1 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 宝山200444
2 中国科学院 上海光学精密机械研究所 高功率激光物理联合实验室，上海 嘉定01800
本文提出一种基于CAD立体模型匹配的位姿测量方法，用于解决高功率激光装置中微小靶的高精度定位问题。该方法利用CAD文件信息构建靶的立体模型，将立体模型与3-CCD多源图像进行关联匹配，避免了传统定位方法中将多源图像单独处理产生的误差叠加问题。本文基于模型探索点的Chamfer距离转换定义靶的匹配度函数，用于评估模型与靶的匹配程度，并利用遗传算法（GA）对该函数进行寻优求解得到靶的测量位姿。针对GA容易陷入局部最优值问题，提出一种基于分层的自适应遗传算法（HAGA）提高算法的搜索精度和效率。为提升复杂工程的系统调试效率，本文利用OpenGL图形库搭建仿真系统，实现靶的仿真成像、离线算法调试等功能。仿真系统避免了系统中安装误差、加工误差以及相机环境光等诸多因素的干扰，能够更方便的对算法进行调试和验证，提高工程效率；实验还搭建了3-CCD定位测量平台用于对不同靶型准直状态的定位调整。测量结果显示靶的平移定位误差小于3.5 μm，角度误差小于0.07°，其误差小于实际测量系统的误差要求，验证了测量算法在实际工程中应用的可行性。
高功率激光装置 CAD模型 靶定位 遗传算法 OpenGL仿真 high power laser device CAD model target positioning genetic algorithm OpenGL simulation 光学 精密工程
2023, 31(14): 2040
1 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200444
2 重庆大学机械传动国家重点实验室, 重庆 400044
3 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
提出一种基于Adaboost算法的楼宇场景分类方法,用于移动机器人在未知楼宇环境中进行自主环境感知和地图构建。所提方法采用激光传感器获得环境局部栅格地图,并对该地图进行特征提取;然后利用Adaboost算法构建场景分类器,针对不同场景选择有效边界点;采用基于边界的遍历式路径规划策略,由边界点确定移动机器人的导航路径。实验结果表明,移动机器人能够在未知楼宇环境中进行自主巡视,并利用自带的同步定位与建图(SLAM)技术将探测到的局部栅格地图拼接为完整的楼宇环境地图,实现自主导航。
探测器 自主导航 激光传感器 地图构建 楼宇场景分类 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1404001
上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台, 提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略, 通过对送靶机构的主动运动控制, 实现了图像雅可比矩阵的在线自标定; 利用增量式 PI 控制方法对送靶机构进行控制, 实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中, 基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07 μm, 姿态调整误差为0.02 μrad; 而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16 μm, 姿态调整误差为0.07 μrad。实验结果表明: 基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性, 靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。
靶定位 姿态调整 图像雅克比矩阵 基于图像的视觉控制 显微视觉 target positioning pose adjustment image Jacobian image-based visual control microscope vision
1 吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室, 吉林 长春 130012
2 吉林大学中日联谊医院, 吉林 长春 130033
很多致命的疾病都与细菌感染密切相关, 快速、 准确地检测和鉴定细菌及微生物, 一直是微生物学家及有关科研工作者追求的目标, 拉曼光谱可以提供丰富的谱图信息, 而表面增强拉曼光谱(SERS)有很高的检测灵敏度, 然而一些贵金属SERS基底却容易使蛋白质变性, 影响检测结果。 以大肠杆菌(E.Coli)作为目标检测细菌, 首先检测到大肠杆菌的拉曼光谱, 之后采用两种不同的SERS基底(ZnO, Ag溶胶)进行检测。 结果表明Ag溶胶基底有很强且较丰富的SERS信号, 但是相对于E.Coli的本体拉曼谱峰有较大位移, 说明与银溶胶相互作用的细菌存在一定的蛋白质变性过程; 而ZnO纳米粒子与细菌作用的SERS信号虽然较弱, 但是与E.Coli的本体拉曼信号较为相似, 说明ZnO纳米粒子对E.Coli本体基本无损, 这将有利于SERS在生物体系的无损检测。 该结果可以为利用生物相容性好的半导体SERS基底进行细菌的检测提供有益的参考。
半导体纳米粒子 细菌 表面增强拉曼光谱 无损检测 Semiconductor nanoparticles Bacterial Surface enhanced Raman spectroscopy Non-destructive detection 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1403
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学计算机科学与技术学院, 吉林 长春 130022
依据双向反射分布函数理论, 推导出散射光谱的加和性原理。 散射光谱加和性是指对于材质质点之间无相互作用的平面漫反射体系, 在光源与入射面材质不存在干涉、 衍射、 荧光、 光谱上转换和光谱下转换等相互转换作用, 且无光化学现象及非线性效应发生的前提下, 且符合能量守恒定律的同时, 由单光源或多光源照射的材料的散射光谱, 等于该材料中每种材质的散射光谱的线性叠加。 实验上, 以几种材料的散射光谱为例, 通过改变探测条件、 照明条件和材质比例, 进行了散射光谱加和性的实验验证, 并且针对实验结果进行了误差分析。 单光源条件下的最大实验误差为2.64%, 多光源条件下则为2.35%, 加和计算偏差均在实验误差允许范围内。 由此证明了材料的散射光谱具有加和性, 不受组成的材质差异性、 材质的面积比例组合多样性、 以及实验条件多变性影响。 散射光谱加和性的首次提出, 不仅为基于散射光谱的复杂结构体的特征提取及识别研究提供了确切的理论依据和有效的分析方法, 而且对相关的实验分析和应用研究有着重要的借鉴和参考意义。
