多通道大视场目标定位仪的研制

研制了一种在大视场范围内可靠性高、功耗低的便携式目标定位仪器。研究了该系统采用的光、机、电、定位数学模型、标定方案以及在目标定位过程中根据像点识别对应通道的算法等。首先,根据大视场的要求设计了透镜阵列曲面分布的结构,加工了安放透镜的球壳基底,并将它们成像在同一个图像传感器上。采用折射透镜进一步优化了光路系统,从而改善了成像质量。编写了相应的驱动程序完成了图像的采集和数据高速传输,然后,建立了所设计复眼系统的定位数学模型,并对复眼成像系统进行了标定。最后,根据像点匹配通道算法,实现了目标的三维定位,并在此基础上进行了简单的三维零件轮廓测量。实验结果表明：系统对横向66°、纵向43°视场角的目标实际三维测量精度误差在2%左右,表明本仪器能完成大视场范围内的目标三维定位任务。     

提高仿生复眼定位精度研究

自然界中昆虫复眼的定位属于视觉定位技术的一种,其具有的大视场、小体积、高灵敏度的特点,满足了诸多场合对定位装置的要求。参照昆虫复眼研制的新型仿生复眼系统由复眼球壳、微透镜阵列、弯月折转透镜和大面积CMOS相机等组成,为实现复眼系统定位功能,需要先完成系统标定工作。针对系统标定过程中存在的图像光斑中心定位精度不足的问题,提出了基于能量对称的光斑中心定位算法,该算法首先需要完成复眼各子眼通道成像的传感器辐射响应标定,再根据能量对称的原则提取光斑中心坐标。并对该算法的定位效果进行试验验证。为了验证改进方案对复眼系统目标点定位精度的提升效果,在复眼系统60°视场内进行目标点定位试验,试验结果表明,方案改进前后整体角度误差最大值从4.92mrad降低到4.23mrad,定位精度提升约14%,表明改进方案对复眼系统定位精度起到了较好的提升效果。     

复眼位标器的标定与探测

介绍了一种新型大视场、高灵敏度的复眼位标器,用于探测低空飞行目标并快速获取目标物体的运动参数。叙述了复眼模型的结构和制作方法,并利用Zemax对子眼成像通道光线追迹考察其成像特性。介绍了复眼标定与探测方法。采用基于LM算法的神经网络训练,建立各个通道精确的物像对应关系。为了检验神经网络标定算法的效果,采用传统的基于二次多项式拟合的算法进行校正对比。仿真结果表明,神经网络算法可以提供更好的精度,从像点可以准确地预测主光线的方向角(10-3～10-4rad),而且具有易于集成,方便快捷的特点。此外,进行了目标定位检测的仿真实验,计算了若干目标点的坐标,结果表明各个坐标相对误差均在3%以内,对于牺牲空间横向分辨率来提升视场角的复眼光学系统,该结果符合目标探测的要求。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

基于仿复眼视觉成像的目标信息获取方法

目标信息获取是视觉测量的关键技术,提出了一种基于仿复眼视觉成像的目标三维信息获取方法.该方法根据复眼视觉成像原理,采用单摄像机和平面微透镜阵列进行成像,建立目标点和成像点之间的对应几何关系,利用归一化互相关窗口匹配算法,获得目标的深度信息,从而计算出其三维坐标信息,通过试验验证了该方法的可行性和正确性.     

多摄像机结构光大视场测量中全局标定方法

多摄像机结构光大视场测量系统,存在摄像机空间分布广、摄像机之间无公共视场角、标定模型复杂等问题。所以采用合适方法对多摄像机与结构光进行高精度全局标定非常关键。提出将二维平面靶标与一维靶标相结合,分步对摄像机及结构光进行全局标定。首先,综合考虑摄像机镜头畸变,采用二维平面靶标对单个摄像机内部参数进行离线标定。借助一维靶标对摄像机及结构光外部参数进行在线标定。将一维靶标上距离已知的共线特征点作为约束条件,逐个求解相邻摄像机坐标系之间外部参数。任选一个摄像机作为全局坐标系,通过相邻摄像机坐标系外部参数矩阵逐步换算,求解每个摄像机坐标系与全局坐标系外部参数。同理,采用一维靶标,至少获取激光平面上3个非共线特征点全局坐标,计算激光平面方程。最后,综合所有摄像机内外部参数、激光平面方程系数,建立多摄像机结构光大视场测量系统全局测量模型。标定试验和现场实际应用表明文中所提方法切实可行。     

