视觉跟踪坐标测量系统数学建模

提出了一种基于光学测头成像的单相机视觉跟踪坐标测量系统。该系统中引入了一个转动平台带动相机运动,使相机光轴始终对准运动的光学测头中某一个光点,保证光学测头成像在畸变比较小的像面中心附近。给出了系统的组成结构,通过空间变换和光学成像原理建立了系统的非线性跟踪测量数学模型,给出了利用Newton非线性迭代算法求解跟踪方程的具体算法,通过实验验证了所建立的模型和求解方法的正确性。最后,分析了转动角度误差对测量结果的影响。     

一种点扫描形貌测量系统的现场标定方法

针对三角法点扫描形貌测量系统结构参数标定的非线性问题,提出并实现了一种简单易行的系统结构参数现场标定方法.利用二维靶标在测量空间内自由摆放,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,基于坐标系转换实现了点扫描形貌测量系统结构参数的精确标定.通过对平面及已知直径圆柱面进行测量,利用测量点到拟合平面或圆柱面的距离评价了系统标定的精度.所提标定方法无需精密调整靶标位置,具有较高的可靠性与实用性;也可用于其它基于三角法原理的三维形貌测量系统结构参数的标定.     

基于球几何特征的摄像机内参分步标定方法

在摄像机标定过程中,球形靶标对图像数量、拍摄角度要求小,能够适应遮挡环境,在使用中具有明显优势.在分析球投影模型几何性质的基础上,提出一种利用球靶标分步标定摄像机内部参数的方法.该方法通过拍摄一幅包含空间中2个不同位置球体的图像,得到图像中的2条投影二次曲线;利用2条投影二次曲线的对称轴和公切线计算球心投影点,通过投影二次曲线的对称轴确定图像主点坐标,根据球心投影点和图像主点的位置关系求解归一化焦距;利用整体优化算法得到内参标定结果.仿真数据实验分析了引入测量误差的主要因素,实物标定结果与平面方格靶标方法相比误差在5%之内,重复测量结果稳定.      

基于曲线拟合法的失真度测量及其数据处理研究

对当前正弦信号波形失真测量的现状进行了分析,讨论了基于曲线拟合法正弦信号波形失真度测量技术,并针对曲线拟合法参数求解困难的问题,提出了基于单纯形法的数据处理方法.实验结果表明单纯形法能够快速、精确求解曲线拟合方程,解决了失真度的数字化测量中的瓶颈问题.     

非线性结构动响应的Taylor级数解法

Taylor级数方法是结构动力分析中一种新的时间积分方法,它在求解线性问题方面的理论和应用已经比较完善和成熟.将Taylor方法进一步用于非线性结构动响应的求解,对于非线性项可以表示为多元多项式的结构动响应问题,建立了Taylor级数方法的理论,给出了递归求解通式.通过对典型方程的求解,阐述了Taylor级数方法的应用.算例表明,Taylor级数方法解决非线性结构动响应问题是行之有效的.     

面向立方星的相对位姿测量视觉传感器设计

针对立方星在轨服务任务中的近距离相对导航问题，提出一种相对位姿测量视觉传感器设计。为应对空间复杂的光照条件，设计一种具有多层结构的立体靶标，选取波长为850nm的LED灯作为立体靶标的光源。在相机镜头处安装850nm的红外窄带滤镜以提高立体靶标成像质量。为提高视觉传感器的测量精度，提出一种迭代直接求解(iterative direct solution, IDS)的相对位姿估计算法。该算法直接利用立体靶标上的非共面点提供的深度信息获得初始相对位姿，然后引入Haralick迭代算法来优化初始测量结果。搭建六自由度实验平台对该视觉传感器进行性能测试。实验结果表明,该视觉传感器能克服背景光的干扰，且提出的 IDS相对位姿估计算法的精度优于经典的P3P算法和EPnP算法。     

视线测量光学导航系统观测模型选取

在基于视线矢量观测的自主光学导航系统中,观测模型的非线性是影响导航精度的一个重要因素。通过定量计算观测模型的非线性强度,研究了视线测量光学导航系统测量模型的选取问题。文章基于透射投影模型的共线性方程,给出了两种视线矢量观测模型的导航测量方程及测量噪声统计特性。在扩展卡尔曼滤波框架内深入分析了观测模型非线性对导航性能的影响。并利用微分几何非线性曲率测量理论,定量比较了两种观测模型的非线性强度。最后以基于视线矢量观测的姿态确定系统为例,仿真验证了非线性曲率测量与导航性能的一致性,结果表明基于单位矢量观测模型的光学导航系统具有更高的估计精度和更快的收敛特性。     

