被充分挖掘。本文首先梳理比较了Kinect表征三维结构的三种原理方式,即点云基于深度图像(DI)生成,通过运动恢复结构(SfM)从彩色图像获得,以及合并DI和SfM点云生成融合数据(MD),并以FARO X330激光扫描仪获取的基准数据评估三种方式的性能。以植物玉簪为例的分析结果表明,对叶面积的估算DI点云的准确度最高,对叶片圆形度和偏心率的反演MD点云表现最佳,对叶倾角的反演SfM点云的性能最好。三种方式的结果差异源于它们表征不同结构的表现不同,对于叶面积的反演, SfM表征叶片相对不完整,而MD重建叶片的边缘存在不平滑的现象,导致两者精度不足;对于表征叶片的几何特征,通过合并DI和SfM数据生成的MD点云实现了信息增强的效果,使得其表现优于DI和SfM点云;叶倾角对深度测量的准确性更敏感,由于Kinect测量深度过程中通常存在误差,导致DI和MD点云反演精度偏低,而SfM点云仅通过彩色图像生成,因此其表现出反演叶倾角的最佳性能。性能比较与原因分析表明,三种方式对不同的结构特征有不同的适用空间,它们的集成有助于提升Kinect用于植物表型分析的整体性能,由此形成一种基于Kinect的移动表型高效分析技术;此外,提出的叶片几何描绘(LGD)模型可较好拟合叶片轮廓,有助于恢复部分被遮挡叶片的几何形态。提出了一种基于Kinect的低成本但高效的移动型三维植物结构表型分析技术,这对于促进作物监控、农业增产等有基础技术意义。     

基于宏微复合标定的跨尺度零件测量方法

为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。     

基于3D结构光传感器的老龄人异常行为检测方法

针对多视角下老龄人异常行为检测问题,利用3D人体数据和多线性子空间分析方法,从时间、视角和空间动作特征对其进行了研究。首先通过三维结构光传感器获取人体扫描点云数据,并进行点云精简和人体表面重建。然后提取人体点云数据的表面曲率特征,并将其映射到二维彩色图像中,构成彩色动作特征图。通过提取特定时长内所有动作的彩色特征图,生成基于曲率的彩色动作能量图模型,并使用2D-PCA对彩色动作能量特征图进行降维。最后运用基于张量分析的多线性子空间分析方法,对多视角下降维后的数据进行视角无关的特征提取,并完成异常行为的分类和识别。实验结果表明,该方法切实可行,可将其应用于助老机器人和老龄人监护等相关领域。     

频闪激光光栅条纹实时投射系统

设计了一种高速扫描频闪激光光栅条纹实时投射系统。系统通过现场可编程门阵列(FPGA)实时监测光电探测器信号并控制激光器的调制输出,使高速旋转的多面棱镜与线激光器调制信号精确配合产生稳定、清晰、精密的频闪激光光栅条纹。系统结合了光栅条纹整体投射和线激光光源高精度的特性,具有刷新速度快、条纹分布精度高的特点,且亮度、频率、脉宽、相移可动态编程实时控制。应用该系统对微小尺寸器件进行了测量,获得了准确反映被测器件三维形貌的相位和特征点数据。该系统在高精度快速三维形貌测量中,尤其是工业现场精密器件在线三维检测场合具有广泛的应用前景。     

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。     

基于多激光光电门的液体黏度测量

本文设计了一种多激光光电门液体黏度测定仪.采用自制的铅锤校准系统和落球定位漏斗,使小球沿玻璃圆筒中心轴线下落,利用四组激光光电门计时,通过实验寻找小球匀速下落区间,可在一次落球实验中获得4组实验数据.新方法消除了传统落球法实验的弊端,提高了实验测量的效率和准确度.     

一种基于线结构光的五轴扫描测量系统

提出了一种由线结构光测头、三坐标测量机和两个数控回转工作台组成的五轴线结构光扫描测量系统。该系统通过两个回转工作台带动被测物体旋转,使线结构光测头能够测量到物体四周和顶部的各个区域。为了把从不同角度测量的数据拼合到一起,建立了数据自动拼接的数学模型,并通过测量标准球实现了对系统的标定。实验结果表明,该系统能在一次装夹下完成对复杂物体的完整测量,测量数据能自动拼合在一起,拼接精度达到了0.008mm。     

基于激光透射法测量平板玻璃的厚度

为实现平板玻璃厚度的非接触检测,采用透射法由线激光光源组成双向对称的测量光路,以线阵CCD作为传感器,采用USB图像采集卡实时提取图像,根据自适应边界阈值定位,通过灰度重心法提取目标像素中心.结果表明该方法厚度测量值在误差允许范围内,满足测量要求.