三维形貌数字化测量关键技术研究

大型物体三维形貌数字化测量中,由于传感器单元测量区域小,所以空间图像拼接技术是实现整体测量的关键技术。提出了一种基于移动坐标测量系统实现空间图像拼接的方法,这种方法拼接灵活,适应性强,应用面广,而且可以根据需求进行测量空间扩展。相关试验表明,该拼接方法精度较高,空间距离拼接测量误差小于0.091％。     

基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法

针对大尺寸测量系统坐标统一化过程中公共点的测量误差不可控制的问题,提出了利用可现场溯源的标准器取代传统的独立公共点的方法。设计了一种标准器,并用更高精度等级的三坐标测量机对标准器上各个目标点之间的空间几何位置关系进行标定,把这些几何位置关系作为约束条件。现场应用中多站大尺寸测量仪分别测量标准器上的目标点,计算出各个几何关系与通过标定的约束关系之差,将这个差值与设定的误差限进行比较,确定公共点的测量值是否有效。对该方法进行了理论分析和仿真证明。提出了7参数坐标配准算法对大尺寸测量进行空间坐标数据配准。用激光跟踪仪和激光雷达及4个标准器进行现场实验,实验结果与传统方法相比,坐标配准误差得到降低。为了进一步验证该方法的有效性,把一根经过检定的基准尺放置于测量空间的12个不同位置,使用标准器约束前后的两组坐标配准参数分别计算基准尺长度的平均值和标准差。实验结果表明,使用标准器约束方法能够提高大尺寸测量系统坐标统一化精度。     

基于空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键技术。本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量。实验结果表明：基于空间编码的图像拼接新方法,可以实现大尺度三维面形的测量。     

一种非接触三维位置测量系统

某型导弹填装车为发射车自动装弹前,需要获得两车之间精确的相对位置关系参数.介绍了一种非接触三维位置测量系统,该系统由一组面阵CCD探测器、实时图像处理及快速数据解算系统组成,对三卤钨灯目标与测量系统之间x、y、z、α、β、γ的相对位置关系进行测量,介绍了测量原理,推导出了参数计算公式.实验表明,此系统测量精度满足用户要求,为非接触三维位置测量提供了新的思路.     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

自定心深孔参数测量装置及测量方法

深孔内径尺寸测量是大型精密仪器零件加工、制造、装配以及测量过程中的一项重要技术。在研究现有深孔测量方法的基础上,设计了一种具有自定心功能的深孔参数测量装置,背向设置的双锥体自平衡结构来实现测量主轴在被测深孔内的径向定心,对称布置的激光测距传感器进行孔径参数的实时测量,数据记录装置完成测量数据的记录与处理。与现有测量系统比较,该设计优于光杠式行走测量装置,可用于中大型精密仪器轴孔内径的高精度自动化在线测量。     

现场大空间测量中精密三维坐标控制网的建立

全局测量与精度控制是超大空间内精密测量的基础,决定着整体测量的性能和适用性。为提高整体空间测量精度,同时解决定向及尺度问题,必须在全局空间内布设高精度测量控制网。三维坐标测量作为几何量测量的重要代表,是建立控制网最直接且约束最强的控制条件。为建立大空间精密三维坐标控制网,采用激光跟踪仪多站位对空间全局控制点进行三维坐标测量,结合奇异值分解算法完成各站位的方位定向,并利用激光跟踪仪极高精度的测距值作为约束,对跟踪仪测角误差进行优化,进一步提高坐标控制网的精度。将该控制网建立方法应用于某飞机机翼表面形貌测量,实现激光跟踪仪全局控制与终端摄影测量的高效组合,以不同若干站位下全局控制点间距离比对结果表明该控制网对现场测量精度和可靠性的提高具有良好效果。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

