缝隙搜救机器人镜体的形状重建和定位方法

搜救机器人的路径形状重建和定位是在搜救过程中一项最基本的任务,但地下复杂的环境使得GPS信号完全不可用,因此必须找到一种可替代的方法解决。为建立一套完整的搜救机器人系统,提出了一种能够利用惯性导航传感技术对废墟缝隙搜救机器人镜体形状重建的方法,该方法在初始位置已知的情况下,融合移动距离和方向角进行积分,得到机器人镜体形状曲线,并将其显示在三维坐标中。利用该方法,可以有效地对搜救机器人定位,及时救援发现的被困人员。文中详细叙述了该方法的理论基础,并以此展开了仿真和实验研究。结果表明,重建的轨迹与模拟废墟送进路径达到了非常高的匹配度,在3.4m长度中定位精度达到了20 cm以内。

智能内窥镜的形状重建和可视化方法研究

利用磁场等方法进行腔道形状检测的内窥镜显形技术,通常是根据空间离散点位置来重建空间形状曲线,必须借助复杂的设备,成本较高。本文介绍了一种基于光纤光栅形变测试技术的智能内窥镜形状重建和可视化的方法,实现了基于曲率的曲线形状重建技术,并且具有硬件系统原理简单的特点,易于实现,对开发具有形状显示功能的智能内窥镜具有重要意义。本文主要内容包括了基于离散曲率的平面和空间曲线重建方法、典型曲线的实例验证、基于光纤光栅传感器的曲率检测方法、以及平面和空间实际形状检测的试验结果。

基于灰度图像信息的三维形状重建

分析了现行的灰度图像重建三维表面的技术,讨论了影响表面重建精度的因素,并介绍了其关键技术以及发展趋势,从而形成一个基于图像信息的反向工程新方法.

双目立体视觉线驱动蛇形手术机器人的形状重建

针对柔性手术机器人较难实时获取末端柔性段位置和形状信息的问题,提出一种基于双目立体视觉技术的线驱动蛇形机器人形状重建算法。该算法采用双目摄像机采集20组蛇形机器人柔性段不同角度的图片信息作为样本,利用Matlab标定工具箱标定图片样本,提取蛇形机器人标记点特征与形状重建信息。标定好的三维立体视觉系统实时获取机器人柔性段关节标记点图像,根据获取的关节标记点信息实现曲线拟合和形状重建。实验结果表明:实验值和预测值存在一定的误差,但几乎在同一条曲线上,证明该方法应用的可行性。

多光谱生物发光断层成像的光源形状重建

生物发光断层成像(bioluminescence tomography,BLT)是一种利用生物体表面光强测量值重建内部光源分布的光学分子影像技术,为研究常用光传输模型对BLT重建光源形状的影响,该文在相同的模拟测量值条件下,对比研究了辐射传输方程的三阶简化球谐近似(third-order simplified spherical harmonics,SP3)模型和扩散近似(diffusion approxima-tion,DA)模型对光源形状的拟合能力。此外,为了减小重建问题的不适定性,重建中结合了多光谱测量数据和稀疏正则化方法。数字鼠模型上的仿真实验结果表明,基于SP3模型的多光谱BLT重建方法,在不同深度下的不同尺寸的单、双光源重建中均可以更为准确地重建光源的中心位置和形状。

基于光纤应变传感器的柔性管道形状重建应用研究

柔性管道过度弯曲和大应变是管道使用失效的主要因素,实现柔性管道的形态弯曲可视化监测对管道失效评估非常重要。提出利用弱光纤光栅阵列对柔性管道轴向应变进行监测,经线性拟合得到光栅中心波长变化与弯曲曲率关系,并通过形状重建完成管道弯曲监测。利用基于圆弧模型的曲线重建算法对柔性管道进行了弯曲半径分别为20、17、15 m的二维形状重建。结果表明,利用该算法可以恢复柔性管道的形态,且在3种情况下的重建误差分别为9.16%、1.02%、7.05%,监测数据与柔性管道实际几何形态吻合较好。

基于软件SLIDE5.0在堰塞湖天然坝体几何形状重建中的应用

堰塞湖溃决时间通常很短,相对于地震引致的堰塞湖,豪雨引致的堰塞湖事件,通常文献报导较少,且相关描述相当不完整。文中主要研究将堰塞湖天然坝体几何形状建立或重建技术,以有效获得快速溃决的坝体地形基本参数,并且快速进行天然坝体稳定性分析。

