基于坐标配准的牙颌测量点云拼合技术研究

针对牙颌等待测物非接触式光学三维测量,提出了一种融入标定功能的夹具设计方法,实现了测量过程中待测物与标定靶的空间一致性;定义了单目视觉测量过程涉及到的坐标系统;提出了一种基于坐标配准的点云拼合技术,简化了点云拼合流程,实现了点云拼合理论零误差;应用张正友标定方法对摄像机进行了标定;通过实验验证,得到了具有一定精度的牙颌三维模型点云拼合数据,实现了较快的测量速度,为提高牙颌测量系统的整体精度提供了有力支撑。     

叶片型面在线自动测量方法

为了实现叶片型面的在线自动测量,提出了一种基于机器视觉技术和机器人相结合的叶片型面测量方法。通过机器人带动叶片回转,由扫描仪获取不同视角下叶片型面的点云数据,根据旋转拼接原理将点云数据拼接到一起,完成叶片型面的测量。阐述采用机器人进行旋转拼接的原理,提出一种自动标定机器人法兰盘回转轴线的方法,利用该方法可在线完成扫描仪与机器人法兰盘之间位置关系的标定。试验表明,该方法简单有效,拼接后的叶片表面光滑,无分层现象,可实现叶片型面的在线自动测量。     

结构光三维重构中拼接技术的应用

采用结构光投影法,通过摄像机标定技术得到被测物体表面的三维点云数据。根据重构目标采用旋转平台拼接或者标志点拼接,将不同视角下测量所得到的点云数据转换到同一坐标系下。实验证明,旋转台拼接技术能较好的实现小型物体的三维拼接,而标志点拼接技术则更适合运用在大型物体的拼接。     

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，     

Attitude-sensor-aided in-process registration of multi-view surface measurement

A novel method for in-process registration of 3D point clouds scanned from different views is presented. A miniature attitude sensor, which can output its pitch, roll and yaw angles in real-time, is mounted on the scanner. The relative pose between the attitude sensor and the scanner is calibrated in advance by a simple yet effective algorithm. When the scanner is moved from one standpoint to another in a measuring process, the real-time readings of the attitude sensor is utilized to compute the rotation movement of the scanner. After applying the rotation transformation to the current point dataset, the translation movement is efficiently determined by exploiting the normal vector constraint between the correspondence points. The rigid transformation obtained fully automatically can serve as a qualified initial estimate for further fine registration. Experiments demonstrate the applicability of the proposed method.     

转台误差对数字天顶仪轴系误差的影响

针对数字天顶仪在定位过程中存在的的轴系偏差,研究了如何对光轴与旋转轴、旋转轴与垂直轴之间的角度偏差进行补偿的方法。为了高精度地解算出测站点位置垂直轴的天文坐标,采用对称位置的两幅星图直接解算旋转轴的坐标,从而避免了光轴与旋转轴之间的补偿。采用双轴倾角仪测量倾角,并对旋转轴进行倾角补偿得出垂直轴的位置坐标。考虑进行轴系补偿时,转台误差会对旋转轴坐标和倾角补偿造成影响,分别研究了转台误差对于旋转轴以及倾角补偿的影响,并得出了转台误差的范围。实验结果表明:当测站点纬度的绝对值小于或等于88.3°时,转台误差必须小于或等于35″;当测站点纬度的绝对值大于88.3°时,转台误差值要小于|1 166.8cosδ|″。在对称位置解算测站点位置坐标时,必须提高转台的精度,以减小转台误差对于定位精度的影响。     

Global calibration method of multi-sensor vision system using skew laser lines

Multi-sensor vision system plays an important role in the 3D measurement of large objects.However,due to the widely distribution of sensors,the problem of lacking common fields of view (FOV) arises fre...     

野外大视场单相机空间坐标测量系统的快速标定

针对靶场现场监测范围大,相机焦距不固定,相机空间位置及角度各不相同的情况,为实现对弹落点空间坐标位置的高精度自动测量,提出了一种在野外大视场环境下使用的基于单相机空间坐标测量系统的快速标定方法。首先,在小孔成像模型的基础上,通过GPS测量获得视场内两个标定点及相机在大地坐标系中的坐标;然后读取标定点的像素坐标,根据对角相等及最小二乘法实现焦距与旋转矩阵的分步标定;最后在保证标定精度前提下,略去主点的标定过程,确定相机主点为理想主点位置。实验结果表明,在测试距离1km以外,对视场宽度为200m的区域进行监测时,校验点相对定位误差低于0.25%。该相机标定方法不需要高精度靶标,操作简单,适用于野外大视场环境下单相机空间坐标测量系统的快速标定。     

