基于PSD与单目视觉的激光跟踪姿态测量方法研究
发布时间：2021-07-14 12:23
随着汽车船舶、轨道交通、航空航天、军事国防等高端制造领域以及各类先进科研建造领域的飞速发展,姿态测量技术被普遍应用于此类建造工程以及高精密加工制造领域,同时测量环境的复杂性和测量的高精度要求都对姿态测量提出了更大的挑战。实现高精度姿态测量在工程建设及制造中对于提高生产效率、制造精度、施工合理性以及建设安全性有着重要影响。本文针对现代生产及建设中对于姿态角高精度测量的需求,构建以激光跟踪设备为基站的姿态测量系统,提出了一种基于PSD与单目视觉的姿态测量方法,并搭建了测量系统软硬件平台,验证了测量方法可行性。全文依次从选题背景、测量原理、系统搭建、误差分析、实验结论等方面展开论述,主要研究内容如下:1)提出一种激光跟踪姿态测量方法。依据激光光束单位向量在不同坐标系下的不同表现形式建立转换关系,提出一种基于PSD与单目视觉姿态组合测量方法,研究了基于PSD的光束向量测量、基于单目视觉的横滚角测量以及坐标系相对姿态标定方法,在此基础上搭建了姿态角数学解算模型。2)搭建了激光跟踪姿态测量系统。从硬件层面完成测量系统设备选型、平台搭建及合作靶标设计制作;从软件层面实现了数据预处理、图像处理、特征点...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
徕卡T-Probe/T-MAC测量靶标T-Probe是一种手持便携式测量系统，其独有的可移动接触式测量特性在工业
站的六自由度测量方案，推出了SmartTrack、IntelliProbe、IntelliScan等产品[13]。该系列产品使用智能复合测头，测量靶标主要由开孔角锥棱镜、PSD、倾角传感器、采集及传输模块等构成，其基本原理为由安装在测量靶标上的反射镜和PSD构成测量模块，反射棱镜顶点处开有小孔，激光由小孔入射到PSD上，采集的位置信息用于姿态修正，利用双轴伺服反射镜对激光跟踪仪发射的激光进行垂直反射，即使得自身的位置探测器始终与光束保持垂直状态，从而实现实时获取测量模块姿态角信息。图1.2所示为Intelliprobe360智能测量系统[14]。图1.2APIIntelliprobe360智能测量系统Intelliprobe360智能测量系统特点如下：1）测量精度高。由于选用了测量精度更高的位置敏感探测器配合跟踪光束以及倾角传感器完成姿态角测量，在姿态角测量精度上优于0.01°；2）操作方便。高度一体化的单合作靶标具有较好的操作性、便携性，且有高效的隐藏点测量能力，具有更大的测量范围，且不需要校准；3）姿态角测量响应速率较低。优于选用了倾角仪的横滚角补充测量导致姿态角整体测量更新及响应速率降低，更适宜用于静态或间隔扫描探测模式。英国ZED公司、德国VMT公司、奥地利莱奥本矿业大学等单位均开发了采用双屏双相机的单点合作靶标六自由度测量方案[15~17]。以ZED公司生产的隧道导向最小测量系统（如图1.3）为例，其合作靶标使用了两个毛玻璃板和两个拍摄毛玻璃上成像的相机组成，以全站仪作为测量基站，同时装配有准直激光器。合作
湖北工业大学硕士学位论文4靶标内部的相机完成对全站仪入射光束及准直光束形成的光斑图像拍摄，基于图像信息解算入射光束相对靶标矢量方向，进而解算靶标方位角与俯仰角，再由靶标内固定的倾角仪获得滚转角。图1.3ZED隧道导向最小系统该测量系统特点如下：1）测量精度较高。以拥有准直激光的提供为前提，利用图像测量入射激光角度及位置可对微小的光束变化敏感，同时配合内置双轴倾角仪，其测量精度普遍可达到1mrad；2）操作方便且适应性强。单个激光靶自成测量系统，设备自身及激光源都能方便安置，应用于隧道内部人工光源干扰、灰尘干扰的环境下，使用系统内置算法完成姿态测量补偿；3）适用灵活性低。该测量系统适用于曲线变动幅度较小的隧道挖掘工程，使用了固定准直激光源也限制了被测物可动范围。1.3.2国内激光跟踪姿态角测量方法研究现状国内的华中科技大学、天津大学、上海交通大学和中科院西安光机所等单位，基于盾构施工的姿态测量需求，均开展了基于PSD技术和角锥棱镜的位姿测量技术研究[18~20]。该技术主要包括反射棱镜，凸透镜，CCD感光工业摄像机，倾角传感器等，如图1.4所示，该系统主要用于盾构等速度较慢的位姿测量中。该测量系统中俯仰角与方位角由凸透镜配合CCD相机完成测量。CCD感光面位于凸透镜的焦平面上，由全站仪发射的激光光束部分反射回全站仪用于定位，部分透过角锥棱镜后方三角形开孔并经由凸透镜聚焦后入射到CCD感光面上形成圆形光斑。利用CCD成像中光斑位置信息即可以计算出相应的方位角与俯仰角，利用倾角传感器完成滚动角的补充测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进BP神经网络的电力负荷预测[J]. 王吉权,王福林,董志贵,汤岩,田占伟,吴昌友. 数学的实践与认识. 2017(09)
