结构光三维传感器测量网相关技术

针对大尺寸复杂物体的全自动、高精度、大数据密度、真彩色三维成像与测量,基于条纹结构光三维传感器,阐述了多节点三维传感器测量网络相关技术。涉及单三维传感器的条纹分析和相位重建、系统标定和三维重建两大关键技术点分析,多节点三维传感器测量网络的构建与优化、多节点三维传感器测量网络的标定、测量三维深度数据与纹理数据的匹配与融合等相关技术。并给出了部分实验原型机及实验结果。

三维传感器网络中贪婪算法的可达性分析

针对贪婪算法存在路由空洞现象,定义并研究了半球型3D传感器网络中贪婪算法的可达性问题。基于节点随机分布的数学特性,分析了传感器传输半径与贪婪算法的可达率之间的定量关系,推导出保证设定可达率的传感器传输半径的理论上界,并给出了相应的数值求解方法。仿真实验数据验证了理论上界的正确性和严密性,为确定节点最小传输半径奠定了理论基础。

基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统关键技术研究

深入分析了我国海洋环境监测技术的不足与现实需求,提出一种基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统,探讨了系统的组成、架构及其涉及的关键技术。设计了可自主沉浮的水下传感器节点,探讨了水下传感器节点间、系统与控制中心间的通信方式,对网络拓扑结构进行了三维仿真,最后对水下三维传感器网络的应用前景进行了展望。

三维传感器网络空间结构及其覆盖特性

三维传感器网络在现实世界中的空间结构远远复杂于二维传感器网络。当前大多数研究采用的随机空间结构假设,不能完全代表三维传感器网络的实际需求。因此提出三种空间对称的立方格结构传感器网络,并利用空间镶嵌理论分析其覆盖特性。同时,针对现有随机结构无线网络中相变现象的分析工具复杂的问题,采用箱覆盖技术推导了随机结构三维传感器网络的临界覆盖半径。

基于深度和能量的水下三维传感器网络分簇路由算法

针对水下三维传感器网络定位困难、传输损耗大等特性,提出了基于深度和能量的水下三维传感器网络分簇路由协议.在分簇过程中,根据水下节点到水面的深度、节点的剩余能量来选取簇头,普通节点根据其与簇头的深度差选择自身的簇头,形成适合水下数据传输的锥形簇结构.簇间数据传输考虑了水下节点数据传输向上(水面方向)和向内(以Sink节点垂线为柱心的方向)的原则,采用多跳传输保证数据由深水层向浅水层传递.仿真结果表明,该算法能有效均衡网络能耗,延长网络的生存周期,提高网络数据传输效率.

三维传感器Kinect在农业领域的应用与发展

随着信息技术的不断发展,三维传感器也得到了越来越多的应用,其中微软公司推出的Kinect传感器受到了各个领域研究人员的关注,使Kinect在计算机视觉与控制、医疗、教育、电子商务等领域都有很好的应用。本文介绍Kinect设备的组成及其工作原理,并阐述其在农业领域的应用现状,包括在农作物上的监测与记录、农业机器人视觉系统和作物三维形态生长模型的重建等,分析Kinect设备的优点与不足。最后,对Kinect在农业领域的应用进行展望。通过对Kinect的介绍与分析,从而发掘其在农业方面的应用潜力,为三维成像技术在农业领域的进一步发展提供参考。

基于TOF三维传感器的单视角重建

三维TOF测距成像对高速机动目标的测量、隐蔽物体探测、非视域目标成像探测具有重要的研究意义.基于TOF三维传感器,设计一种可剔除孤立散点的空间点滤波方法,运用优化的Delaunay三角剖分法实现目标物体单视角三维重建.

电容层析成像三维传感器结构设计及图像重建

针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低,敏感场分布的均匀性对图像重建的影响,在分析电容层析成像基本原理的基础上,提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构.该结构以三层4电极结构为基础,在保持原有电极总面积不变情况下,将每个电极一分为二变成三层8电极传感器,利用多电极组合激励测量模式将每层划分为8个组合,每个组合作为一个电极,这样不仅能增加投影数据,还能提高测量精度.仿真实验结果表明,与三层4电极结构相比,三层8电极能够获得更多的独立测量电容数,又能提高测量精确度,敏感场分布的均匀性得到改善,提高传感器的中心部位图像重建的质量.

电容层析成像系统三维传感器结构分析

针对电容层析成像系统存在检测信号微弱,灵敏度低和信噪比低等问题,在分析传感器结构参数对传感器物理性能影响的基础上,给出了一种三维电容层析成像系统传感器模型的选择和分析方法,该方法以6种常用模型为基础,通过对比空满管电容值分析,并通过试验改变屏蔽罩厚度dl,极板张角θ,层间旋转角α的值,分析电容值随参数的变化,绘制电容值随参数的变化曲线,给出了三维ECT传感器参数的参考值.屏蔽罩厚度dl的参考值为8~12 mm,极板张角θ的参考值为50~54°,层间旋转角α的参考值为45°,为三维ECT传感器设计提供了新思路.

