用双视场电子散斑干涉实现检测表面的变尺度同时测量

结构或材料中所含的微小缺陷对其宏观力学性能具有重要的影响，探讨这些微小缺陷引起的微变形及其在结构整体变形中所占的份额，对于有效地评估结构和材料的整体性能及局部演化过程都具有重要的理论和工程价值，本文应用双视场电子散斑干涉技术，实现了对被测对象表面的全场变形和局部微观场变形的同时实时检测，给出了宏观及局部位移场分布，并结合有限元数值分析与实验结果进行了比较。     

平面镜反射辅助视场下相机位姿估计问题的Cramer-Rao下界

针对不通视条件下的相机位姿估计问题,可通过移动平面镜实现相机对目标镜像的多次观测,进而求解相机与目标之间的相对位姿关系。本文研究了该配置下位姿估计误差的CramerRao下界问题,推导了平面镜反射中心透视投影模型中物点、光心、镜像虚拟像点三者之间的共线方程及位姿估计误差理论下界的计算公式,并进行了数字仿真验证。结果表明:增大平面镜摆动角度、减小平面镜到相机的距离或增加平面镜有效移动次数,都可降低位姿估计误差的CRLB。上述结果可为某些不通视条件下摄像测量的现场布设提供可靠的性能指标。     

干涉条纹图处理的等值线窗口滤波和摄像测量在国防试验的应用

对图像进行滤波或称平滑是干涉条纹图像处理中的一项重要工作。一幅未经处理的原始图像或多或少存在着不同程度的噪声干扰,特别是散斑和Insar干涉条纹图,信噪比很低,难以处理。本文针对光测力学中光学干涉方法得到的条纹图,提出了一种新的滤波方法条纹等值线窗口滤波,并对这种滤波方法进行了研究讨论,提出了几种确定等值线窗口的不同方法。这种滤波方法根据干涉条纹图不同断面上灰度分布的不同特点,选择沿条纹走向的条纹等值线窗口进行滤波,在最大消除条纹图噪声的同时,也能保证对条纹损伤最小。摄像测量技术正在迅速发展和得到广泛应用,在国防试验和航天飞行任务中发挥着不可替代的作用。本文也介绍了作者近年来在该领域所做的应用研究,包括在火箭、导弹发射试验,冲击、碰撞等过程中的动态目标运动测量;针对航天航空和力学工程领域的视频图像实时分析;飞行器三维运动测量;基于投影条纹的物体三维形貌精密测量方法研究;以及对接航天器位置和姿态的实时测量。在这些应用中都实现了高精度测量。     

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。     

抗尺度变换的矢量地图匹配导航方法

相比于景象匹配导航,矢量地图匹配导航具有无损变换、空间效率和时间效率高等优势。针对矢量地图匹配导航过程中实时图与基准图尺度不一致的情况,提出了一种抗尺度变换的位姿解算算法,并将其应用到矢量地图匹配导航系统中。该算法将尺度因子作为未知参数,与位姿参数一起进行估计,从而避免了尺度差异造成的位姿解算误差较大的问题。仿真结果表明,抗尺度变换的位姿解算算法用于小尺度变换下的矢量地图匹配时,经度标准差和纬度标准差均小于0.06″,航向角标准差小于0.06°。     

基于视觉测量与神经网络的工业机器人位姿补偿

为提高六轴工业机器人的绝对定位精度,本文提出了一种利用视觉测量数据通过ELM(Extreme Learning Machine)神经网络实现机器人位姿补偿的新方法．利用固定在机器人末端的手眼相机获取机器人的末端位姿,并借助ELM实现机器人末端执行器从目标位姿到预测指令位姿之间映射,用修正转角代替原转角使机器人末端执行器运行至修正位姿,实现补偿．特别的是,对于使用的ELM,以网络预测均方误差为指标定量选取了网络的最佳参数．相比之前的方法,本文提出的算法具有能够同时高精度补偿姿态角及位置误差的显著优点．为验证该位姿误差补偿方法的有效性,本文进行了实验验证．结果表明,相比较于未补偿前的机器人末端位姿误差,经该方法补偿后的位姿误差被稳定控制在较低水平,平均位置误差降低89.1 %;平均姿态角误差降低96.8 %．除此以外,位置误差与姿态角误差的标准差也分别降低了85.66 %和93.24 %．     

