面向装配对接的双视觉测量试验系统优化标定方法

针对航空航天、轨道交通零部件装配对接测量与定位过程,为解决测量视场范围大、多种测量设备组合使用步骤烦琐等问题,对面向装配对接的双视觉测量系统标定方法进行了研究。通过构建双视觉测量系统模型,分析系统间各相机参数的关系,在单个双目系统中引入闭环约束,结合LM算法对单个双目系统中的相机参数进行优化,另外采用改进的EPnP算法对双视觉系统进行标定,并结合自行设计的双面一维靶标完成了双视觉系统的全局标定和坐标转换。模拟对接试验的结果表明,该优化标定算法在精度上优于传统算法,并在使用过程中简化测量步骤,提高测量效率。     

基于点线特征融合的双目惯性SLAM算法

针对室内弱纹理场景下,基于点特征的SLAM算法难以追踪足够多的有效特征点,导致系统定位精度和鲁棒性较差,甚至完全失效的问题,提出一种基于点线特征并融合惯性测量单元(IMU)的双目视觉惯性SLAM算法。利用点线特征的互补优势来提高数据关联的准确性,同时引入IMU数据为视觉定位算法提供先验和尺度信息,通过联合最小化多残差函数得到更准确的相机位姿,并据此构建环境点线特征地图、稠密地图和导航地图。针对传统线特征提取算法在复杂场景下易检测到大量短线段和相似线段特征以及线段存在过分割等弊端,利用线段长度抑制、近线合并及断线拼接策略在FLD算法的基础上进行改进,以降低线特征的误匹配率,运行速度是LSD算法的2倍以上。通过对比多组公开数据集和真实弱纹理场景下得到的仿真实验结果可知,所提算法在保证定位精度的同时能够获得更为丰富的环境地图,具备较好的鲁棒性。     

双摄像机光笔式三维坐标测量系统研究

基于双目立体视觉传感器三维测量模型和空间坐标变换原理,采用最小二乘冗余算法,讨论了双摄像机测量空间三维点坐标的基本原理,建立了视觉测量系统的非线性测量方程。通过实验验证了双摄像机光笔式三维坐标视觉测量系统建立的可行性。     

一种高陡度光学镜面高精度机械式测量方法

本文建立了高陡度光学镜面的多段拼接测量方法,将高陡度光学镜面轮廓的测量分割为具有一定重叠区域的数段较短面形轮廓的测量.通过测量系统与被测工件之间的相对旋转与平移运动调整被测工件的姿态实现分段轮廓的测量.之后通过拼接算法将各段面形轮廓拼接起来,重构出被测工件的面形误差.在建立了测量数学模型的基础上,介绍了设计的测量实验系统.并进行了相关实验.仿真与测量实验表明:上述方法能够高精度的重构出被测轮廓.     

双目视觉绳系支撑飞行器模型位姿动态测量

绳牵引并联机器人（WDPR）为风洞试验提供了一种新型支撑方式,可用于多/六自由度风洞复杂动态试验。针对该支撑下飞行器模型的大范围运动,发展了一种基于双目视觉的模型位姿动态测量方法。首先,设计了一种编码合作标志点,合理布置于模型表面,通过图像处理消除绳对标志点成像干扰,进行标志点三维重构;然后,利用绝对定姿算法求解相对位姿初值,且给出了理论误差分析,并基于双目相机重投影误差构建李代数下的无约束最小二乘优化问题,采用L-M算法进行位姿优化;最后,采用该测量系统分别进行了静态和动态精度验证试验,以及大迎角俯仰振荡等3种单/多自由度典型运动轨迹测量。试验数据显示,静态角度和位移测量精度分别优于0.02°/0.02 mm;动态测量时角度精度可达到0.1°量级,位移平均误差为0.4 mm。研究结果表明：设计的双目视觉测量系统是有效可行的,可为后续风洞试验的实际应用提供支持。     

仿生复眼测量系统中全景图生成的研究

模仿昆虫复眼结构形状,设计了一种仿生复眼测量系统.该系统由七个CCD摄像机按照复眼最小单元排列组成,利用多个DSP处理板对七路视频信号进行同步处理,模拟实现了复眼的功能.与传统的视觉测量系统相比,该系统具有更宽的视场和更高的运动灵敏度.本文利用改进的相关性方法实现视频图像的拼接,生成全景图,并提出了新的方法,较好地消除了因图像局部不齐和图像灰度不一致带来的人为拼接痕迹.     