单摄像机测头成像视觉坐标测量系统建模

本文提出了一种新型视觉坐标测量系统－－单摄像机测头成像视觉价值测量系统。提出了利用已知目标测头与被测表面接触实现视觉坐标测量的新思想,建立了确定目标测头三维（六自由度）运动的线性系统模型,实现了对被测表面的坐标测量,同时分析了系统分辨力。通信仿真验证了系统建模的正确性。     

Testing and calibration of coordinate measuring arms

Portable coordinate measuring arms with rotational axes have found their place in many industrial areas. To establish and confirm the accuracy of these measuring devices, related test methods and appropriate devices are needed. After an introduction, a new high precision measuring device for testing and calibration of portable coordinate measuring arms is presented. Analysis showed that the best results can be obtained with a device for measuring along a straight line adjusted in various spatial directions. We discuss the design and construction of this measuring system and provide a theoretical calculation of its measurement accuracy, which was confirmed by experiments carried out on a prototype of a high precision measuring device in both unloaded and loaded conditions.     

Research on optimal measurement area of flexible coordinate measuring machines

When we measure a workpiece in the optimal measurement area of the flexible coordinate measuring machines (FCMMs), the measuring precision can be improved. The flexible CMM’s measuring space is given. Then its spatial error distribution model is build by using support vector machine theory. Finally, the two solutions of the optimal measurement area are discussed and solved through experiments. The high precision measurement results can be realized by using a low-precision measuring machine without any increase in hardware manufacturing cost. This is of great theoretical value and practical significance for the flexible CMM’s further development.     

大尺寸回转体型面点坐标及形心轴线测量系统的研制

针对大型回转体型面测量问题,根据柱坐标机的测量原理,研制了大尺寸回转体型面点坐标及形心轴线测量系统。对影响系统测量精度的不确定度因素进行了量化分析。应用双频激光干涉仪和激光跟踪仪与该系统进行了测量数据比对。该系统不仅能测量回转体工件的任意截面点坐标和形心轴线,还可测量圆柱度、径向跳动、同轴度等,具有高精度、高效率、操作简单等特点。     

深孔内轮廓尺寸光学测量系统

针对深孔类零件对内轮廓尺寸的检测要求较高,而目前所采用的测量方法不是分辨率太低就是测量效率较低的问题,研究了一种用于深孔内轮廓尺寸的光学测量系统,该系统主要由环形激光发生器、扩束锥镜、成像锥镜和CCD相机组成。环形激光发生器发出的环形激光照射到扩束锥镜上,经反射后投影到深孔内轮廓某断面处形成一个环形光斑,该环形光斑的形状反映了深孔内轮廓某一处断面的形貌,并经过扩束锥镜反射后在CCD相机的光敏面上成像,经过处理和计算可以得到深孔内轮廓的尺寸。试验证明,该系统可以有效快速地实现对深孔内轮廓尺寸的测量,并能够保证较高的测量精度,在改善误差影响因素和采取相应的误差补偿办法后,可以进一步提高测量精度。     

摄影测量的动态测量应用

摄影测量技术是通过空间交会的原理计算出空间点的三维坐标.借助于高精度的照相机和快速图像处理器,摄影测量可以实现对多点的实时测量监控,从而计算出被测物的姿态、位置、形状以及它们的变化.通过数学建模,分析了摄影测量的动态测量原理,包括仪器部件坐标系的建立,活动部件坐标系的动态跟踪.并以比利时KRYPTON产品为例,介绍了典型摄影测量系统的应用技术,以及它们在航天航空汽车制造等领域中的应用实例.     