多级冗余强干扰下医用三维力传感器数据的自动挖掘方法

针对医用三维力传感器容易受电磁场等外部环境的影响,产生大量相似特征数据,导致其输出紊乱信号,降低传感器控制精度和测量速度的问题,提出一种多级冗余强干扰下三维力传感器数据挖掘方法。根据角度标定理论采集三维力传感器冗余数据;引入相似度指数函数计算冗余因子,获取三维力传感器冗余数据活跃度,完成数据冗余分类;通过差值去噪算法高性能过滤三维力传感器冗余数据;利用谱聚类算法构建拉普拉斯矩阵,剔除冗余数据,实现三维力传感器数据自动挖掘。仿真结果表明,所提方法在多级冗余强干扰下的三维力传感器控制精度为96.54%,测量速度为0.61 ms,能量消耗为0.26 kcal。由此证明,所提方法的控制精度高、测量速度快、传输效果优,能够满足机器人辅助手术过程中的力反馈控制需求。

三维葡萄糖电化学传感器与胶原水凝胶集成实时监测细胞代谢

葡萄糖代谢的实时监测不仅能够提供细胞生长状态信息,还有助于深入理解细胞代谢机制。电化学传感器已成为葡萄糖实时动态测量的重要方法之一,然而,目前报道的葡萄糖传感器大多基于二维电极,很难与三维细胞培养体系良好兼容并进行准确检测。通过在对H2O2还原具有催化作用的多孔电极表面固定葡萄糖氧化酶(GOD),制备了一种灵敏度高、选择性好的三维葡萄糖电化学传感器。然后,将包裹了肿瘤细胞(MCF-7)的胶原水凝胶填充到三维传感器孔隙,构建了兼具细胞三维培养和电化学检测于一体的集成平台。通过实时监测MCF-7细胞培养环境中葡萄糖的浓度变化,实现了肿瘤细胞在抗癌药物作用下葡萄糖代谢能力的实时分析,为细胞能量代谢行为研究提供了一种新的评估方法。

基于WOA-ELM的空间分层结构FBG三维振动加速度传感器非线性解耦

针对三维振动加速度传感器存在的维间耦合干扰问题,以空间分层结构光纤布拉格光栅(FBG)三维振动加速度传感器为研究对象,阐述了三维振动加速度传感的基本原理。其次,构建了振动加速度动态标定实验平台,并分析了传感器的结构耦合特性。最后,提出一种基于鲸鱼算法优化极限学习机(WOA-ELM)的神经网络模型并进行了非线性解耦实验,其结果显示,在x、y、z三轴的平均测量误差分别降至1.58%、1.17%、0.95%,平均I类和II类误差最大值分别降至0.73%和0.37%。为验证解耦效果,将WOA-ELM与其他算法等进行解耦效果对比。结果表明,WOA-ELM更有效地降低三维振动加速度传感器的维间耦合干扰,提高测量精度。

柔性三维力传感器的研究进展

柔性传感器作为柔性可穿戴电子设备的关键组成部分,在健康监测、人机交互和智能机器人等新兴领域广泛应用而备受关注。传统的单一检测法向压力的柔性传感器无法满足复杂和先进智能系统中的使用需求,而柔性三维力传感器因其独特的多角度和全方位力学检测能力,逐渐成为研究的热点。为实现高性能柔性三维力传感器的研制目标,需要综合协调考虑传感机制、结构、材料和解耦方法等多种因素。近年来,许多学者致力于设计和制备高性能柔性三维力传感器,包括结构设计和新型材料的开发、数据处理和机器学习算法的改进,多方面的创新推动着其进一步发展。本文旨在概述柔性三维力传感器的研究进展,首先详细介绍了柔性三维力传感器各种形式的传感机理,并分析比较了各自的特点和优势;然后系统总结了柔性三维力传感器在结构设计、材料、解耦方法等方面的研究进展及相互影响,以及在智能机械臂、运动姿态检测、人机交互和无线健康监测等领域的应用;最后分析了柔性三维力传感器当前所面临的挑战,并对其未来发展进行了展望。

基于混合滤波算法的三维力传感器信号处理

针对三维力传感器存在维间耦合和噪声干扰问题,提出了基于混合滤波算法的三维力传感器信号处理方法。先根据三维力传感器的测量原理建立三维力传感器系统模型,设计标定实验,根据力传感器标定数据利用最小二乘法拟合力传感器维间耦合矩阵,实现三维力传感器的维间解耦,然后利用Sage-Husa自适应滤波算法对信号进行初次滤波,降低力传感器系统噪声和观测噪声的干扰,最终使用滑动平均值滤波算法对信号进行平滑处理得到最终的滤波数据。实验结果表明,本文提出的方法有较好的解耦效果和降噪效果,提高了力传感器输出信号的稳定性和准确性。

