基于红外成像的FDM打印轨迹测量及质量评价方法

熔融沉积型(fused deposition modeling, FDM)增材制造是一个热加工过程,打印温度与运行精度的研究是2个相对独立的方向,红外成像中高温熔丝的形状信息通常得不到有效的利用,无法在温度监控的同时对打印设备的实时运行状态进行检测。提出了一种基于红外成像的FDM打印轨迹测量及质量评价方法,采用红外相机对FDM打印机的热加工过程进行连续测量,通过建立打印机系统坐标系与相机世界坐标系的位姿解算模型,以及动态帧间红外特征匹配的全局相机运动位姿解算模型,实现了对末端喷嘴运行位姿的实时测量,得到了精确的打印轨迹信息。在此基础上,建立了空间打印轨迹与红外图像中高温熔丝间的物像映射关系,并在图像域对打印过程中的典型缺陷进行了质量评价,其中图像处理平均耗时为25.9 ms,红外相机位姿测量的重投影误差为0.7像素,正常打印状态下,系统计算得到的理想打印轨迹与红外图像内高温区域的平均交并比为0.61。实验结果表明,该方法能够对打印过程中出现的模型错位、出料异常等典型问题进行准确识别,为打印质量在线评价的相关研究提供了一种新的解决途径。

基于超表面的太赫兹与中长波红外高效分光器件

多模复合成像技术结合了不同传感器的优势,具有图像质量高、信息获取能力强、目标检测和识别能力高、对复杂环境的强适应能力、系统的稳定性和鲁棒性高等优点.其中,太赫兹和红外复合成像技术结合了太赫兹波段和红外波段的特点,具有宽频谱覆盖、高分辨率、穿透性强的优点,有广阔的应用前景.作为共口径复合成像系统的关键器件之一的太赫兹和红外波段的高效分光器目前仍然缺少,性能亟待提升.本文提出了一种结构简单、性能高效的双层金属加介质基底结构二向色超表面.作为分光器件使用,当入射角度为45°时,其在中心频率1.1 THz附近实现大于97%的透射系数,在中波红外3—5μm和长波红外8—14μm波长范围均实现大于98%的反射系数.该设计对层间结构错位、结构倒圆角、小倍率缩放等结构失配和加工误差都具有很好的鲁棒性,并且具有偏振不敏感特性.而当入射角度在0°—60°内变化时,器件依然保持优异的分光特性.基于巴比涅定理和等效电路模型,对该超表面的电磁响应特性进行理论分析,分析结果与模拟仿真结果相吻合.该研究结果证明了超表面作为分光器件应用于太赫兹与红外波段的多波长复合成像系统中的可行性,并为未来新型复合成像探测技术的研究提供了支撑.

野外大视场双目视觉物体定位监测系统的单参数快速标定

提出了一种只对相机水平偏角进行现场校准的标定方法用于野外远距离、大视场、双目视觉物体定位监测系统的快速标定。该方法通过合理考虑视觉传感器的调平装置,结合现场使用过程中相机焦距值固定的特点,简化了测量模型,减少了待标定参数;只需要测得监测中心和相机在大地坐标系中的经纬度坐标及监测中心的图像坐标即可完成系统标定。由于不需要高精度靶标,从而克服了靶标移动及摆放对标定过程的影响。在实际使用中,对2km以外400m×800m的区域进行监测时,相对定位误差小于0.25%,其中由焦距值误差引起的相对定位误差不超过0.07%。该摄像机标定方法在保证测量精度的同时,具有易实现、用时少等优点,适用于野外大视场环境下物体的快速定位监测。

一种新型钢球表面检测方法的分析与系统实现

钢球作为常用的球轴承滚动体,其表面质量直接影响轴承的性能及寿命。目前已研制出的钢球表面缺陷检测装置展开机构结构复杂,不适用于大批量检测。基于一种双图像传感器的球面全展开方法,分析了在球列状态下球面完全展开所需要满足的参数条件。搭建系统进行实验,实验结果表明,该系统利用双传感器同时分别对每粒钢球进行5次采像就能够对钢球表面进行精确有效的高速检测与分选,漏检率低,检测速度可达到14 400粒/h,具有广泛的应用前景。

非接触动态实时视线跟踪技术

视线跟踪技术是智能眼动操作系统的关键技术,是实现先进眼动操作系统作为高级人机交互应用的基础和前提。较为完整地阐述了非接触式视线跟踪技术的发展历程,并详细介绍了现有的实现视线或注视点实时动态跟踪测量的非接触视线跟踪技术,包括2D视线跟踪方法、3D视线跟踪方法和基于3D模型的视线跟踪方法。通过分析和比较现有的三类方法的最新进展,介绍了视线跟踪技术目前面临的科学问题,提出了基于双目立体视觉的头戴式自由空间视线跟踪测量方法,指出了视线跟踪技术应满足基于眼动操作系统的智能人机交互方法向自由空间操作发展的需求,朝着高精度、易配置、更大视线活动范围的自由空间视线测量方向发展。