基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展

挠度是评估桥梁承载能力和健康状态最直观的指标。近20年来,基于计算机视觉的桥梁挠度测量方法凭借其非接触式、快速简易安装等优点,被逐步应用于实际测量中。本文从测量原理、测量方式和影响因素3个方面出发,介绍了当前基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展。在测量原理方面,从相机标定、三维立体视觉、摄影测量、特征检测与匹配4个方面进行了介绍。在测量方式方面,介绍了单相机二维测量、双相机三维测量、基于摄影测量的准静态测量和位移传递串联相机网络多点动态测量。在影响因素方面,介绍了相机自身因素、标定因素、算法因素和环境因素4个方面对测量结果的影响,并总结了目前国内外的研究成果。最后对基于视觉的桥梁挠度测量技术的未来发展趋势做出了展望。     

水面小尺度漂浮平台的设计与实验

针对水面便携、易投放的小尺度漂浮平台的需求,设计了一种基于漂浮系统和稳定机构的水面小尺度漂浮平台,详细分析了水面小尺度漂浮平台的总体结构和工作原理,设计了二自由度的并联稳定机构和基于惯性测量单元的位姿测量系统,建立了基于滑模变结构原理的控制系统。在此基础上,完成了实验室摇摆台实验和水池摇摆实验。实验室实验结果表明,小尺度漂浮平台能够提供±0.2°的稳定基座;水池摇摆实验结果表明,小尺度漂浮平台能够提供±0.8°的稳定基座;负载系统能够有效地探测目标。研究结果可为水面小尺度漂浮平台的改进提供基础。     

柱塞气举工艺下基于重力观测的MEMS全姿态位姿测量系统

为解决柱塞小体积自主高精度位姿测量的难题,针对柱塞气举工艺,设计了一种基于重力观测的微机电系统（MEMS）全姿态位姿测量系统。首先,利用柱塞工作过程中大部分时间不存在非重力运动加速度的特性,设计了基于重力观测的自主导航算法提高位姿测量精度;其次,考虑到柱塞垂直运动过程中俯仰翻转时无解的问题,设计了全姿态解算算法。最后,对所设计的位姿测量系统进行了实物实验。实验结果表明：所设计的位姿测量系统进行作业时,水平姿态精度不大于0.05°、航向漂移小于0.5°/h、短时位置精度不大于0.8 m,验证了该系统可解决柱塞目前存在的小体积自主高精度位姿测量难题。     

基于对偶四元数的双星编队相对位姿测量

为了描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于对偶四元数的编队卫星相对位姿测量算法。以双星编队飞行的位姿运动为主线,运用对偶四元数工具,充分发挥其能以最简洁的形式表示一般性刚体运动的优点,对卫星轨道和姿态进行分析并建立了对偶四元数位姿模型。同时设计类GPS测量技术来测量编队卫星的相对位置和姿态,该技术载波相位波长和伪码码元比GPS的更短,可获得更高精度的相对测量信号。由于状态方程和观测方程的非线性特征,使用UKF滤波来消除随机噪声对量测过程的干扰。实验结果表明,所设计的算法能够有效估计系统误差,卫星的位置误差和四元数误差收敛于零,验证了该算法的有效性。     

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

测量脉冲大电流的双光路光学电流传感器技术

提出了双光路光学电流传感器检测方法及其数据处理方法,即激光输出功率保持不变时,可采用双光路结构和反正切函数处理方法求出待测脉冲大电流。采用双光路光学电流传感器和罗果夫斯基线圈对比测量了充电电压为18 kV、电容为31.8 F的电炮的短路电流,两种测试方法的实验结果取得了较好的一致性,证明了双光路光学电流传感器的有效性。     

消除电阻应变片大应变测量计算误差的算法研究

利用电阻应变片进行应变测量,特别在大应变测量时,测试电路输出电压与应变片应变并不是简单的线性关系.为减少或消除计算误差,提出按测试电路输出电压与应变片应变的非线性关系进行精确计算应变值,并提出了相应的改进算法应变计算公式,在单臂应变计感受应变测量场合,对大应变和小应变测量均适用,无计算误差,并得到了实验论证.同时提出了考虑应变片灵敏度系数修正和长导线电阻修正的改进算法应变计算公式,非常容易通过软件实现,可广泛应用于科学实验和工程测量.