虚拟轴机床定位方法

提出一种基于改进的多传感器一致性数据融合的虚拟轴机床定位方法,在虚拟轴机床动平台的位姿测量中使用了视觉技术与电子罗盘,解决了虚拟轴机床动平台上的主轴定位问题。此方法将虚拟轴机床各根杆上的编码器信息、视觉信息与动态惯性的测量数据进行数据融合,经过动态计算获得置信距离的关系矩阵,虚拟轴机床动平台的位置与姿态的精确定位得到了保证。经过一个单轴单方向的运动测量简化试验,将虚拟轴机床动平台6自由度位姿的测量作为研究对象,对其进行仿真试验。试验结果也表明了该定位方法有效可行。     

虚拟轴机床定位方法

提出一种基于改进的多传感器一致性数据融合的虚拟轴机床定位方法,在虚拟轴机床动平台的位姿测量中使用了视觉技术与电子罗盘,解决了虚拟轴机床动平台上的主轴定位问题。此方法将虚拟轴机床各根杆上的编码器信息、视觉信息与动态惯性的测量数据进行数据融合,经过动态计算获得置信距离的关系矩阵,虚拟轴机床动平台的位置与姿态的精确定位得到了保证。经过一个单轴单方向的运动测量简化试验,将虚拟轴机床动平台6自由度位姿的测量作为研究对象,对其进行仿真试验。试验结果也表明了该定位方法有效可行。     

基于STM32的姿态检测仪设计

动作姿态的识别对于人工智能等方面的应用具有重要的意义。基于STM32单片机和MPU9255姿态检测传感器开发了姿态检测仪,实现了动作姿态检测与分析。由MPU9255传感器采集每个运动点的X、Y、Z三轴的角度和加速度,通过互补滤波技术计算得出Roll角和Pitch角等信息,分析得出具体的动作姿态,并通过无线方式上传人体姿态及动作信息。     

物联网室内运动目标协作信息融合跟踪方法

物联网领域室内运动目标识别与跟踪是当今研究与应用的热点.提出一种基于RFID识别定位技术与CCD视频信息相融合的室内运动目标识别跟踪方法.首先利用RFID及提出的扩展虚拟参考标签定位方法对目标进行身份识别与粗定位,利用此信息指导多CCD开启或休眠,应用背景差分法对CCD监控图像检测目标并进行多视角融合实现较精确定位,最后通过加权平均得到运动目标位置.该方法融合了RFID快速识别定位及CCD视频定位准确的优点,实验结果表明,提出协作信息融合方法可有效提高室内目标跟踪准确度与实时性.     

人体运动跟踪中MEMS姿态测量单元设计与测试

人体运动姿态的实时跟踪在运动员辅助训练和康复医学中有广泛应用.设计了应用于人体运动姿态测量的MEMS姿态测量单元.该姿态测量单元包含三轴正交的MEMS加速度计、磁强计和角速率陀螺,集成微控制器以及扩展数据存储的FLASH芯片,单元大小为38 mm×28 mm×13 mm.姿态角解算采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法.提出了一种利用单轴转台和楔角器进行姿态测量单元3个姿态角误差测试的新方法.测试结果表明:3个姿态角测量误差均小于2°,满足人体运动姿态测量的精度要求.     

基于运动微分方程与加速度的刚体运动姿态算法

对运动刚体上点的轨迹、速度、加速度与刚体运动姿态之间的关系进行研究,提出了一种由刚体上非共线三点的线加速度解算刚体空间姿态角的方法.利用刚体上点的运动学方程与瞬轴性质导出刚体角速度与刚体空间姿态角的关系,进而由其微分形式得到刚体上不共线三点的线加速度与刚体空间姿态之间满足的微分方程组.通过空间RCCC机构正向求解瞬轴与反向求解姿态角的方法对上述算法进行验证,结果表明,该算法可以应用于机构空间运动姿态的求解中.     