远距离三维坐标测量中双目视觉系统结构参数的优化

针对双目视觉系统对远距离大视场复杂地形环境下目标点三维坐标的测量,研究了优化系统结构,提高双目视觉系统坐标测量精度的方法。分析了系统结构参数对测量精度的影响,通过在监测区域内设置靶标对系统进行标定。测量时,将获取的目标点图像信息代入测量模型进行解算,从而获得目标点的空间三维坐标。仿真分析了系统结构参数中调平传感器精度以及系统布局方式对三维坐标测量精度的影响,得出了其误差影响趋势。在此基础上,提出系统调平传感器精度为±0.1°的要求以及系统合理的布局方式,为构建双目视觉测量系统的布局提供参考。对直径200m的区域进行了监测,结果显示目标点的相对定位误差均小于0.33%,满足系统的精度指标要求,同时使得系统现场架设更加方便快捷,避免了盲目性。     

A measuring method for large antenna assembly using laser and vision guiding technology

In this paper a new conception of a measuring method is proposed to assist precision automatic assembly of large radar antenna. Different from conventional 6-DOF tracking methods, the measuring system decomposes the measurement task into several independent steps. The measuring system consists of a camera, two laser distance meters, two position sensitive detectors (PSD) and an inclination angle sensor. The camera is adopted to guide antenna position and orientation adjustment over a large space. Laser meters and PSD sensor is used to precisely measure the position and orientation of radar antenna. To improve the practicability of measuring system, a robust vision measurement method is proposed. The mathematical models and practical calibration methods for measurement are elaborated. The preliminary experimental results agree with the methods currently being used for orientation and position measurement. The measuring method provides an alternative choice for the metrology in precision assembly. By using the method proposed in this paper, the measuring system can achieve a measurement accuracy of approximately 1 mm, which meets the accuracy requirement of large radar antenna automatic assembly application. Besides, the measuring method provides an alternative solution for large scale metrology which take the environmental impact into account.     

组合式超大尺寸测量技术在EAST装置中的应用

组合式测量技术是精密测试技术的研究发展方向之一,激光跟踪仪和柔性关节坐标测量臂都是便携式高精度三维测量系统,通过坐标转换等技术,把这两种仪器组合在一起,可实现对超大尺寸、隐藏点的高精度测量。根据EAST核聚变装置现阶段的实际情况,把这种组合式超大尺寸测量方法应用到EAST的装配定位测量过程中。利用该方法对装置进行初步实验测量,结果表明这种方法可以解决EAST核聚变装置装配过程中的复杂测量问题,能为解决如航天器、舰船、加速器等其它大型装置的精密测量问题提供借鉴。     

用于三维变形测量的数字图像相关系统

针对材料力学实验中的三维变形测量,提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定,图像相关算法,三维重建,以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法,该算法采用10参数镜头畸变模型,不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配,针对非线性优化初值难求的问题,提出了一种基于种子点的初值计算方法,为非线性优化提供了可靠的初值。最后,介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明,标定结果的重投影误差为0.03 pixel,图像匹配的误差约为0.02 pixel,静态外形及位移的测量精度为0.05%,应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比,本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。     

基于惯性基准的大尺寸空间角测量

针对大型装备装配过程中的大尺寸空间角测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法并且设计了相应的测量系统。该测量系统利用自准直原理获取被测轴线方向,通过内部陀螺仪和编码器测量被测轴线在惯性坐标系中的单位向量坐标,然后根据每个被测轴线在公共基准内的单位向量坐标值实现空间角的计算。建立了大尺寸空间角测量的数学模型,并对测量系统的测量不确定度进行分析和计算。最后搭建了测量系统的原理样机并利用原理样机在实验室进行了模拟测量实验。实验结果表明,原理样机的实际测量误差为14",满足了测量精度的要求。该方法采用惯性空间作为公共测量基准,有效地解决了测量大尺寸空间角时测量基准难以建立和传递的难题,使得测量过程更加灵活、高效。     

图像技术在微小零件几何尺寸测量中的应用

介绍了一种基于CCD图像的微小零件几何尺寸测量系统;给出了利用数字图像处理技术进行几何尺寸非接触测量的方法,主要包括图像的采集、预处理、二值化、边缘检测及轮廓提取等,从而得到被测物体参数的精确结果,并对测量精度进行了分析。通过实例证明了该方法的可行性和正确性。