基于平行直线的摄像机标定方法

针对视觉测量中摄像机镜头畸变对精度的影响问题,提出一种基于平行直线求解镜头畸变系数及摄像机标定的方法.考虑到空间直线在理想摄像机模型下的成像仍然是直线的特点,根据畸变对直线的影响,利用径向畸变的数学模型和参数分解的方法对径向畸变系数进行线性求解;仅存在切向畸变的点和理想点到主点距离相等,采用非线性拟合直线确定理想点的方法求解出切向畸变系数.对标靶点进行畸变校正,计算出摄像机内外方位参数.实验结果表明,该方法得到了准确可靠的标定参数.     

基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计

针对具有未知输入和测量噪声的一类Lipschitz非线性系统,研究了状态估计、噪声估计及未知输入重构问题.通过将输出噪声看作扩展状态,把原系统转化为描述系统.针对描述系统,首先基于Riccati方程的解,提出了一种高增益观测器设计方法,实现对系统状态的估计和测量噪声的重构;之后,设计二阶高增益滑模观测器精确估计输出的微分,并利用状态和输出微分的估计,提出了一种未知输入的重构方法.在一Riccati方程有解的前提下,所提出的未知输入和测量噪声的重构,均适用于强时变信号.最后,对一个实际模型仿真,验证所提出方法的有效性.      

梁式构件动力学响应分析的集总参数方法

详尽阐述了一种适用于梁式构件动力学响应分析的集总参数方法——有限段方法。采用有限段方法建立柔性梁式构件的离散模型,基于Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ方法建立柔性多体系统动力学方程。该方程计入了梁式构件的几何非线性变形的惯性影响,在求解过程中,引入了相对位移的模态变换以提高计算效率。通过典型实验验证了有限段方法可以解决具有几何非线性变形的柔性梁式构件的多体系统动力学问题。     

十字线结构光视觉传感器的标定方法研究

基于结构光三维视觉测量原理，搭建了一套非接触式的十字线结构光视觉传感器。为获取投影光条上采样点的三维空间坐标，建立了该传感器的数学模型，研究了其结构参数的标定方法。应用张正友标定法和棋盘格标定板完成了传感器结构参数的标定，确立了被测点的图像坐标与其空间三维坐标之间的映射关系，并进行了试验验证。试验结果表明，标定结果可以使传感器实现预定的三维测量功能，对飞机蒙皮钻孔点位法矢的重复性检测精度可以满足使用要求。     

一种新的四路激光跟踪坐标测量系统的基点标定方法

在激光跟踪三维坐标测量系统中,系统首先要经过标定,才可以进行实际测量。因此系统标定的准确度会直接影响系统最终测量准确度。为了提高标定准确度,提出一种新的标定方法,即利用直线法原理,在优化布局下,采用两路激光干涉仪测量出基点的三维坐标。仿真结果表明目标点相对于基点呈对称分布时,测得的基点坐标准确度比非对称分布时高6到7倍,并通过实验得出了在该优化布局下的基点坐标。     

一种自由曲面视觉测量三维数据拼接方法

提出一种利用标志点构建全局测量控制点的视觉测量三维数据拼接方法.在被测自由曲面上粘贴标志点,并在被测区域放置基线尺,采用1台数码相机在不同视点拍摄标记点和基线尺图像,由此求解数码相机在不同视点的坐标系变换关系.在此基础上,根据立体视觉模型确定标志点三维坐标,转换到全局坐标系下,形成全局测量控制点.视觉传感器在不同位置对各局部区域进行三维扫描,获得局部区域内标志点在局部测量坐标系下的坐标,通过至少3个非共线标志点解算局部坐标系到全局坐标系的变换,从而将实现局部三维数据的拼接.该方法操作简便,适合现场使用.实验结果表明, x,y,z 坐标的拼接误差分别为0.03mm,0.02mm,0.07mm.     