基于白鲨优化极限学习机的三维力传感器非线性解耦

针对三维力传感器维间耦合干扰问题,以基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的一体式三维力传感器为研究对象,提出了一种基于白鲨优化算法的优化极限学习机(White Shark Optimizer-Extreme Learning Machine,WSO-ELM)的非线性解耦算法。首先,设计了基于FBG的一体式三维力传感器,阐明该传感器波长漂移量与三维力的映射关系;然后,搭建静态标定实验系统,分析三维力耦合特征,并建立WSO-ELM算法三维力传感器解耦模型,利用白鲨优化算法(White Shark Optimizer,WSO)稳定、高效特点优化模型,寻找ELM神经网络隐含层神经元数与解耦时间的最佳参数组合,开展基于WSO-ELM的三维力传感器非线性解耦研究;最后,该传感器解耦后最大平均I类误差达到0.51%,最大平均II类误差达到0.65%,实现了基于WSO-ELM的三维力非线性解耦。为验证解耦效果,将WSO-ELM算法与极限学习机神经网络模型、反向传播神经网络、最小二乘法解耦效果进行对比实验。实验结果表明:WSO-ELM算法具有较好的解耦效果,能有效构建三维力维间耦合关系,同时降低传感器耦合干扰,提高传感器的测量精度,具有良好的非线性解耦能力。

组合式自解耦压电薄膜三维力传感器研制

针对传统三维力传感器存在的非线性误差、维间耦合误差过大等瓶颈问题,面向重载、高频、强冲击三维力的测量需求,基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,结合并联分载原理,创新性的利用冲击力产生的倾覆力矩,设计了立柱菱形布局的压电薄膜三维力传感器结构,立柱菱形布局时具有抵消维间耦合能力,每个立柱近似只受单个倾覆力矩的影响,故可进行组合测量。探究了PVDF压电薄膜的最优布置,采用理论分析、有限元仿真分析和实验验证相结合的方法,对传感器设计方案的可行性进行了验证。研制了组合式自解耦压电薄膜三维力传感器样机,分别对其进行准静态标定实验和动态标定实验,实验结果表明,改进后传感器具有高灵敏度、高固有频率等特点,3个方向非线性误差均小于0.2%,维间耦合误差在1.2%以内,其结构设计具备抵消维间耦合的能力。该三维力传感器在高精密轴承钢球冷镦成型及瞬态强冲击等场景下有着重要的应用价值及潜力。

新型柔性三维力触觉传感器的设计与研究

对柔性三维力触觉传感器进行了研究和设计,详细分析了该器件的基本结构和材料选型,基于实验方式对器件的性能和功能进行了验证分析。根据验证的结果可知,该传感器具备了较高的灵敏度,其中,在x,y轴上可以达到1.8 V/N,而在z轴内则为3.1 V/N,验证该传感器的性能良好。在灵巧手中集成设计的传感器,进一步进行实验验证,结果表明:可以实现对水杯的自适应抓取控制,验证了该传感器的性能,可用于工业机器人设计等领域中。

电容式三维力触觉传感器的设计与解耦研究

机械手抓取过程中,通过触觉信息的感知调整抓握力以实现高效安全的抓取具有重要的应用价值。因此,提出一种电容式指尖三维力触觉传感器,通过多电极设计、信号采集控制系统的搭建,实现三维力的测量,以计算出较为准确的握力,为机械手提供科学的抓取策略。该传感器由四层结构组成:将PDMS材料用作接触层的材料,采用PI(聚酰亚胺)作为电容极板的材料,中间介电层为2%CNTS+PDMS。通过搭建多通道电容系统采集输出电容,以实现三维力的测量。结果表明,该传感器具有灵敏度高、线性度好、重复性较好的优点,x轴方向的灵敏度为7.9589 pF/N,y轴方向的灵敏度为7.0908 pF/N,z轴方向的灵敏度为12.7209 pF/N。此传感器的成功制备,推动了三维力传感器在机器人方面的应用与发展。

三维传感器网络部署、覆盖和连接问题研究

针对三维传感器网络中节点最优部署问题进行研究.通过分析常用规则多面体(如立方体和截顶八面体等)在三维空间的填充特点,提出了网络节点按规则多面体部署时,单位节点最大有效体积的计算方法;同时利用该方法得到了网络区域保持充分覆盖且邻节点相连接时所需的最少节点数;最后通过仿真比较了不同规则多面体的部署性能,进而给出了在各种rc/rs(rc为通信范围,rs为感测范围)情况下的最优部署模式,提高了网络节点的部署效率.

基于误比特率计算的三维Ad Hoc传感器网络连接性分析

网络连接性是在设计与仿真Ad Hoc传感器网络时需确定的重要基础性问题,本文从通信路由中误比特率的角度研究了三维Ad Hoc传感器网络的连接性问题。在基于二维平面网络节点均匀分布的情况下,对三维Ad Hoc传感器网络的连接性进行理论计算,得出通信路由中端到端平均误比特率(BER)和平均连接跳数(Hop)的精确表达式。通过表达式发现,节点分布密度相应的存在门限值,节点分布密度低于此门限值,则网络不能进行通信,即网络为不连接。假如分布密度高于此门限值,则通信路由的最大连接跳数大于平均连接跳数。同时讨论了中继节点数对端到端平均误比特率的影响,发现在第三维中继时如采用较大的发射功率则能提高网络通信的性能,降低端到端平均误比特率。