基于重定位的叶片机器人磨抛系统手眼标定算法

针对叶片机器人磨抛系统中手眼标定存在人工误差、二次误差等因素导致标定精度差等问题,提出了一种基于"重定位"的手眼标定算法.以拍照式三维扫描仪为标定对象,分析机器人手眼标定数学模型,提出利用标准球在机器人末端坐标系中绕工具中心点做定点变位姿运动的标定方案.通过最小二乘法计算扫描仪坐标系下的"重定位"中心坐标,并根据多空间...     

Study and development of a low cost “OptInertial” 3D scanner

The 3D scanner domain normally relies on the presence of many tools and technologies. They are mainly divided between contact and non-contact ones, but at present a new trend is coming up, starting from the articulated arms family, where the traditional mechanical joints, allowing flexible measures on complex objects, have been replaced by handy scanner with laser trackers, or with markers. These new systems have the advantage to get the entire object shape without changing the object position itself, but moving the scanning device without the involvement of long software alignments and post treatment operations. Anyway, the use of laser trackers obliges the operator to maintain the scanner head always visible, while the marker usage is quite critical because the measure precision depends strongly on the marker position. Starting from these considerations, the research project presented in this paper has been focused on the design and development of a flexible 3D scanner, without trackers and markers, that merge low-cost optical technologies together with low-cost inertial sensors. Thanks to this synergy, the developed 3D scanner is able to measure the three-dimensional shape of the object recording its movement and transferring it to a control unit for obtaining a point cloud. The paper presents the main concepts of the 3D scanner design and is concluded by an experimental phase made with the use of a benchmark.     

一种全站仪免置平实现的刚体六自由度测量方法

刚体六自由度是机械系统重要参数,其测量既可应用于运动学与动力学理论模型的验证,也可作为已知条件求解系统的约束反力等动力学分析。针对目前六自由度测量对仪器需求高、操作复杂的问题,提出一种基于常规测绘仪器全站仪实现的世界坐标系下刚体六自由度的测量方法,特点是通过全站仪测量分别设置在世界坐标系（World coordinate system,W系）和刚体的体坐标系（Body coordinate system,B系）一组已知控制点,即可实现刚体六自由度的测量,而且测量过程中全站仪无须置平操作。论文基于矩阵分析法分析了本全站仪免置平测量六自由度方法的原理,提出了数学模型并通过最小二乘法和奇异值分解相结合,实现模型的解算,在此基础上提出了本方法完整的应用步骤。利用SGT320E型三轴多功能转台与KTS460RM全站仪对本文方法进行了试验验证,并进行了相关误差分析。结果表明,全站仪免置平实现的刚体六自由度测量所得欧拉角精度（按Z-Y-X旋转顺序）分别为2.738°、3.424°、2.344°;刚体质心位置精度（按X-Y-Z顺序）分别为0.006 m、0.013 m、0.009 m,证明全站仪免置平测量方法理论和实践应用的可行性,可以满足多体机械系统中刚体六自由度的测量需求。     

基于2D激光扫描的基准检测技术研究

在机器人自动制孔系统中,基准孔检测的准确性会直接影响整个机器人制孔过程的位置精度。为获取基准孔孔位准确信息,采用激光扫描的方式对基准孔进行检测。设计了2D线激光扫描在基准平面内点云的三维转化方法,通过分析基准孔在扫描仪坐标系下点云的分布特点,提出了一种基于坐标差值的基准孔边界提取算法。通过设定相邻点云在线激光扫描仪坐标系下z轴的坐标差值获取边界点,实验验证该算法能有效地去除点云中的噪声点,获取准确的基准孔边缘特征信息,进而得到准确的基准孔孔位信息。     

磁流变抛光系统去除函数的原点位置标定

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试,实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定,对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件,应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液,对抛光轮直径为360mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定,单次标定精度达到0.030mm。实验结果表明:本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠,能够满足磁流变抛光技术的修形需求,可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。     