顾及Gestalt邻近与简化原则的平面点集形状重建

针对经典Delaunay三角网平面点集形状重构方法存在的经验参数确定和容易出现不符合实际情况的碎洞问题,提出了一种顾及Gestalt邻近与简化原则的Delaunay三角网平面点集形状重构的算法SRGT。首先根据邻近性原则,采用双极差粗差探测技术来识别和定位Delaunay三角网中的极长边,逐步细化三角网中的内外边界;然后基于简化性原则,将形状重构的碎洞优化转化为粗差探测问题,并利用3σ粗差探测原则来实现碎洞的剔除。采用模拟与真实数据验证了本文算法的有效性。与4种经典算法(α-shape、χ-shape、边长比约束法以及■RGG)进行对照试验,表明本文算法的优越性。模拟数据表明SRGT在面状点集为均匀或随机分布时,无须设置先验参数即可有效提取复杂形状的内外边界,并且L2误差范数值明显低于其余4种方法。真实案例的试验结果也表明本文算法在工程实践中具有良好应用效果。

渐进式内窥镜形状的感知和重建

给出并分析了一种内窥镜镜体形状感知系统,特别是给出了曲率传感头的检测原理,及介入装置和控制子系统的设计。将中心波长为1539.234nm和1538.882nm的两根布拉格光纤光栅(FiberBraggGrating)封装在细径基材上,构成直径为3mm应变测量传感器。在介入装置作用下,传感器沿内窥镜活检钳道按平均速度30mm/s间歇式推进,并在介入过程中,每隔50mm等间隔距离采样传感器上的Bragg波长变化值,推算出各点的应变和空间曲率信息。最终运用基于离散点曲率信息的空间曲线拟合方法重建内窥镜镜体的空间形状。实验结果表明:系统原理的可行性,对圆形实验模型的测试表明,传感器插入1000mm后其末端在x、y和z方向上的误差分别为0.5mm、0.8mm和-3.4mm。同时也表明:介入人体的肠道内窥镜形状显示可极大地提高内窥检查安全性。

基于单张人脸图像三维形状模型重建

在人脸图像识别优化的研究中,针对由单张人脸图像重建三维模型时对人脸图像姿态存在要求的问题,为了提高识别精度,提出基于单张人脸图像姿态预估计和主成分分析(PCA)的形状模型重建算法。首先由三维姿态估计方法得到人脸姿态,并建立人脸形状模型样本库,然后通过选取的特征点,利用主成分分析进行三维人脸形状模型的重构,最后利用径向基函数(RBF)变换和特征点坐标精确调整三维人脸形状模型,并进行仿真。仿真结果表明,重构的三维人脸形状模型效果良好,提高了精度,对有旋转姿态的人脸图像和特征点定位误差也有很好的鲁棒性。

单张图片自动重建带几何细节的人脸形状

为了从单张图片中自动快速重建高细节人脸表情模型,提出一种从粗到细逐步优化的方法.首先从单张照片检测到的特征点中,通过多初值迭代方法优化求解对应的三维头部姿态和大尺度的人脸表情;其次以检测到的人脸特征点为依据对不准确的人脸表情进行矫正,并使用非刚性的迭代最近点方法对齐模型上的特征点和图像特征点,使用拉普拉斯坐标影响其余非特征点位置;最后使用带有常量假设的明暗重建形状方法为人脸模型重建细尺度的几何细节,以增加重建模型的逼真度.实验结果表明,文中方法能够在头部大幅度摆动的情况下生成更准确的带有几何细节的人脸模型;该方法不需要对图片的摄像机进行标定,也不需要预先训练或预设用户的特征模型和混合形状,同时不强制约束室内光照以及单调的背景环境.

FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度,本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面,形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明,封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加,黏结层外径的增加对其影响不大,验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中,改进了FBG形状传感器的形状重建算法,末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。

光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究

在医疗内窥镜形状检测方面,传感器的定位精度对病灶的诊断和手术方案的制定起到了关键性的作用。本文在基于利用大长度的光纤光栅曲率传感器进行形状重建的方法上,对抛物、正弦和反正切形式下的理论曲线和实际曲线弧段中的曲率连续化方法进行了优化性研究,提出了三次样条曲率连续化方法。经过实验数据分析得出在算法优化后,对接近光纤光栅弯曲极限的实际曲线弧段中,X、Y方向上使用三次样条曲率连续化法后的坐标点平均拟合精度能够相对提升4.8%和2.2%,成功对二维曲线重建进行了精度改进。同时,曲线的重建响应时间为19 ms,能够满足实时性要求。