单目视觉和惯性导航的四旋翼飞行器设计

针对姿态测量中存在的机械振动问题采用了滑动滤波的方法进行处理。对机体的三个轴分别建立了线性状态方程,从而使用卡尔曼滤波对陀螺仪与加速度计的数据进行融合,有效的消除了传感器的测量误差。在此基础上设计了串级PID进行姿态控制。由于姿态与位置的强耦合关系,使得姿态稳定前提下,配合单目摄像头测量的位置信息,使用单级PID就可以获得很好的位置控制效果。实验结果表明姿态测量精度满足要求,并且取得了很好的控制效果,实现了飞行器稳定悬停飞行。     

基于加速度计和磁强计的非开挖定向钻进无线姿态测量

针对非开挖定向钻进的特殊要求,描述了一种无线定向钻进姿态测量系统,对系统具体的结构以及姿态测量方法同时进行了详细说明.该系统采用三轴微加速度计和三轴磁阻传感器作为姿态敏感器件,实时获取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息.该系统具有体积小、成本低、可靠性高等一系列优点,非常适合浅层地下定向钻进测量.     

利用加速度计和角速度仪的笔杆运动姿态检测

在笔杆上安装加速度和角速度传感器测量笔杆的运动姿态时,由于两种传感器的性质不同,再经过运算处理后,对测量结果精度的作用也不同.为此,本文利用3种卡尔曼滤波观测模型,分析比较了只利用加速度传感器、只利用角速度传感器以及同时利用加速度和角速度传感器数据3种情况下估计笔杆运动姿态的结果及特点.实验表明,角速度传感器可以较准确地确定角速度,但角度累计误差较大;加速度传感器的静态分量可以较准确地确定姿态角度,但对角度变化不灵敏,两者结合起来可以互相弥补欠缺,有利于笔杆的运动姿态检测.     

基于互补滤波算法的四轴飞行控制系统设计

针对目前大多数飞行控制系统姿态信息获取不全、数据融合算法复杂等问题,对四轴飞行器的姿态数据采集、传感器数据特性、数据融合、飞行控制模型等方面进行了研究,对四轴飞行器的多传感器数据融合的特点进行了归纳,详细介绍了互补滤波算法的实现过程,设计了一种基于互补滤波融合算法的四轴飞行控制系统。采用了陀螺仪、加速度计和电子罗盘作为传感器组,将其用于多种姿态信息的获取,通过使用经典的PID控制器实现了飞行器的控制算法,在STM32平台上完成了飞行控制系统的软、硬件设计。最终,在制作完成的硬件上,对数据融合算法的效果进行了比较和分析。研究结果表明,该设计能够高效地融合MEMS与GMR传感器的数据,解算出的姿态角可靠性高,可以满足四轴飞行器的飞行控制要求。     

机载设备安装姿态视觉校准中的靶板标定

基于飞机机载设备安装姿态视觉校准系统Archer-M的研发,提出针对系统中姿态测量辅助靶板的标定方法。首先,利用摄像机从不同方位拍摄靶板图像,在相差一个尺度因子的情况下确定靶点位置关系。然后,利用单个发光二极管（LED）靶点的多次精确移动和图像叠加的方法恢复绝对尺度,求解靶点的相对关系。最后,通过精确控制靶板的位姿运动,利用运动前后各坐标系之间的相对关系,求解出“靶/座"相对位姿,并进一步针对只用于物体姿态测量的靶板,提出了分别沿两个垂直方向运动的简化“靶/座"标定方法,从而大大降低了标定过程中对标定设备的要求。实验结果表明：距离为3~12 m时,姿态角度的测量标准差为0.004~0.017°,姿态测量精度与激光跟踪仪相当。     

