答辩博士：姜涛
指导老师：程筱胜 教授/博导
论文题目：组合式视觉跟踪测量关键技术研究及应用
答辩委员会：
主席：李东波 教授/博导 南京理工大学
委员：达飞鹏 教授/博导 东南大学
陈文亮 教授/博导 南京航空航天大学
田威 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：崔海华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年9月9日14:30
地点：远程视频答辩（腾讯会议）
学位论文简介：
随着制造数字化、智能化技术发展，视觉测量技术逐渐在航空航天等领域的制造现场得到应用，形成了“测量-装调-加工”一体化的制造模式。其中，复杂部件几何量的测量评估及制造装配的测量反馈逐渐成为视觉测量技术的研究热点和难点问题。复杂部件测量空间大、局部测量精度及完整性要求高等特点对组合式测量方法的研究与应用提出迫切需求。本文针对航空航天等领域米级复杂部件测量问题，系统性构建了组合式视觉跟踪测量研究架构，归纳为“两个主体，一个中转”的组合模式，研究了系统模型与标定、组合测量误差传递、中转定位器与跟踪等关键技术，并开展了其在辅助机器人装配方面测量的应用研究，主要工作及贡献如下：
1、提出了组合式视觉跟踪测量系统测量模型和系统性标定方法。研究了归一化单应矩阵的相机标定方法，提高了相机标定的便捷性和灵活性；提出了组合平面大视场双目标定方法和小型一维靶标双目现场校准方法，实现深度1-3 m内定位精度0.06-0.1 mm；遵循组合数据传递规律建立了中转位姿标定模型，基于Kronecker积给出了中转位姿的理论解，组合定位精度0.1 mm。视觉系统及中转位姿的高精度标定保证了组合系统高精度测量。
2、提出了基于不确定度传递的系统误差模型，并利用蒙特卡洛模拟得到全空间误差分布。探究了大视场定位误差、终端测量误差、中转位姿及标定误差对全局误差影响，并进行数值模拟。研究了从终端图像输入不确定度到全局测量空间点不确定度传递与分布特性。结果表明：组合测量系统扩展了测量视场；中转位姿误差增加了全局误差，且是系统误差主要来源；组合系统与双目视觉系统的空间误差分布趋势相近。
3、提出了各向同性球型靶标及全空间快速跟踪策略。提出了基于双目测量与光束平差优化的球型靶标两步标定方法，实现了自身特征点的位置优化和坐标系构建；提出了融合靶标特征置信度的二维图像目标跟踪算法，通过改进MOSSE滤波器实现球型靶标的快速高精度跟踪；利用自适应卡尔曼滤波方法对球型靶标三维运动轨迹进行平滑滤波处理。实验表明：单帧跟踪时间43 ms，跟踪有效率90.64%，实现机器人极限臂展半空间有效跟踪。
4、开展了组合式视觉辅助机器人装配中位姿测量技术研究。建立了组合视觉引导机器人装配模型，给出了基于测量数据辅助机器人姿态调整的计算方法。以机器人轴孔配合为例，探究了轴孔装配特征的提取及位姿计算方法，提出基于极线补偿的双目孔位姿测量方法。结果表明：算法提升了装配孔的识别和测量精度，轴孔配合实验验证了组合测量辅助机器人装配的有效性。
5、基于组合式跟踪测量模型开发了Track-Scan系统，阐述了系统的软硬件架构，并针对不同尺度的航空航天产品进行了测量系统功能和精度测试。探究了组合测量系统辅助航天器舱段钣金件装配应用，提出了具有筋条特征的目标装配位姿估计方法，有效实现钣金件装配。
主要创新点如下：
（1）系统性构建了组合式视觉跟踪测量研究架构，归纳为“两个主体，一个中转”，以系统模型与标定、组合测量误差传递、中转定位器与跟踪为关键技术，形成了基本研究架构，可作为研究组合测量的基本框架和基本工具。
（2）针对组合式视觉测量系统的模型和标定问题，提出系列标定新方法：提出了组合平面靶标大视场双目标定方法和基于柔性一维靶标的现场校准方法，提升双目测量系统的定位精度。提出了组合系统在独立尺度下中转位姿标定方法，利用全局视觉系统与标定板固定关系，依据组合系统数据融合线路，建立中转位姿标定方程，并给出理论解和优化解。
（3）建立了组合视觉测量系统误差传递模型，确定了组合视觉系统各级测量误差对全局误差影响规律，基于简化单目误差模型得到了中转标定中不同标定位姿对测量误差的影响。建立了组合测量模型从图像不确定度到全局点不确定度的传递路线，基于蒙特卡洛仿真和数理统计方法探究了组合测量误差分布情况，揭示了CTVM测量场全空间误差分布规律。
（4）研制了一种各向同性视觉中转定位器，提出了一种置信度修正的二维图像靶标跟踪策略，并通过卡尔曼滤波实现视觉三维轨迹动态平滑估计，实现了机器人半空间轨迹跟踪。
