1 天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222
2 天津三星视界移动有限公司，天津 300385
针对双屏视觉标靶前、后感光成像屏位姿关系难以标定的问题，提出一种基于坐标点云的感光成像屏位姿标定方法。该方法分别将前、后感光成像屏划分为n行n列的网格阵列，通过全站仪测量感光成像屏上每个网格角点的空间三维坐标，并利用工业相机实时获取感光成像屏上每个网格角点的图像二维坐标，结合图像二维坐标和空间三维坐标获得2D-3D映射关系，从而得到坐标点云数据。根据三公共点坐标系转换算法将坐标点云数据中的三维坐标统一到标靶坐标系下，进而确定相机与前、后感光成像屏的位姿关系，再通过网格索引方法对前、后感光成像屏的位姿关系进行求解。为评价标靶位姿测量精度，设计了静态测量重复性精度评定实验和绝对测量精度评定实验。实验结果表明：该标定方法的坐标静态测量重复性精度为0.13 mm、绝对测量精度为0.93 mm；方位角静态测量重复性精度优于0.01°、绝对测量精度优于0.05°。因此，该标定方法可以实现两个空间平面位姿关系的精确标定，且具有操作简便、精度高等特点，可用于双屏视觉标靶的标定。
视觉测量 顶管机导向 坐标点云 网格标定 vision measurement guidance of pipe jacking machine coordinate point cloud grid calibration 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210933
1 天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222
2 天津恒度量子精密仪器技术有限公司，天津 300384
针对直线顶管掘进机在掘进导向中所面临的响应速度慢、成本高的问题，提出了一种基于双相机靶标的实时位姿测量方法。利用对向安装的两个工业相机及两块感光成像屏组成测量标靶，并辅以一道已知空间方位信息的指示激光。所提方法利用光斑图像分析处理、标定网格检索以及欧拉角解算技术，可完成掘进机相对计划线在工程坐标系下水平/垂直偏差的测量，进而实现导向。实验结果表明，所提双相机标靶的方位角重复性测量精度优于0.03°、绝对测量误差小于0.05°、水平/垂直偏差测量误差小于3 mm，完全满足直线顶管掘进机实时精确导向需求。
视觉光学 视觉测量 直线顶管导向 双相机标靶 位姿测量 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0433001
1 天津科技大学电子信息与自动化学院, 天津 300222
2 天津恒度量子精密仪器技术有限公司, 天津 300384
针对现有双护盾硬岩隧道掘进机(TBM)导向系统中前盾/支撑盾位姿测量方法普遍存在的结构复杂、可靠性差、成本高和精度低的问题,提出了一种基于工业相机和异形主动标靶进行非接触快速测量的新方法,利用机器视觉、空间位姿变换及多传感器融合/标定等技术,可以实现在强振动掘进状态下对双护盾TBM进行稳定导向的功能。实验结果表明,本文所提方法可实现前盾/支撑盾六自由度空间位姿的高性能测量,测量频率不低于20 Hz,盾构机特征点静态坐标测量误差小于5 mm@(3 m×2 m×6 m),动态坐标测量误差小于10 mm@(振幅为3 mm,频率为20 Hz),可以应用在双护盾TBM导向系统中。
机器视觉 非接触测量 双护盾导向 异形标靶 多传感器融合 激光与光电子学进展
2021, 58(24): 2415001
1 天津科技大学 电子信息与自动化学院, 天津 300380
2 力信测量(上海)有限责任公司, 上海 200120
为了解决煤矿掘进机位姿测量的问题, 将一组反向同轴安装的工业相机和捷联惯性导航系统组装成测偏单元, 并结合视觉测量和惯性导航技术提出了一种基于空间矢量约束的实时位姿组合测量方法。该方法通过测偏单元测得激光指向仪光源光斑的空间矢量、掌子面光斑的空间矢量和掘进机的姿态信息, 建立空间矢量约束方程以及坐标系转换得到掘进机位置信息, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过该方法能得到掘进机实时位姿的六自由度信息。该方法可用于煤矿掘进机的位姿测量, 具有广阔的应用和发展前景。