[2]基于透视投影的垂直视角投影算法研究[J]. 张建伟,雷霖. 成都大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]一种智能探头T-probe的检查方法研究[J]. 王武兴,张俊,吴博海,张刚,张亚兵. 工业计量. 2016(S1)
[4]关于大角度范围内四元数与欧拉角转换的思考[J]. 夏喜旺,杜涵,刘汉兵. 导弹与航天运载技术. 2012(05)
[5]基于单目视觉的三点测量滚转角方法[J]. 徐一丹,周剑,孙祥一,张小虎. 飞行器测控学报. 2011(02)
[6]API T3激光跟踪仪与I360复合智能测头在机翼装配工程中的应用[J]. 航空制造技术. 2011(08)
[7]摄像机标定方法研究[J]. 张铖伟,王彪,徐贵力. 计算机技术与发展. 2010(11)
[8]基于Sobel算子的图像边缘检测研究[J]. 袁春兰,熊宗龙,周雪花,彭小辉. 激光与红外. 2009(01)
[9]一种Roberts自适应边缘检测方法[J]. 康牧,许庆功,王宝树. 西安交通大学学报. 2008(10)
[10]数字工业摄影测量中的单像空间后方交会[J]. 冯其强,李广云,黄桂平. 测绘通报. 2008(06)
博士论文
[1]激光跟踪仪高精度位姿测量技术研究[D]. 杨振.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]面向大型精密工程的六自由度测量技术研究[D]. 高扬.天津大学 2017
[3]激光跟踪仪高精度坐标测量技术研究与实现[D]. 范百兴.解放军信息工程大学 2013
[4]蒙特卡洛方法及在一些统计模型中的应用[D]. 邵伟.山东大学 2012
[5]基于视觉的空间目标位置姿态测量方法研究[D]. 尚洋.国防科学技术大学 2006
[6]粒子群优化算法的理论及实践[D]. 张丽平.浙江大学 2005
[7]位置敏感探测器的研究[D]. 黄梅珍.浙江大学 2001
硕士论文
[1]双护盾硬岩隧道掘进机导向系统关键技术研究[D]. 杨文辉.天津大学 2016
[2]摄像机标定方法的研究[D]. 舒娜.南京理工大学 2014
[3]刚体位姿参数单目视觉测量系统研究[D]. 王伟兴.哈尔滨工业大学 2013
[4]用于盾构姿态测量的激光标靶关键技术[D]. 邵涛.华中科技大学 2012
[5]盾构机位姿测量系统的关键技术研究[D]. 毕小伟.上海交通大学 2010
[6]基于MEMS器件的航向姿态测量系统的研究[D]. 宋丽君.西北工业大学 2007
本文编号：3284141
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
徕卡T-Probe/T-MAC测量靶标T-Probe是一种手持便携式测量系统，其独有的可移动接触式测量特性在工业
站的六自由度测量方案，推出了SmartTrack、IntelliProbe、IntelliScan等产品[13]。该系列产品使用智能复合测头，测量靶标主要由开孔角锥棱镜、PSD、倾角传感器、采集及传输模块等构成，其基本原理为由安装在测量靶标上的反射镜和PSD构成测量模块，反射棱镜顶点处开有小孔，激光由小孔入射到PSD上，采集的位置信息用于姿态修正，利用双轴伺服反射镜对激光跟踪仪发射的激光进行垂直反射，即使得自身的位置探测器始终与光束保持垂直状态，从而实现实时获取测量模块姿态角信息。图1.2所示为Intelliprobe360智能测量系统[14]。图1.2APIIntelliprobe360智能测量系统Intelliprobe360智能测量系统特点如下：1）测量精度高。由于选用了测量精度更高的位置敏感探测器配合跟踪光束以及倾角传感器完成姿态角测量，在姿态角测量精度上优于0.01°；2）操作方便。高度一体化的单合作靶标具有较好的操作性、便携性，且有高效的隐藏点测量能力，具有更大的测量范围，且不需要校准；3）姿态角测量响应速率较低。优于选用了倾角仪的横滚角补充测量导致姿态角整体测量更新及响应速率降低，更适宜用于静态或间隔扫描探测模式。英国ZED公司、德国VMT公司、奥地利莱奥本矿业大学等单位均开发了采用双屏双相机的单点合作靶标六自由度测量方案[15~17]。以ZED公司生产的隧道导向最小测量系统（如图1.3）为例，其合作靶标使用了两个毛玻璃板和两个拍摄毛玻璃上成像的相机组成，以全站仪作为测量基站，同时装配有准直激光器。合作