基于平面靶标的多视点云对齐方法

在大型物体三维视觉测量中,多视点云的对齐是其关键技术之一.设计了一种带有多个间距已知的角点作为特征点的平面靶标.靶标置于视觉传感器在2个不同位置测量的公共区域,2次测得特征点三维坐标.用靶标上任意3个非共线特征点的三维坐标建立单位正交基,从而求得多视点云坐标系初始变换矩阵.以初始对齐后的对应特征点之间距离平方和建立目标函数,并引入距离控制来增加约束条件,以3点求得的坐标变换矩阵为初值,采用Levenberg-Marquardt优化方法解出最优的坐标变换矩阵.采用双目视觉传感器对一石膏像在2个位置进行了测量,实验结果表明该对齐方法简单可靠,优化后的对齐精度比优化前提高了约31%.      

双弦法测量孔径的研究

讨论了一种新型的孔径测量方法双弦法，建立了测量模型，指出传统的转折点法、对称点法是其特例。若ｌ１，ｌ２分布在孔两侧，合理选择Ｈ／Ｄ，可以减小扫描误差的影响。最后讨论了利用双弦法对工件进行Ｚ向微米级定位。根据此原理，很容易实现精密孔径测量仪器的智能化、高准确度和高效率。     

光栅式双目立体视觉传感器光条快速匹配算法

光栅式双目立体视觉传感器用于物体三维形貌测量,其难点之一是光栅光条的匹配与识别.利用可见光条数和光条序列组合间的关系,提出了一种基于空间三维搜索的快速光条匹配算法.将光栅式双目立体视觉传感器看作两个光栅结构光传感器,分别进行标定后,可计算各光条中心点的三维坐标.搜索不同光条中心点集之间的距离最小且模型编号相同的光条即为匹配光条.分析了可见光条数目和光条序列组合间的关系后,列出各种可能的组合情况,设计了搜索算法,排除了冗余计算,大大减少了计算量,实验证明了方法的有效性.     

三维型面非接触测量系统现场标定技术

针对双眼视觉传感器三维型面测量系统,介绍了一种利用平面标靶实现系统标定的方法.标定过程无需辅助设备,仅要求两个摄像机同时拍摄一幅标定板图像,利用标定板上的控制点计算左右图像对应的单应性矩阵.结合进化策略优化左右主像点,从单应性矩阵中获得测量系统的其他标定参数.同传统定标方法相比,该方法简单、快捷,适用于现场标定.      

三轴相交度的一种测量方法

介绍一种通过激光跟踪仪测量三轴转台三轴相交度的测量方法。该测量方法是利用激光跟踪仪测量出转台内、中、外框上两固定点（靶镜座位置）绕其回转轴线运动时一些位置点的空间坐标,拟合这些点从而构造出两个圆及其圆心,再由两个圆心构造出一条回转轴线。这样,将三轴转台的三条回转轴线构造出来以后就可计算出三条回转轴线两两之间的距离,根据三条回转轴线两两之间的距离就能求出三轴转台的三轴相交度。     

光笔式三坐标测量机的蛙跳算法

在用光笔坐标机进行测量时,为了达到要求,经常要采用蛙跳法进行测量。建立了相应的数学模型,推导出蛙跳后的新坐标系和原坐标系的转换关系,先粗略求解它们之间的平移向量和旋转矩阵,进一步给出通过最优化方法精确求解平移向量和旋转矩阵的算法。编程实现此蛙跳算法,结合Matlab进行仿真,并分析误差大小,仿真表明该算法具有一定的实用价值和参考价值。     

iGPS测量不确定度空间分布分析方法

针对iGPS实际测量现场的快速评估与布局优化问题,研究了iGPS测量不确定度空间分布规律.给出了iGPS测量模型,据此建立了iGPS测量不确定度通用两站分析模型,进一步提出了基于两站模型变换的测量不确定度空间分布分析方法,并根据发射器覆盖范围进行了修正.该方法适用于发射器为任意数目与空间布局的iGPS测量环境,可用于计算iGPS测量环境中任一空间点的测量不确定度.构建了iGPS两站与四站实际测量环境,并进行了数值仿真计算与实际测量偏差对比.结果表明,两者数据吻合良好,该iGPS测量不确定度空间分布分析方法能有效描述iGPS测量不确定度空间分布规律.