一种改进点线特征融合的双目视觉惯性定位算法

在复杂产品装配过程中,对增强现实设备定位是实现虚拟引导信息与装配现场实时融合的核心。传统基于标签或预先构建离线装配基体模型的定位方式,存在装配任务与视觉定位兼容性低,单一视觉定位鲁棒性和稳定性差的问题。利用多传感器融合的视觉惯性导航方式进行定位,可提高定位的精度和鲁棒性,有效提高复杂产品装配质量和效率。本文提出了一种基于点线特征融合的双目视觉惯性定位算法,对双目相机和惯性测量单元（Inertial measurement unit,IMU）进行联合标定,并通过ORB和LSD线端融合的点线特征提取匹配,采取视觉和IMU紧耦合的方式,建立基于点线特征的视觉惯性融合的位姿误差融合模型。对比VINS-Fusion、PL-VIO和本文改进IPLVIO算法,结果表明IPL-VIO算法在结构化场景下的绝对位移和旋转误差比原算法误差更小,同时结构化场景信息更加丰富,能够应用在弱纹理的AR装配现场中,为增强现实辅助装配平台提供稳定可靠的位姿数据。     

一种非接触式双目视觉系统结构参数测量方法

双目视觉系统的设计与精度分析都需要精确的系统结构参数,但普通的测量手段难以胜任。为解决该问题,提出了一种基于摄像机标定的非接触测量方法,以实现结构参数的测量。首先,在研究双目视觉系统精度的基础上给出了双目视觉系统设计和精度分析所涉及的结构参数;然后,在理论上推导了通过摄像机标定的系统外参数与统结构参数的之间的关系;最后,通过标定实验在计算机中解算出了双目系统的外参数,进而测量了双目视觉系统的结构参数,获得了比较精确的系统结构参数。     

基于无损切换的无人机自主空中加油技术研究

提出了基于无损切换的无人机自主空中加油解决方案,建立了包括无损切换的双目视觉传感器、激光测距传感器以及扰动影响的无人机和硬式加油管的仿真系统;研究了近距离逼近与自动对接阶段的无损切换算法,双目视觉特征点识别与位姿估计算法,双目视觉测量与激光测距融合算法,分别对近距离逼近与自动对接阶段的位姿测量进行了仿真验证。结果表明,本技术方案可实现近距离逼近和自动对接的相对位姿精确测量,且具有较强的实时性、准确性和鲁棒性,保证了自动空中加油的平稳跟踪引导和自动对接。     

材料缺陷视觉检测及公差测量关键技术研究

在研究分析了竹板基材外形特点、表面缺陷特征的基础上,设计了竹板基材缺陷视觉检测及公差测量系统;根据双目视觉原理,经曲线曲率特征匹配方法,可计算得到光条上曲率绝对值最大值点的空间位置和深度;结合基材尺寸的公差测量方法,可实现基材宽度与厚度的测量;针对竹板基材纹理表面的复杂性,提出了基于小波分解与聚类思想的基材缺陷检测算法,实现了对基材缺陷的视觉检测:并用实验进行了验证.     

基于双目视觉和惯性器件的微小型无人机运动状态估计方法

针对微小型无人机(UAV)自主运动状态估计问题,提出了一种基于双目视觉和惯性器件的微小型无人机运动状态估计方法,运动状态估计系统由微惯性测量单元(MIMU)和2个摄像机组成.根据微惯性测量单元的输出更新无人机运动状态,同时由摄像机获得周围环境的图像序列,从序列图像中提取特征点,并对这些特征点进行匹配、跟踪,测量序列图像...     

基于亚像素的圆孔几何参数立体视觉高精度测量

针对工业现场当中圆孔尺寸测量的问题,提出了基于亚像素边界提取和圆拟合的圆孔几何参数双目立体视觉高精度非接触测量方法.该方法包含了经过Canny算法的一次边界定位后的基于灰度矩的亚像素边界二次高精度提取算法,以及采用基于空间三维圆最优拟合求取空间圆的几何中心和半径等参数的算法.实验证明,该方法对于工件上圆孔的测量不仅提高了测量精度,并且减小了空间圆透视投影畸变引起的测量误差,从而满足了现场实验环境要求,保证了圆孔几何参数测量的高精度和高速度.     

航天器大型柔性太阳翼挠性形变视觉测量优化设计

精确辨识出太阳翼的挠性参数有助于修正太阳翼动力学模型,为航天器控制系统的优化设计提供依据。基于非接触方式的在轨双目视觉测量可以最大程度保留太阳翼的完整性和功能性。讨论了美国、俄罗斯开展的太阳翼视觉测量在轨试验和标志物选择情况,针对未来航天器大型柔性太阳翼形变的在轨测量需求,设计了一种兼顾大视场和高精度的两组双目相机测量方案,给出了一种快速、高可靠地目标点检测和匹配算法,仿真结果表明该算法可有效提高测量精度。针对阴影区中不同照明条件下的标志点尺寸和材料的选择进行了试验研究,为在轨验证提供了依据。最后分析了不同观测角度时目标点的测量误差。     

基于立体视觉的板料成形极限应变测量

设计并实现了一种基于双目立体视觉和数字图像相关方法的板料成形极限应变测量系统-BOSAS(双目视觉应变测量分析系统),对其中的关键技术作了深入讨论.该系统可以克服传统坐标网格方法很难进行变形过程的动态监控、自动化程度不高等局限,并可计算试件各变形阶段全场应变分布,以及重建不同变形时刻下试件的几何外形.将分段位移传递法和有限应变理论相结合,可计算大变形下的极限应变.对深冲铝板6016以及航空铝板2A12-T4、2A12-O、7B04-O等材料的应变测量结果显示本文方法适用于板料成形三维变形及极限应变的测量,并将测得数据与由坐标网格方法测得的数据进行比较,结果表明本文方法测量准确、可靠.     