基于四元数的机械海流计姿态解算

流向是海流测量中不可或缺的信息之一,可以通过解算海流仪姿态角的方式获得流向。目前,采用欧拉角微分方程式和方向余弦法计算姿态都存在着奇点或者计算量过大的问题。文章利用四元数的方法求解姿态变换矩阵,采用四元数四则运算组合简化计算过程,并基于6轴处理组件MPU6050和磁阻传感器HMC5883L设计电路和编程,最后在实验的基础上对算法可行性进行了验证。     

基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量

本文提出一种基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量方法,用以解决在轨捕获中非合作航天器的相对位姿测量问题。该方法以航天器本体和星箭对接环作为识别特征,识别过程无需人员参与;同时,提出一种基于空间几何约束的特征匹配方法,运用空间几何约束引导匹配,在完成匹配的同时可直接获取特征的三维信息,实现特征匹配与重构的一体化;最后,利用空间向量对非合作航天器的相对位姿参数进行解算,充分利用冗余信息,以提高解算精度。实验结果表明,在航天器本体尺寸为280mm、相对距离为2m的条件下,本文方法的姿态测量误差小于1.5°,位置测量误差小于4mm,能够满足空间非合作航天器在轨捕获的相对位姿测量要求。     

3D attitude measurement by means of spread spectrum modulated ultrasonic wave

Local position and attitude measurement methods are necessary for the navigation of autonomous robots and the other applications. In this paper, a 3D attitude measurement method is proposed. This method uses the spread spectrum modulated ultrasonic wave for the measurement of the pseudo-distance of each pathway between transmitter and receiver elements that are arranged in an array. The relative attitude between transmitter and receiver unit could be calculated from the relationship between these pseudo-distances. The use of spread spectrum modulation enables the high accuracy, noise tolerance, and coexistence of multiple transmitter devices by code division multiple access (CDMA) between transmitter and receiver elements. A pair of transmitter and receiver prototype for proposed method was manufactured, and the fundamental performance was examined in experiments. As a result, accuracy of σ=0.78 mm in the pseudo-distance measurement of each pathway between transmitter and receiver elements was confirmed, and about 0.01 rad resolution in the attitude measurement was also confirmed.     

Ultrasonic tomography based temperature distribution measurement method

The temperature distribution information plays an important role in industrial applications. Owing to the advantages such as non-intrusive sensing and low cost, the ultrasonic tomography (UT) is considered to be a promising method for temperature field visualization. The ultrasonic time-of-flight (TOF) measurement and the reconstruction algorithm are crucial for practical applications of the UT measurement. In this paper, a dual-threshold measurement method is proposed to ensure a high-quality TOF measurement. In view of the inaccurate nature of the reconstruction model and TOF data, a new reconstruction method that integrates the advantages of the Tikhonov regularization method and the least squares support vector machine (LSSVM) is proposed to improve the reconstruction quality. The experimental results were compared against thermocouple measurements and the results show that the temperature distribution can be reconstructed with the error of 1.3%, which validates the feasibility and effectiveness of the proposed Tikhonov-LSSVM reconstruction algorithm.     

大尺寸动态视觉测量系统的并行加速

由于现有以大数据量和计算量为基础的大尺寸动态视觉测量系统处理速度较慢,本文建立了一个高速大尺寸动态视觉测量系统,并对该系统涉及的特征点中心定位、编码点识别、相机定向等算法进行了并行化研究。首先,分析了在不同测量条件下各个主要算法的时间消耗情况及每个主要算法的并行性;然后,对常规的特征点中心定位和编码点识别算法做了介绍,分别提出了特征点中心并行快速定位和编码点并行快速识别算法,并详细说明了这两种并行快速算法的实现原理。最后,针对大量原子操作的问题,提出了线程束集体原子操作的优化方法。实验结果表明:在不损失定位精度和识别率的前提下,图像中包含300个点时的并行方案比串行方案的时间开销减少了42%,当点数达到20 000时,时间开销减少91%以上。实验显示提出的并行设计方案有效地提高了处理速度,解决了大尺寸动态视觉测量系统实时性差的问题。     