多摄像机结构光大视场测量中全局标定方法研究

多摄像机结构光大视场测量系统,存在摄像机空间分布广、摄像机之间无公共视场角、标定模型复杂等问题。所以采用合适方法对多摄像机与结构光进行高精度全局标定非常关键。提出将二维平面靶标与一维靶标相结合,分步对摄像机及结构光进行全局标定。首先,综合考虑摄像机镜头畸变,采用二维平面靶标对单个摄像机内部参数进行离线标定。借助一维靶标对摄像机及结构光外部参数进行在线标定。将一维靶标上距离已知的共线特征点作为约束条件,逐个求解相邻摄像机坐标系之间外部参数。任选一个摄像机作为全局坐标系,通过相邻摄像机坐标系外部参数矩阵逐步换算,求解每个摄像机坐标系与全局坐标系外部参数。同理,采用一维靶标,至少获取激光平面上3个非共线特征点全局坐标,计算激光平面方程。最后,综合所有摄像机内外部参数、激光平面方程系数,建立多摄像机结构光大视场测量系统全局测量模型。标定试验和现场实际应用表明文中所提方法切实可行。     

结构光视觉传感器通用现场标定方法

建立结构光视觉传感器通用数学模型,提出一种基于平面靶标的结构光视觉传感器结构参数标定新方法.在测量空间不同位置多次随意摆放平面靶标,结构光投射在靶标表面,摄像机拍摄靶标图像.利用靶标上特征点及对应的图像点求解靶标坐标系到摄像机坐标系的转换.根据靶标平面与图像平面之间的同射变换获得结构光标定点在靶标坐标系下的坐标,并统一到摄像机坐标系下,在此基础上拟合出结构光方程.该方法获得标定点效率高,能胜任点、线、曲面等任何模式结构光视觉传感器的现场标定.试验结果表明,该方法具有较高的标定精度.     

基于视场分割的仿生复眼系统设计方法

针对传统大视场成像设备难以兼顾高分辨率和实时性的问题,通过模仿昆虫曲面多目复眼结构,提出一种基于多相机阵列的球面复眼设备设计方法.该方法利用相机原始矩形视场对预定视场进行分割,根据矩形视场存在水平、垂直 ２ 个视场角的特点,通过对球壳纬度层和经度层 ２ 个方向的分割,在无缝分割的前提下,最大限度地降低相邻相机间的重叠区域,提高相机的利用效率,降低系统复杂度.基于该设计方法,采用水平视场角、垂直视场角及分辨率为 ２００ 万的 ７ 个完全相同的相机制作了一款 ２ 层的仿生复眼,并利用该设备实现了视角为 ７９．５° ,分辨率为 １２００ 万的全景成像,证明了该设计方法的有效性.     

大视场双目视觉传感器的现场标定

分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,针对大视场视觉测量应用,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法.在测量空间内任意多次摆放基线尺,由两摄像机拍摄基线尺图像.利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化相结合的方法同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数.该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数.实验结果表明,该方法适合双目立体视觉传感器的现场标定,在6 000 mm×4 500 mm的范围内可以得到0.06 mm的测量精度.     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

Hand–eye calibration and positioning for a robot drilling system

In the aircraft manufacturing, drilling large amount of assembly holes in aircraft board is one of the key bottlenecks of production efficiency. To enhance the efficiency and quality of assembly holes' manufacturing, robot drilling system replacing manual operation becomes more and more urgent. Normally, a robot system needs accurate mathematical models of the manufactured object and the environment when it's working; as a matter of fact, because of the manufacturing error, the homogeneity between aircraft board and its mathematical model is dissatisfied. So a hand–eye vision system is introduced to realize the positioning of the end effector in order to improve the flexibility and robustness of a robot drilling system. The paper discusses the calibration and positioning of a hand–eye vision system for a robotic aircraft board drilling system. Because the drill must be vertical and keep a fixed distance to the aircraft board surface before drilling, the depth information of hand–eye relationship is neglected and by defining an intermediate scene coordinate system the hand–eye relationship between the robot coordinate system and the vision coordinate system is established. Then the position of target point can be described in the robot coordinate system by using the calibrated hand–eye relationship, and thus the navigation information for the robot drilling system can be provided. Experimental results of the calibration and positioning of the hand–eye vision of a robot drilling system is provided, and the main factors that affect the positioning error are analyzed.     

