基于機器視覺的索纜六自由度位移測量方法研究項目摘要

位移是研究索纜動力學行為的重要參量。機器視覺可提供高效且經(jīng)濟的位移測量方案。索纜扭轉(zhuǎn)導致的遮擋問題以及現(xiàn)場難以安裝系統(tǒng)標定所需的標定物等情況，給機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。本項目提出借助帶編碼的筒狀標志物，視覺系統(tǒng)可實現(xiàn)對索纜待測點的持續(xù)跟蹤；研制有一定抗噪能力的編碼標志物以提高圖像質(zhì)量；結(jié)合亞像素定位算法、標志物模型信息及智能算法，研究小目標模糊圖像上特征點的高精度定位方法；探索基于運動柔性體上稀疏特征點的攝像機在線標定方法，采用分步方式來實現(xiàn)高精度、靈活的雙攝像機系統(tǒng)標定，并結(jié)合群智能算法以優(yōu)化標定精度；實現(xiàn)特征點三維空間坐標的高精度重構(gòu)；基于剛體變換及歐拉角理論，建立標志物上特征點的三維位移與待測點六自由度（6DOF）位移之間的轉(zhuǎn)換模型，研究存在噪聲時的非線性尋優(yōu)法，實現(xiàn)6DOF位移測量；研制出完成原理樣機。有望簡化位移監(jiān)測實驗，提高精度，為索纜力學行為及運動控制研究奠定實驗基礎(chǔ)。

機器視覺可提供高效且經(jīng)濟的位移測量方案，但索纜扭轉(zhuǎn)導致的遮擋問題以及應(yīng)用現(xiàn)場難以安裝標定相機系統(tǒng)所需的二維標定物等情況，給機器視覺系統(tǒng)在索纜扭轉(zhuǎn)位移測量上的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。本項目研究了基于機器視覺的扭轉(zhuǎn)位移測量方法的可行性。具體地，本項目系統(tǒng)研究實現(xiàn)了特征點的二維編碼的自動編碼方法、帶編碼筒狀標志物的自動檢測、基于帶編碼的筒狀標志物對旋轉(zhuǎn)運動待測點的持續(xù)跟蹤，研究了特征點的自動檢測方法，實現(xiàn)了基于一維線性標志物的攝像機標定方法，并結(jié)合群智能算法、參數(shù)更新及歸一化方法大幅提升了相機一維標定的精度；實現(xiàn)了特征點三維空間坐標的高精度重構(gòu)；基于差分演化的方式對特征點進行圓柱擬合，并基于剛體變換及歐拉角分解理論，建立標志物上特征點的三維位移與待測點六自由度位移之間的轉(zhuǎn)換模型，初步獲得了平動及扭轉(zhuǎn)位移信息。依托本課題，共培養(yǎng)碩士研究生11名，以第一作者或通信作者身份發(fā)表論文8篇，其中SCI一區(qū)論文3篇，申請發(fā)明專利5項。本研究工作獲專家同行認可，獲得在國家自然科學基金委的“第一屆土木工程青年論壇”上做口頭報告的交流機會。

機構(gòu)自由度分析是機構(gòu)結(jié)構(gòu)學中的首要研究，是運動和動力分析的基礎(chǔ)。多環(huán)耦合機構(gòu)是新型的一類復雜機構(gòu)，它的自由度分析缺乏系統(tǒng)的理論指導。本項研究旨在開拓空間多環(huán)耦合機構(gòu)自由度研究的新方向，通過對關(guān)鍵問題展開深入研究，對現(xiàn)有的基于反螺旋的自由度理論進行創(chuàng)新和發(fā)展，從而建立系統(tǒng)的多環(huán)耦合機構(gòu)的自由度原理。首先，對此類機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，采用機構(gòu)分解或機構(gòu)轉(zhuǎn)換的思想，將多環(huán)耦合機構(gòu)轉(zhuǎn)換為多個簡單單元體或并聯(lián)機構(gòu)來分析，建立耦合特性分析的理論依據(jù)；其次，基于螺旋理論對各單元體或分支進行運動和約束分析，建立過約束的數(shù)學描述；然后，采用幾何分析法探討輸出件的自由度，并由此對原有的自由度公式進行修訂或驗證，確立確實可行的自由度計算公式。最后，再應(yīng)用新建立的理論和公式，對多種不同多環(huán)耦合機構(gòu)的自由度開展研究，通過仿真模擬，進行結(jié)果驗證、并不斷總結(jié)完善，使其形成一套系統(tǒng)的多環(huán)耦合機構(gòu)的自由度分析原理。

