针对单目光笔式三维测量系统测量范围小、无法实现全空间测量的问题,提出了一种基于精密旋转台的全空间光笔式单目视觉测量方法。将相机固定在精密旋转台上,在不同的角度对标定板进行拍摄,获取不同角度下相机光心在标定板坐标系下的位置。通过主成分分析(PCA)平面拟合获得相机光心所在平面和相机旋转运动的转轴方向矢量,使用空间最小二乘圆拟合获得相机旋转轴的位置。借助精密转台读数和罗德里格斯公式将转台的旋转角度变换为相机的旋转矩阵和平移向量。利用计算出来的变换矩阵将旋转一定角度后不同位置相机的测量数据转换到同一转台坐标系中,实现全空间测量。实验结果表明,在使用相同光笔的测量系统中,本文方法在基本达到传统单目光笔测量系统测量精度的前提下,可实现360°全空间测量,极大地拓展了单目光笔的应用范围。

针对可旋转相机的参数标定问题, 提出了一种基于二维旋转平台的相机成像模型。首先,通过一对坐标系的变换与逆变换, 将相机的旋转平移变换关系转换为二维旋转平台纯旋转关系;然后,借助旋转平台读数以及相机到旋转平台的固定变换关系, 实现相机内参的精确标定以及任意位置间相机外参的相互转换;最后,利用标定出的相机与旋转平台间变换矩阵实现不同位置相机参数的转换。相比于传统固定相机的标定方法, 本文提出的方法标定获得的相机内参具有更好的收敛性, 而且能够标定出相机到旋转平台的变换矩阵, 从而实现相机坐标系变换参数的精确计算。实验结果表明, 在标定模板图像数量相同时, 与常用的张氏标定法相比, 本文提出的方法标定获得的相机内参具有更快的收敛速度。棋盘格角点重投影坐标与实际拍摄图像中棋盘格角点坐标相对比, 平均误差约为0.12 pixel, 表明该方法具有较高精度。

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小, 结构与控制系统复杂的问题, 提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模, 确定了系统运动方程。然后, 分析其作动机理, 研究影响旋转平台转速的不同因素。最后, 实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性, 确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明, 在直流偏置为60 V, 峰峰电压为120 V, 频率为180 Hz的正弦波电压激励下, 该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2 μrad/s, 分辨率和最大负载分别为3 μrad和60 g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比, 设计的平台具有行程大, 精度高, 结构简单, 稳定可控, 且装配调试方便, 易于批量化生产等优势。