球形靶标中心成像点的高精度定位

为提高球形靶标中心在像平面上成像点的定位精度,研究了球形靶标成像理论及球心成像点定位方法。建立了空间球在摄像机系统下的投影模型,结合空间解析几何理论,证明了球形靶标的透视投影特性。推导出了球心成像点坐标的精确表达式,并结合测量实际给提出了球心成像点的高精度定位方法。利用仿真实验建立了球心投影畸变误差模型并分析了相关影响因素。最后,结合陶瓷标准球进行了视觉系统位姿参数标定实验。结果表明,该定位方法求得的空间球球心重投影误差比传统的球心成像坐标定位方法产生的重投影误差平均减少了36%,位姿参数稳定性相对提高了40%。得到的结果验证了该球形靶标中心成像点定位方法精度高,鲁棒性强,可应用于基于球形靶标的视觉标定或测量中。     

基于三点透视模型的线结构光系统标定方法

针对现有线结构光传感系统标定过程中对设备要求高、标定过程繁琐等问题,提出一种基于三点透视模型的快速标定方法。引入一个可自由移动的平面靶标,靶标上只需要共线、且相互位置确定的三个特征点,利用共线三点建立三点透视数学模型,根据三个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息,就可以获取光平面上标定点在摄像机坐标系下的坐标。平面靶标在视觉范围内任意移动几个位置,得到光平面上多个标定点坐标,从而确定光平面方程。实验证明,该方法平均相对测量误差小于0.8%。该方法不需要昂贵的辅助调整设备,也不需要求解坐标系之间的转换矩阵,简单、快速,适合现场标定。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用

为降低投影距离的定位误差，保证轨道车辆在焊接过程中的施工精度，基于激光线投影技术设计轨道车辆全位置焊接控制系统。设计光学反馈模块，确定机械光源、摄像机和镜头的结构参数；设计嵌入式平台，基于数据控制单元，实现数据的接收、连接、终止与处理。通过计算水平角与俯仰角的偏差值，自动建立轨道车辆焊接位置坐标系，计算激光投影误差，在旋转坐标下获取高斯分布的模版参数，实现激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用。在实验中，对比4种不同焊接方法在X轴、Y轴、Z轴中对目标点的定位误差，结果表明，目标点的定位误差会随投影距离增加而增加，其中激光投影技术在投影距离不超过5 m时的定位误差均小于3 mm,可见该方法的控制精度较好。     

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展，如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化，导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响，精度降低。针对上述问题，设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法，能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引人折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明，提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息，可测量水下目标的尺寸信息，距离目标30~80cm 时测量精度达到0.2mm，满足了水下目标三维高精度测量要求，     

基于普吕克直线的多线结构光视觉传感器标定方法

针对多线结构光系统的快速标定,提出了一种基于普吕克直线的标定方法。传统的线结构光标定方法大多以单点的形式进行提取和坐标系转换,从而获得平面方程。然而单点数量较多会导致操作复杂,不适用于多线结构光的标定。为了解决这个问题,提出了一种新的标定方法,该方法在标定过程中全部采用普吕克矩阵的形式,而不是直接使用点特征。该方法有利于在摄像机坐标系下快速准确地获得光平面方程。同时设计了一种与该方法相对应的用于标定多线结构光的平面标定靶标。为了将一般直线转换为普吕克直线,将图像平面维度延展,定义了一个新的图像空间。为了对普吕克直线的坐标系进行转换,重新表达了基于普吕克直线的透视投影模型。基于普吕克空间中直线与平面的性质,对多条结构光线的普吕克矩阵进行合并即可高效地构造出线性的矩阵方程,从而进一步拟合出结构光平面方程。实验验证了所提方法并证明了校准精度的显著提高,当测试距离为1.8 m时,测量得到的三维点的RMS误差在0.08 mm之内。