機構(gòu)自由度分析是機構(gòu)結(jié)構(gòu)學中的首要研究。作為新型的一類混聯(lián)式機構(gòu)，多環(huán)耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復雜性和耦合性決定了不能直接應(yīng)用現(xiàn)有的方法來對其進行自由度計算，探索多環(huán)耦合機構(gòu)的自由度方法成為了一個新的難題。本項目從最關(guān)鍵的耦合特性和約束分析出發(fā)，提出一種基于螺旋理論的多環(huán)耦合機構(gòu)的自由度求解方法，并針對不同類型的耦合機構(gòu)的分別開展了自由度研究。 對多環(huán)耦合機構(gòu)開展耦合特性分析。根據(jù)節(jié)點類型不同，提出三種基礎(chǔ)耦合模型。并根據(jù)其運動特性，受電學中基爾霍夫定律的啟發(fā)，提出類似的運動分流標記法及標記原則，并擴展應(yīng)用于多環(huán)耦合機構(gòu)，建立了耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)解耦法。應(yīng)用此解耦方法可以將任意多環(huán)耦合機構(gòu)分解為多個具有獨立運動的結(jié)構(gòu)。 基于螺旋理論進行運動約束分析，提出多環(huán)耦合機構(gòu)的等效方法。該等效方法對節(jié)點從機架開始進行分級，以逐級級節(jié)點為研究對象，依次對其進行運動約束分析，基于廣義運動鏈迭代替換的方法，將每一個獨立運動鏈結(jié)構(gòu)等效為一個單鏈，從而將多環(huán)耦合機構(gòu)等效轉(zhuǎn)化為普通并聯(lián)機構(gòu)，即可用我們之前的自由度方法來計算等效并聯(lián)機構(gòu)的自由度。此等效方法不僅有助于正確求得約束，而且大大簡化了分析過程。 應(yīng)用新方法分別對多種典型多環(huán)耦合機構(gòu)自由度開展了深入研究，并通過Solidworks仿真建模、原型對比等方法，表明新方法具有有效性。同時，這些典型機構(gòu)代表了現(xiàn)有多環(huán)耦合機構(gòu)的基本類型，研究結(jié)果進一步表明了新方法對多環(huán)耦合機構(gòu)的適用性。 本項研究是對現(xiàn)有的基于螺旋理論的自由度原理的發(fā)展和創(chuàng)新，可為多環(huán)耦合機構(gòu)的構(gòu)型綜合及設(shè)計開發(fā)提供重要的理論意義和實用價值。發(fā)表學術(shù)論文7篇，其中SCI收錄1篇，EI收錄5篇。 2100433B

按照原計劃執(zhí)行，并將巖土塑性理論拓展到孔隙塑性理論，對當前壩工界高度關(guān)注的高拱壩蓄水誘發(fā)的谷幅變形現(xiàn)象開展了深入研究。圍繞基于熱力學的巖土塑性理論這一主題，在理論分析、材料試驗及數(shù)值模擬等方面開展了一系列研究，取得了較為豐碩的成果，全面達到了預(yù)定的目標。突出進展包括首次建立了基于不可逆熱力學的非彈性結(jié)構(gòu)動力問題的Hamilton原理，基于顆粒相似材料的精細粘滑機理實驗研究，粘彈性-粘塑性-粘性損傷本構(gòu)模型及其在水力劈裂和鹽巖儲庫變形穩(wěn)定中的應(yīng)用，孔隙塑性理論及在高拱壩蓄水誘發(fā)的谷幅變形的應(yīng)用，等等。項目成果已經(jīng)在錦屏一級、松塔、白鶴灘、孟底溝等拱壩整體穩(wěn)定性評價，巖鹽密集儲氣庫，大同煤礦石炭系厚煤層堅硬頂板等國家重大巖石工程中得到應(yīng)用。研究期間，項目已發(fā)表SCI檢索論文6篇，EI檢索論文10篇，發(fā)表國際/國內(nèi)大會特邀報告6次；畢業(yè)博士生8人，其中4人獲國家獎學金；出站博士后1人，獲得中國大壩工程學會第八屆汪聞韶院士青年優(yōu)秀論文獎。項目負責人楊強獲得國家科技進步二等獎一項，省部級科技進步一等獎三項，獲得中國力學學會首屆黃文熙-陳宗基巖土力學獎的巖石力學成就獎，并當選為國際巖石力學與巖石工程學會（ISRM）副主席，獲邀在國際水動力滑坡研討會上做45分鐘大會報告，并做第三屆“谷德振講座”特邀報告。 2100433B