一种平面运动位姿的并联组合测量方法研究

基于特殊的测量环境需要，提出了用于平面运动位姿测量的并联组合测量方法。介绍了并联组合测量方法的测量机构组成和测量原理，并进行了可行性论证；通过建立误差模型，对几何误差源与原始测量参数的映射关系及其对最终位姿测量误差的影响进行了分析，仿真结果和实际应用测量数据验证了分析的正确性。所述并联组合测量方法构思新颖，结构合理，适用于具有一定特殊测量条件的高精度平面大范围运动过程位姿测量。如果在工程应用中有效地控制几何误差源的影响，该方法则具有一定的推广应用价值。     

大型散货堆体积的快速测量

针对现有散货测量系统对堆场环境适应性差、盘点时间长、效率低、操作复杂等不足,提出了一种散货堆体积快速测量方法。同时,利用二维激光扫描仪、差分GPS和姿态测量系统设计了一种体积测量系统。该系统用激光扫描仪动态测量堆体表面的几何信息,用姿态测量系统实时测量扫描仪的空间姿态数据,用GPS测出扫描仪在测量过程中的三维位置;最后通过数据融合计算形成堆体的三维点云,利用点云获得散货堆体积。文中基于单条堆体轮廓点云特征,提出快速堆体下边缘查找算法来去除扫描过程中地面点云的误差影响;采用投影剖分法完成完整堆体点云计算体积。实验显示,利用本文设计的测试系统可在30s内完成体积为69m3的标准堆体测量,平均相对误差为0.42%,重复测量误差为0.41%。在实际散货堆实验中,可在10min内完成大小约为31 500m3的散货堆测量,4个不同料堆体积测量的平均重复测量误差为0.74%。结果表明,本方法可在保证测量精度的同时,简单、高效地测量散货堆体积。     

Theoretical study of vertical slug flow measurement by data fusion from electromagnetic flowmeter and electrical resistance tomography

Electrical resistance tomography (ERT) can be used to obtain the conductivity distribution or the phase distribution of gas/liquid flows (e.g. slug flow). Using proper parameter models and flow regime identification models, the measurement of phase size, void fraction, and pattern recognition can be realized. Electromagnetic flowmeters have been used to measure conductive single-phase liquid flows. However, neither ERT nor electromagnetic flowmeters (EMF) can provide accurate measurement of gas/liquid two-phase flows. This paper presents an approach to fuse the information from ERT and an electromagnetic flowmeter. A model for the measurement signal from the electromagnetic flowmeter has been developed based on the flow pattern and the phase distributions, which are obtained from the reconstructed images of ERT, aiming to reduce the measurement error of the electromagnetic flowmeter and enhance the measurement accuracy. Through the simulation research of virtual current density distribution, the feasibility of fusion of electromagnetic flowmeter and ERT to measure gas/liquid two-phase vertical slug flow is verified. By theoretical analysis, the relationship between the output of electromagnetic flowmeter and flow parameters is established. The electrical potential difference of the electromagnetic flowmeter, average velocity, volume flow rate and gas void fraction between the bubble size and location are also investigated. The fusion approach can be used to measure vertical slug flows.     

基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法

超声内检测是油气管道缺陷的主要检测方式之一,目前超声内检测在工业小样本的情况下存在缺陷识别边界定位不准的问题。本文提出了一种基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法,该方法首先对超声回波进行特征提取,其中包含使用基于孤立森林的回波特征点提取,和基于自然断点法的特征点聚类;其次提出了风险相似性度量方法,并使用梯度提升树建立波形特征和风险程度的回归模型;然后将多维度缺陷相似性信息融合在选择性搜索算法中,实现小样本缺陷识别;最后使用异常分数等区域风险度量指标实现缺陷边界的精准定位。实验结果表明,本文设计的基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法的查全率和查准率分别高达95.08%和85.46%,能有效解决超声信号缺陷识别边界定位不准的问题。