基于改进棋盘的角点自动检测与排序

考虑采用传统黑白棋盘进行相机自动标定时角点排序结果受标定模板旋转角度影响较大,本文设计了一种改进的棋盘标定模板及相应的角点自动检测与排序算法。新的标定模板通过增加4个长方形边界滤除复杂背景,增加沙漏状图形确定排序原点,从而使得排序结果适应于模板的旋转。针对新的标定模板提出了一种基于对称象限灰度交叉熵的角点检测算法,该算法通过抑制局部非极大值以及筛选矩形边界实现了角点的像素级定位,然后采用Frostner算子解算了角点的亚像素坐标。针对角点检测结果,采用曲线拟合并结合角点至原点的距离信息实现了角点自动排序。实验结果表明:得到的角点检测结果正确,亚像素解算坐标与Matlab标定工具箱的检测结果误差小于0.8pixel,排序结果对标定模板的旋转具有不变性,易于实现在线标定。     

细丝法测量三轴转台的轴线相交度

将一细丝固定于三轴转台的内环轴线上，使外环轴，中环内环轴处于不同的角位置，用经纬仪测量细丝上某点的水平角的变化，从而测试了三轴的相交度，通过建立坐标系，并用齐次变换法推导了坐标系之间的位姿关系，从而得出了三轴相交度的算法。     

基于机器视觉的散乱柱类零件抓取系统

针对散乱摆放的柱类零件抓取问题,提出一种基于圆柱拟合的散乱柱类零件识别抓取系统。首先,采用直通滤波,离群点去除和体素滤波降低密度采样对点云数据进行预处理,然后使用平面拟合算法去除载物台点云,接着使用区域增长算法将不同圆柱的点云分离,由于分割后的圆柱点云存在大量噪点,采用随机抽样一致法和最小二乘法相结合的方式去除噪点,拟合圆柱面,最后将点云重心向圆柱轴线投影,得到准确的柱体中心。实验证明该算法鲁棒性好,精度较高,适用于柱类零件抓取。     

地面激光扫描标靶的优化布设

地面三维激光扫描仪在监测变形时,需利用标靶进行多期数据的配准,因此标靶配准的精度直接影响测量误差。为了提高配准精度,对不同标靶布设方案进行了测量误差分析。实验分别利用25,50,100,150和200m的M1~M8靶点进行配准,然后通过对比两期数据的目标点坐标,得出不同标靶布设距离的测量误差,并对实验误差进行系统分析。实验结果表明:三维激光扫描仪标靶的最佳位置在距离扫描仪50m左右处,且当匹配存在角度偏差时,在同方向上被测目标的测量误差会增大。通过不同标靶布设方案的实验研究得出标靶的最佳布设方案和注意事项,可为实际边坡工程监测的标靶布设方案提供参考。     

旋转调制式激光捷联惯导安装误差分析与标定

双轴旋转调制技术可以实现对陀螺漂移和加计零偏的调制,从而极大地提高惯导系统的精度,以满足船用惯导高精度的导航需求.由于单元体一直作连续正反旋转运动,传统的位置法和速率法无法对该系统进行标定.提出了一种基于三轴转台和单元体自旋转的误差标定方案,实现了对系统误差的快速精确标定.其中旋转轴和陀螺及加计敏感轴间的不正交角标定精度优于1",陀螺、加计敏感轴间的不正交角标定精度优于2".海上试验表明,误差标定结果满足了系统1 nmile/24 h的导航要求,具有较高的工程应用价值.     

激光测量标定机器人坐标系位姿变换的正交化解算

针对大型装备智能制造中的机器人在线位姿激光跟踪测量与实时引导需求,提出了一种机器人坐标系与激光测量坐标系标定转换和解算方法。设计了基于距离原则的机器人末端光学工具中心点TCP(Tool Center Point)位置标定算法。通过运用空间点坐标重心化配置算法和基于罗德里格矩阵变换的最小二乘优化算法解算出了具有单位正交性的位姿变换旋转矩阵。进行了机器人坐标系位姿变换激光测量标定和优化对比实验,旋转矩阵初值和正交优化值进行点坐标转换后的综合RMSE分别为0.579 0mm和0.501 5mm。结果表明该方法能够有效改进姿态旋转矩阵正交性,并提高位姿变换解算精度。     

三轴数字MEMS加速度计现场标定方法

微机电系统(micro electro mechanical systems,简称MEMS)加速度传感器作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测中有着广泛应用。根据三轴数字加速度传感器的输出数学模型,详细推导了如何计算数学模型中标度因数、安装误差系数以及零偏值。提出一种基于长方体的六位置简单标定方法,对比三轴转台精确标定结果表明六位置简单标定法简单易行,精度较高,易于单片机实现,适合不具备三轴转台的场所,且该方法对MEMS三轴数字加速度计的校准具有很好的通用性。