一种新型的内窥镜三维形状重构与定位算法

本文在研究智能内窥镜显示系统前提下,提出了一种新的内窥镜形状重构算法以及内窥镜前端的定位方法。在不改变内窥镜结构的情况下,将FBG(fiber bragg grating)传感器阵列内置于内窥镜钳道中,通过测得内窥镜中FBG传感器波长的变化来推导内窥镜任一点相对于内窥镜末端点的位姿,从而利用曲线拟合的方法重构出整个内窥镜的形状以及对前端的定位。受安装条件的限制,FBG传感器检测单元封装在SMA(shape memory alloy)合金丝上的真实位置与理论位置有较大的误差。为了减少安装精度对整个形状重建的影响,对传感器安装误差进行了分析以及对形状重构算法进行了修正。实验结果表明内窥镜前端的位置精度提高到了4.5 mm。

基于视觉的软体机器人位姿测量与控制

气动软体机器人具有良好的灵活性和安全性,适合在非结构化的复杂环境中执行任务。因为很难在软体机器人上安装传感器来直接测量形状和位姿,故难以实现精确的位置控制,其运动精度一般远低于传统刚性机器人。针对上述问题,提出了一种基于视觉的软体机器人形状重建、位姿测量以及逆运动学控制的方法。实验结果表明,采用该方法的软体机器人末端执行器位置的均方根误差小于6 mm,测量关键点位置误差小于2.80 mm,整体形状的位置偏差为1.67 mm,弯曲角度、偏转角度平均误差分别为3.6°和3.4°,控制到达期望位置和角度的最大误差分别为3.47 mm和0.24°。实验结果表明所提出的位姿测量和控制方法对提高软体机器人的运动精度和工作能力有很大的作用。

基于远场模式的散射体形状成像

对线性抽样法的电磁场逆散射求解进行了研究。为避免迭代和优化法的正问题求解,用积分算子将散射物边界数据映射到散射场的远场模式,针对第一类积分方程的不适定性,用Tikhonov正则化法求解,并用高阶收敛算法确定正则化参数以快速数值实现。数值计算结果表明:线性抽样法+确定正则化参数的高阶收敛算法可较好地滤除噪声,减少了确定正则化参数的计算量。

一种新型地下管线方位测量与重建方法

在非开挖管道的探测中,由于管线的绝对位置难以测量,管道中心线的形状重建是一个关键性问题.提出了一种根据管道中心线在离散点上切线的空间方向角进行平面和空间形状重建的方法,通过两相邻离散点之间的空间位置关系,建立递推方程,以此将管道中心线形状重建出来.通过仿真算例验证该方法的重建误差在2%以内.同时也介绍了基于此测量方法的地下管线检测系统中传感头的设计,并进行了相应的实验,获得了良好的效果.

FBG形状传感器应变传递与传感性能研究

为提高光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的形状重建精度,减小光栅点的重建位置误差,设计了一种FBG传感元件结构。通过建立传感元件应变传递力学模型,推导出平均应变传递率表达式,并结合传感元件有限元仿真模型,分析了相关结构参数对传感元件应变传递率的影响,将有限元仿真与理论计算结果进行对比,验证了理论模型的有效性。进而分析了应变传递率对传感系统形状重建精度的影响,得出当光栅点应变传递率保持在90%以上时,光栅点的重建位置误差将保持在0.08mm内。该研究表明,通过合理控制影响参数,可有效提高传感元件应变传递效率,减小传感系统形状重建位置误差,从而提高光纤形状传感器的形状重建定位精度。

基于表面法向差分近似的表面重建新算法

提出一种基于表面法向差分的四向加权形状重建算法。该方法利用不同表面法向差分方法的重建核函数所具有的互补特性,通过对不同重建结果的四向线性加权可以克服经典重建矩阵的奇异性,并能增加算法的抗噪能力。

FBG细径无基材形状传感器

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。由于有基材传感器的弯曲曲率受限,且传感器直径受基材直径的限制,本文封装了一根无基材传感器,总长220mm,直径为1. 5mm,4根光纤布喇格光栅绕中心互成90°分布。通过在波分复用的基础上添加光时分复用来改进传感网络布置,提高测量精度;实验结果表明,该FBG形状传感器的测量精度为2. 86%。