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。

基于数字调节方法的MEMS陀螺零位补偿技术研究

针对环境温度影响导致MEMS陀螺零位输出变化较大的问题,设计了一种基于数字调节方法的零位补偿电路并提出了一种陀螺零位漂移特性的测试方法。该补偿电路依据陀螺内部温度传感器输出,实时调节补偿电路输出,实现零位补偿。采用全温(-40℃～+60℃)测试方法,研究得到陀螺零位漂移模型,再经过研究零漂值与补偿电路值之间的对应关系,求解出温度与补偿电路之间的数学模型。实验表明,采用该方法使陀螺零位在全温范围内稳定精度提高了一个数量级,证明了提出方法的可行性和有效性。

大视场双目视觉定位系统中多目标稀疏匹配

野外远距离、大视场、双目视觉物体定位监测系统是基于双目立体视觉原理的三维坐标测量系统。存在随机出现的多个无特征目标的正确匹配率低,导致目标定位精度降低的共性问题。正确判断首个目标出现,对于同一目标在同侧图像序列连续出现,形态特征由大到小变化或分裂的情况,利用质心判断方法排除伪目标,检测目标正确质心位置;然后,两段图像序列时间同步,同一时刻多个目标基于极线约束进行稀疏匹配,获得同一目标在两台相机中正确的对应关系。实验证明,现场连续采集的9帧图像中包含8个目标,利用上述方法完成目标检测及匹配,提高了准确率。

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。

适用于无人机小型吊舱的变焦控制系统设计

随着无人机光电吊舱向小型化发展,对其变焦系统提出小型化、快速化的要求。本文设计了一种小型分段变焦系统。利用步进电机和透过型光遮断传感器构成调焦组件,设计了系统硬件电路和调焦算法,实现了光学镜头的快速分段变焦和焦距值的实时输出。系统采用离线方式标定聚焦点位置和焦距值,标定过程中使用Tenengrad函数、Brenner函数、平方梯度函数判断出聚焦点位置,同时利用自准直法测焦仪测量镜头的焦距值。最终实现变焦系统重量小于100g,焦距值误差小于1%,短焦与长焦的切换时间小于1.7s。

靶场远程监测自动评估系统及弹落点定位研究

提出的靶场报靶系统实现对炮兵、航空兵对地火力打击的远程监测以及弹落点落地位置的自动评估,给部队作战训练效果提供有效的科学依据,同时也是建设数字化靶场的需要。系统基于无线网络传输终端及RS485,是具有分布式测量、无人值守、远程控制、人机交互界面友好等特点,实现弹落点自动识别定位、信息无线传输、数字化显示及数据管理等功能的三级报靶系统。系统构建基于双目立体视觉测量原理,相机25 fps连续采集100帧图像,实时在线实现15个弹落点定位解算,较好解决了超大三维空间下多个目标自动定位解算问题。

空中光电位姿测量系统的抗干扰方法

为提高空中光电位姿测量系统的可靠性和环境适应性,分析了在复杂环境中工作时影响其成像质量的两种干扰因素:一是以阳光为主的杂光干扰,二是复杂天气条件下大气对光辐射的衰减.利用MODTRAN模型分析了不同条件下的天空背景亮度及大气透过率,并在此基础上提出以下抗干扰措施:选择近红外波段的大功率LED作为合作目标,提高了目标背景对比度;在光路中加入与LED匹配的窄带滤光片,消除了LED工作波段外杂光的干扰;在图像处理阶段采用特征分析的方法消除了阳光直射入镜头时的干扰.设计了模拟靶标,并通过实验验证了上述措施的可行性.

应用二维相关提高DOAS技术的温度鲁棒性

利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术对空气中污染气体的浓度进行实时监测时,测量结果的准确度会受到环境温度变化的影响。为此,提出了通过二维相关光谱技术优选波长来提高DOAS测量中温度鲁棒性的方法。通过对不同温度下SO2的吸收截面进行二维相关分析,得到了动态吸收截面同步相关谱对角线的自助峰,据此分析了不同波长下吸收截面随温度变化的敏感程度,进而优选出最佳反演波长范围300.5～310nm。在将波长优选前后现场的测量结果和参考值进行对比时显示:采用优选波长前后24h的平均测量误差由22.5%减小至9.9%,测量值和参考值的相关系数由0.780 8提高到了0.949 6。结果表明,二维相关光谱和DOAS技术相结合,可以准确测量污染气体浓度。

