面向核聚变实验堆遥操作的增强现实技术

摘要

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是解决未来能源问题的一大途径，由于实验堆内部高真空、高辐射的极端恶劣环境，需要通过遥操作机械臂来完成实验堆内部的维修与清理等工作。如何稳定精确地远程操作机械臂来进行相关操作是问题的关键。
　　本文研究国内外遥操作机械臂系统的增强现实技术，力图开发遥操作的增强现实仿真环境，对真实场景三维数据进行采集、传输、导入以及增强显示，实现人机交互技术，测量目标的姿态等问题展开了研究，主要研究内容如下:
　　ITER系统内壁往往采用分块制造再装配的形式，单块模型可近似看作平面，此时目标的姿态测量问题可转化为求单个平面姿态的问题。通过对内壁进行扫描，可得到含有平面信息的点云数据。本文提出基于随机抽取一致性(RANSAC)的稳健点云平面拟合算法，该方法先用RANSAC算法从点云数据中检测并剔除异常数据点，再利用最小二乘法将得到的有效数据点拟合，计算平面模型参数，得到点云平面的姿态。由于内壁有多个矩形面，还可采用基于点特征的姿态估计方法，利用单目相机得到矩形四个顶点的图像坐标，在不需要知道矩形空间位置和矩形大小的情况下，计算出矩形平面在相机坐标系下的姿态。采用基于结构光的光学三维扫描系统对模型进行扫描，采集得到点云数据，并利用Geomagic软件对数据进行数据拼接、精简、封装、合并、结果的输出等处理，通过客户端胡艮务器(client-server)模式的数据传输系统进行数据的传输，最后搭建增强现实软件仿真平台实现三维采集数据的导入与增强现实显示以及交互操作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 结合遥操作的增强现实系统的研究现状

1．2．2 目标姿态估计的研究现状

1．3 本文研究内容和结构

第2章 基于光学三维扫描系统的三维数据获取

2．1 三维扫描技术

2．2 光学三维扫描技术的基本原理

2．3 3D CaMega光学三维扫描系统简介

2．3．1 仪器简介

2．3．2 硬件组成

2．4 光学三维扫描及数据处理

2．4．1 3D CaMega光学三维扫描仪操作方法及流程

2．4．2 三维点云数据处理

2．5 本章小结

第3章 基于三维点云平面的姿态估计

3．1 平面拟合

3．2 传统的平面拟合算法

3．2．1 最小二乘法平面拟合

3．2．2 特征值法平面拟合

3．3 基于RANSAC的稳健点云平面拟合

3．3．1 RANSAC算法原理

3．3．2 RANSAC算法中参数的选取

3．3．3 结合最小二乘法的RANSAC算法平面拟合

3．3．4 提取矢量化信息

3．4 实验结果及分析

3．4．1 三种算法的对比

3．4．2 RANSAC算法对含有不同程度噪声的点云数据的拟合比较

3．4．3 对实际点云数据的拟合

3．5 本章小结

第4章 基于点特征的姿态估计

4．1 摄像机标定

4．1．1 摄像机模型

4．1．2 实验标定结果及精度

4．2 平面矩形顶点提取

4．2．1 基于Hough变换的矩形顶点提取

4．2．3 基于矩形区域内角点检测的矩形顶点提取

4．3 基于单目视觉的姿态测量方法

4．3．1 算法的推导

4．3．2 算法的仿真实验

4．3．3 实际数据中目标平面的确定

4．4 本章小结

第5章 系统实现与增强现实显示

5．1 系统开发环境

5．1．1 硬件平台

5．1．2 软件平台

5．2 实验数据采集与传输

5．2．1 实验数据采集

5．2．2 采集数据的传输

5．3 模型构建与增强现实显示

5．3．1 增强现实环境中模型的显示

5．3．2 增强现实环境中的交互操作

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