湖北工业大学硕士学位论文4靶标内部的相机完成对全站仪入射光束及准直光束形成的光斑图像拍摄，基于图像信息解算入射光束相对靶标矢量方向，进而解算靶标方位角与俯仰角，再由靶标内固定的倾角仪获得滚转角。图1.3ZED隧道导向最小系统该测量系统特点如下：1）测量精度较高。以拥有准直激光的提供为前提，利用图像测量入射激光角度及位置可对微小的光束变化敏感，同时配合内置双轴倾角仪，其测量精度普遍可达到1mrad；2）操作方便且适应性强。单个激光靶自成测量系统，设备自身及激光源都能方便安置，应用于隧道内部人工光源干扰、灰尘干扰的环境下，使用系统内置算法完成姿态测量补偿；3）适用灵活性低。该测量系统适用于曲线变动幅度较小的隧道挖掘工程，使用了固定准直激光源也限制了被测物可动范围。1.3.2国内激光跟踪姿态角测量方法研究现状国内的华中科技大学、天津大学、上海交通大学和中科院西安光机所等单位，基于盾构施工的姿态测量需求，均开展了基于PSD技术和角锥棱镜的位姿测量技术研究[18~20]。该技术主要包括反射棱镜，凸透镜，CCD感光工业摄像机，倾角传感器等，如图1.4所示，该系统主要用于盾构等速度较慢的位姿测量中。该测量系统中俯仰角与方位角由凸透镜配合CCD相机完成测量。CCD感光面位于凸透镜的焦平面上，由全站仪发射的激光光束部分反射回全站仪用于定位，部分透过角锥棱镜后方三角形开孔并经由凸透镜聚焦后入射到CCD感光面上形成圆形光斑。利用CCD成像中光斑位置信息即可以计算出相应的方位角与俯仰角，利用倾角传感器完成滚动角的补充测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进BP神经网络的电力负荷预测[J]. 王吉权,王福林,董志贵,汤岩,田占伟,吴昌友. 数学的实践与认识. 2017(09)
[2]基于透视投影的垂直视角投影算法研究[J]. 张建伟,雷霖. 成都大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]一种智能探头T-probe的检查方法研究[J]. 王武兴,张俊,吴博海,张刚,张亚兵. 工业计量. 2016(S1)
[4]关于大角度范围内四元数与欧拉角转换的思考[J]. 夏喜旺,杜涵,刘汉兵. 导弹与航天运载技术. 2012(05)
[5]基于单目视觉的三点测量滚转角方法[J]. 徐一丹,周剑,孙祥一,张小虎. 飞行器测控学报. 2011(02)
[6]API T3激光跟踪仪与I360复合智能测头在机翼装配工程中的应用[J]. 航空制造技术. 2011(08)
[7]摄像机标定方法研究[J]. 张铖伟,王彪,徐贵力. 计算机技术与发展. 2010(11)
[8]基于Sobel算子的图像边缘检测研究[J]. 袁春兰,熊宗龙,周雪花,彭小辉. 激光与红外. 2009(01)
[9]一种Roberts自适应边缘检测方法[J]. 康牧,许庆功,王宝树. 西安交通大学学报. 2008(10)
[10]数字工业摄影测量中的单像空间后方交会[J]. 冯其强,李广云,黄桂平. 测绘通报. 2008(06)
博士论文
[1]激光跟踪仪高精度位姿测量技术研究[D]. 杨振.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]面向大型精密工程的六自由度测量技术研究[D]. 高扬.天津大学 2017
[3]激光跟踪仪高精度坐标测量技术研究与实现[D]. 范百兴.解放军信息工程大学 2013
[4]蒙特卡洛方法及在一些统计模型中的应用[D]. 邵伟.山东大学 2012
[5]基于视觉的空间目标位置姿态测量方法研究[D]. 尚洋.国防科学技术大学 2006
[6]粒子群优化算法的理论及实践[D]. 张丽平.浙江大学 2005
[7]位置敏感探测器的研究[D]. 黄梅珍.浙江大学 2001
硕士论文
[1]双护盾硬岩隧道掘进机导向系统关键技术研究[D]. 杨文辉.天津大学 2016
[2]摄像机标定方法的研究[D]. 舒娜.南京理工大学 2014
[3]刚体位姿参数单目视觉测量系统研究[D]. 王伟兴.哈尔滨工业大学 2013
[4]用于盾构姿态测量的激光标靶关键技术[D]. 邵涛.华中科技大学 2012
[5]盾构机位姿测量系统的关键技术研究[D]. 毕小伟.上海交通大学 2010
[6]基于MEMS器件的航向姿态测量系统的研究[D]. 宋丽君.西北工业大学 2007
本文编号：3284141
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