坐标测量机上红宝石轴承视觉自动定位系统

坐标测量机中传统的间接定位方法对微小特征定位不够精确,为了提高微小特征的定位精度,采用机器视觉技术对微小特征本身直接定位的方法,进行了理论分析和实验验证。根据红宝石轴承材料的光学特性,设计了视觉自动定位系统,通过图像算法提取轴承内孔的图像中心,并使用测量机的测针端部作为靶标对相机进行标定,取得了相机图像坐标系与测量机坐标系的转换系数数据。结果表明,该系统的定位精度达到0.01mm,这一结果对提高微小特征的定位精度是有帮助的。

基于时差的管道内检测器定位系统方位角估计方法

针对卡堵的管道内检测器需要进行定位的问题,提出了基于声达时间差原理的方位角系数估计方法,并对估计误差进行了理论分析.该方法利用平面四元十字阵对目标声信号进行采集,无需提前标定声音在土壤中的传播速度或者增加传感器的数量.将采集到的各路声信号进行时延估计后,通过时延估计值的四则运算即可得到方位角估计结果.实验数据表明,该方法具有较高的估计精度,可以获知卡堵的管道内检测器的方位,方便下一步的准确定位工作,具有较好的应用前景.

基于McWiLL和RS-485网络的多级报靶系统

在大规模军事演习中,为实现数字化靶场对多套报靶系统获取的训练信息进行集中处理和评估,提出一种基于多载波无线信息本地环(McWiLL)和RS-485网络的多级报靶系统。给出McWiLL无线环境下基于TCP/IP协议的多线程远程控制和数据交互方法,上位机采用文档/视图结构的数据管理方式,通过友好的人机交互界面方便训练评估人员操作,设计基于RS-485的多机监控网络,并采用同步头到上位机编号的两级判断方式实现一台监控机对多台上位机的数据交互,满足对实弹训练远程监测、自动评估和集中显示的需求。

基于差分时延差编码的水声发射系统研制

差分时延差编码能有效抑制多途信道的干扰,实现信息的可靠传输,因此在水声通信中被广泛应用。本文设计了一种基于差分时延差编码的水声发射系统,针对差分时延差编码的特点和要求,利用波形存储直读方式产生码元,通过以太网将其传输到下位机并存储到存储器;然后对系统进行通信编码参数配置;最后基于下位机存储的码元和通信编码参数配置,将通信信息通过差分时延差编码并经数模转换器和低通滤波器变换后,由换能器发射出去。湖试通信实验表明,水声发射系统在不同参数条件下均能保证编码信息的准确性以及传输信息的可靠性,具有一定的实用性。

面向小型无人机的两轴稳像云台控制系统

针对在小型无人机飞行过程中,机载光电成像探测器因抖动产生的图像虚影、视轴偏移的问题。在传统单处理器控制的基础上,设计了双处理器共同控制的两轴云台稳像控制系统,该系统通过四元数姿态解算法、模糊PID控制器和三阶Hermite插值降速曲线完成系统软件设计,实现云台自稳定和运动控制。同时,分析了该系统的组成及工作原理,给出了该系统控制电路中重要芯片的选型及电路设计。实验结果表明,在±5°、2 Hz扰动条件下,航向轴和俯仰轴的稳定隔离度分别为0.55%和0.88%。实现了对两轴云台稳像的运动控制并有效隔离两轴扰动,可应用于机载光电载荷的运动控制及视轴稳定。

双CMOS成像器同步影像传感系统设计

为了满足双目立体视觉以及多通道视频成像等应用场合对微型化的需求,提出了一种双CMOS成像器同步影像传感系统的设计方法。系统同步获取两个通道的CMOS图像并通过一路视频接口以相同帧率输出影像。系统以CPLD为核心器件,采用乒乓操作实现了对双通道视频数据的存储与传输,并对相应通道的图像以奇数帧和偶数帧的方式输出。CMOS成像器的配置以及数据传输采用模块化的结构设计,使系统的稳定性和灵活性大大提高。实验表明,系统具有良好的显示效果。

边缘信息引导多级尺度特征融合的显著性目标检测方法

针对基于FCN和U型网络架构的深度学习显著性目标检测方法提取的显著性图存在边界不清晰和结构不完整的问题,文中提出了一种基于边缘信息引导多级尺度特征融合网络(EGMFNet)。EGMFNet使用多通道融合残差块(RCFBlock)以嵌套的U型网络架构作为主干模型。同时,在网络的较低层级引入具有边缘信息引导的全局空间注意力模块(EGSAM)以增强空间特征及边缘特征。此外,在损失函数中引入了图像边界损失,用于提升显著性图的质量并在学习过程中保留更加清晰的边界。在四个基准数据集上进行实验,实验结果表明,文中方法的F值较典型方法提升1.5%、2.7%、1.8%和1.6%,验证了EGMFNet网络模型的有效性。