散射光谱 加和性 双向反射分布函数 Scatting spectrum Additivity Bidirectional reflectance distribution Function BRDF BRDF 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1027
上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
为实现单目摄像头对一般工业零件的六自由度位姿测量, 研究了离线模板库自动建立, 图像处理以及优化匹配3个方面的问题。首先, 由STL文件格式的CAD文件建立不同观察方位下的匹配模板, 定义了一种方便模板库调用并有图像意义的位姿描述参数。然后, 对 Chamfer Match方法进行改进, 将距离映射图按边缘倾角分层, 结合模板探索点的倾角进行匹配, 在不增加运算量的情况下提升匹配度函数的灵敏性。最后, 使用加入了退火算法的遗传算法进行最优搜索, 从而提高匹配效率。实验结果表明: 基于文中的方法完成一次位姿测量耗时在500 ms以内, 搜索可以获到正确的结果。在330 mm观察距离上, 平移误差和深度方向误差分别控制在1 mm、2 mm以内, 转角误差为1°左右。得到的结果基本满足单目视觉六自由度位姿快速匹配自动测量的要求。
单目视觉 位姿测量 CAD模型 Chamfer距离 优化匹配 monocular vision pose estimation CAD model Chamfer distance Optimal matching
1 长春理工大学理学院,长春 130022
2 解放军理工大学,南京 210000
邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二乙酯是三种最常用的塑化剂,由于结构以及形态较为相似,使得其检测和分析比较困难。本文首先利用Gaussian03软件使用DFT三参数混合方法基于基组3-21G优化出了三种常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯以及邻苯二甲酸二乙酯的空间结构,得到了理论拉曼光谱并对其特征频移及其振动模式进行了指认。同时实验测量了这三种常用塑化剂的分析纯级样品拉曼光谱并与其理论拉曼光谱分别做了对比,显示出很好的一致性。最后对三种常用塑化剂的晶格结构进行了分析与讨论。
拉曼光谱 邻苯二甲酸二辛酯 邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二乙酯 Raman spectrum Dioctyl phthalate Dibutyl phthalate Diethyl phthalate
吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室, 吉林 长春 130012
利用静电纺丝技术制备了一种聚丙烯腈/银纳米粒子复合纳米纤维的表面增强拉曼光谱基底.通过调节聚丙烯腈溶液的浓度可得到不同直径、不同厚度的纤维薄膜,将聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液与硝酸银溶液混合得到聚丙烯腈/Ag种子溶液,然后利用静电纺丝技术制备聚丙烯腈/Ag种子/AgNO3复合纳米纤维;加入AgNO3并利用水合肼二次还原后可制备适合拉曼检测的聚丙烯腈/Ag纳米粒子复合纤维膜,聚合物纤维表面和内部的金属纳米粒子的密度可调节.通过调节不同的纳米粒子的密集程度,可构筑出具有较高的电磁场增强效果的特殊的“热”结构(高局域强电磁场的亚波长区域).而聚合物纤维内部的银纳米粒子可通过溶胀作用吸附更多的探针分子,提高拉曼检测的灵敏度.该基底有很好的SERS信号,并且可大规模制备。
静电纺丝 聚丙烯腈 银纳米粒子 表面增强拉曼(SERS) Elelctrospinning Polyacrylonitrile Ag nanoparticle Surface enhanced Raman scattering 光谱学与光谱分析
2015, 35(7): 1899
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春130000
2 西安卫星测控中心, 陕西 西安710000
采用地基光谱探测技术, 观测到了最低亮度为4.2星等的空间碎片其分辨率为0.5 nm的高精度散射光谱。 并对卫星残骸和火箭残骸的光谱数据进行了归一化处理和离散率分析, 得到了不同类别目标的明显区别。 火箭残骸的多帧散射光谱归一化后线型一致, 而对于卫星的多帧散射光谱归一化后线型不一致, 对归一化的空间碎片的每一帧光谱求离散率, 得到的结果为火箭残骸的离散率低, 都在0.978%～3.067%之间, 且波动差值及平均值较小; 而卫星的每帧归一化散射光谱的离散率高, 在3.1184%～19.4727%之间。 且波动差值及平均值较大。 原因是火箭残骸的结构简单, 组成材料较单一, 卫星的结构复杂, 组成材料较多。 因此散射光谱分析可以应用于空间碎片分类的研究。
空间碎片 散射光谱 离散率 失效卫星 火箭残骸 Space fragment Scattering spectroscopy Discrete rate Lapsed satellites Docket debris 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1464
上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度, 提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测, 利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集, 并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。 基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源, 包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行, 实现了理想条件下的零误差定位调整; 调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5 μm, 角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行, 故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。
高功率激光装置 CCD监测 靶定位 误差分析 high power laser device CCD measurement target positioning OpenGL OpenGL error analysis