基于视觉的模型烧蚀形貌实时测量方法

针对电弧风洞试验时模型烧蚀形貌实时的变化问题,使用数字散斑相关结合双目视觉的方法直接测量得到了模型烧蚀过程的形貌变化历程。利用散斑相关来进行图像数据的处理,同时综合了亚象素相关算法。通过测量获得了模型烧蚀过程的形貌实时变化情况。标定结果表明标定精度达到了0.02 mm;试验结果表明,测量方法可以为分析平板模型随烧蚀时间变化而变化的特性提供有效的试验数据。     

双目视觉敏感器的高可靠数据流设计

首先介绍了两机结构的航天器双目视觉敏感器(BVS),分析了其通信数据流.针对其内部串口、外部总线通信特性以及BVS特殊运行流程,对数据流进行了整合、优化,确保敏感器的高数据更新率可行性.同时针对复杂通信数据冲突问题,对BVS两个计算机嵌入式软件的流程进行了可靠性改进.实验结果证明,该方法能够确保BVS的长期稳定运行,实现了两套普通单目相机敏感器硬件不变的情况下,仅通过一个串口连接,搭建双目相机.该方法已用于在轨实验中,并可应用于后续所有航天器在轨双目图像实验任务中.     

基于改进ORB-GMS-SPHP算法的快速图像拼接方法

针对传统图像拼接算法存在拼接速度慢、图像拼接有色差等问题,提出了一种基于ORB-GMS-SPHP算法的大视场多图像拼接方法。该方法首先利用高斯函数构建尺度空间,将高斯尺度空间划分为多个网格,在每个网格内借助FAST算法提取尺度空间特征点,使用BRIEF算法提取描述符并匹配,得到更加均匀分布的特征点;然后使用运动网格统计算法筛选匹配点;最后采用SPHP算法融合图像重叠区域,从而得到完整的拼接图像。将改进的ORB-GMS-SPHP算法与现有的传统特征点匹配算法在特征点匹配精度和特征点匹配速度进行对比与评价,验证了该方法特征点匹配速度快、精度高,并且可以保留更多的正确匹配点的特点。将该拼接方法与传统拼接方法在拼接速度、图像配准均方误差RMSE以及视觉主观判断拼接色差进行对比与评价,验证了该拼接方法具有较快的拼接速度、更高的拼接精度和无明显色差。该方法在2 736像素×3 648像素图像中,特征点匹配时间降低至6.463 s,图像配准精度RMSE降低至3.87。实验证明该方法特征点匹配速度快、精度高,且拼接精度高、无明显色差。     

双目视觉系统的立体标定与校正

双目视觉系统的立体标定与校正是立体视觉的重要环节,也是研究的关键领域。本文简述了图像、摄像机坐标系和世界坐标系及其相互之间的关系,给出了摄像机标定、立体标定与校正的基本原理;在完成单个摄像机标定的基础上进行了立体标定,并应用Bouguet算法进实现了双目视觉系统的立体校正,得到了双目视觉系统的重要参数旋转矩阵与平移向量,并将双目视觉系统校正为数学意义上的前向平行对准结构。     

无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法

对无人直升机(UH)视觉着陆中基于视觉图像处理的运动状态估计问题进行了研究。介绍了视觉着陆原理,分析了运动估计、特征图像处理与着陆控制间的关系,推导并建立了UH相对着陆平台位姿估计算法、线速度与角速度估计算法。相邻两帧图像对应特征点像点位置为位姿估计算法提供数据,一帧图像特征点像点位置及其对应像点平移速度为线速度与角速度估计算法提供数据。利用UH着陆控制仿真数据模拟UH着陆运动过程中像点位置及其对应平移速度的视觉图像处理结果。仿真验证了运动状态估计算法,结果表明所提出的运动状态估计算法能有效地利用视觉图像处理结果数据估计出UH的位置、姿态、线速度和角速度。     

火星降落伞开伞过程形态参数辨识与应用

针对柔性目标降落伞开伞过程的形态变化大、光照强度变化大、运动规律性差、存在遮挡等问题，提出了一种基于多算法融合的视觉测量技术的降落伞开伞过程形态参数辨识方法。首先，设计了具有视觉测量靶标功能的降落伞图案，提供了丰富的具有可区分度的标记点，能够准确地对定位点进行跟踪和测量，并开展了双目相机内、外参标定。其次，提出了应用对极几何原理，采用基于暗通道的图像增强技术，提高了图像质量，有效地减轻了各种噪声和过曝光等环境因素的影响；采用稀疏编码超分辨率重建算法，改进了特征点的像素级提取，实现了高精度的亚像素级特征提取；采用特征跟踪扩展卡尔曼滤波算法，提升了特征匹配跟踪的精度和效率。最后，通过全尺寸高空开伞试验的验证，结果表明该方法能够达到较高的辨识精度，具有较好的准确性和鲁棒性。此方法在中国首次火星探测“天问一号”探测器上成功得到了应用，精确地从双目影像中辨识出降落伞开伞过程形态参数，对设计和分析降落伞开伞工况提供了重要的技术参考和数据积累。