测量与计量 掘进机 视觉测量 惯性导航 空间矢量 measurement and metrology roadheader vision measurement inertial navigation space vector
1 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 神华神东煤炭集团有限责任公司, 神木 719315
3 上海力信测量技术有限公司, 上海 201203
针对煤矿井下掘进机实时位姿自动检测的难题, 通过分析比较现有几种位姿测量方法的优缺点, 提出了一种基于视觉/惯导的掘进机位姿组合测量方法。该方法通过激光捷联式惯导系统得到掘进机的姿态信息、单目视觉测量掘进机的位置信息, 从而实现掘进机实时位姿的5自由度测量。依托大柳塔煤矿的快掘设备对该方法进行了实验验证。结果表明, 姿态测量精度为0.1°, 静态漂移的标准差不大于0.25°, 位置定位精度优于1cm。该方法能够用于掘进机实时位姿测量, 具有广阔的工程应用前景。
测量与计量 视觉测量 捷联式惯性导航系统 单目视觉 位置与姿态 自由度 measurement and metrology vision measurement strapdown inertial navigation system monocular vision position and attitude degree-of-freedom
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
提出了一种基于光电扫描和捷联惯性导航系统(SINS)的组合导航算法。基于实际测量结果，对车间测量定位系统(wMPS)动态测量数据进行时间序列分析，证明了wMPS动态测量误差可以通过一阶自回归过程建模。基于SINS的误差模型和wMPS动态测量误差的时间序列分析结果，建立了室内组合导航系统卡尔曼滤波模型，并进行了算法仿真实验。仿真结果表明，组合导航系统同时具有SINS的高数据率和wMPS的高精度，系统整体性能得到了极大提升。
测量 光电扫描 捷联惯性导航系统 组合导航 卡尔曼滤波 时间序列分析 激光与光电子学进展
2016, 53(10): 101201
1 天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 军械工程学院 光学与电子工程系, 河北 石家庄 050003
在室内组合定位系统中, 不同子系统之间相互姿态关系的确定是通过对准过程实现的。使用惯性器件进行组合定位, 通常航姿参考系统AHRS是以地理坐标系(E-N-U)作为导航坐标系。然而, 在室内导航任务中, 导航坐标系一般根据用户需求建立在厂内标志点或工装坐标系等自定义位置。针对这一问题, 提出一种将地理坐标系与自定义坐标系相互转换的新方法, 通过激光跟踪仪建立的外部基准, 提出了基于方向余弦矩阵的标定算法, 实现了地理坐标系与外部参考坐标系之间的相互转换。实验结果表明: AHRS任意位姿下的转换姿态角度均方根误差小于0.25°。
组合定位 方向余弦矩阵 捷联惯导 激光跟踪仪 integrated location direction cosine matrix strapdown inertial navigation system laser tracker 红外与激光工程
2016, 45(5): 0531002
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
车间测量定位系统(wMPS)是一种新型的光电扫描分布式测量系统。为提高其动态坐标测量精度，对wMPS的动态坐标测量原理进行了介绍。以扩展卡尔曼滤波算法(EKF)为基础，建立了匀速直线运动模型。并对模型及算法进行了计算机仿真，结合仿真结果，以ABB IRB 2400工业机器人为实验平台，对所提出的方法进行了实物实验验证。实验结果表明：所应用的EKF算法不但可以替代传统的最小二乘算法，实现对运动物体轨迹的估计，还可以减少wMPS动态测量过程中的随机误差,提高精度,完全满足工业现场对移动物体测量定位的需求。
测量 车间测量定位系统 扩展卡尔曼滤波 动态坐标测量 光电扫描 激光与光电子学进展
2016, 53(5): 051201
