基于机器视觉的索缆六自由度位移测量方法研究

机器视觉可提供高效且经济的位移测量方案，但索缆扭转导致的遮挡问题以及应用现场难以安装标定相机系统所需的二维标定物等情况，给机器视觉系统在索缆扭转位移测量上的应用提出了挑战。本项目研究了基于机器视觉的扭转位移测量方法的可行性。具体地，本项目系统研究实现了特征点的二维编码的自动编码方法、带编码筒状标志物的自动检测、基于带编码的筒状标志物对旋转运动待测点的持续跟踪，研究了特征点的自动检测方法，实现了基于一维线性标志物的摄像机标定方法，并结合群智能算法、参数更新及归一化方法大幅提升了相机一维标定的精度；实现了特征点三维空间坐标的高精度重构；基于差分演化的方式对特征点进行圆柱拟合，并基于刚体变换及欧拉角分解理论，建立标志物上特征点的三维位移与待测点六自由度位移之间的转换模型，初步获得了平动及扭转位移信息。依托本课题，共培养硕士研究生11名，以第一作者或通信作者身份发表论文8篇，其中SCI一区论文3篇，申请发明专利5项。本研究工作获专家同行认可，获得在国家自然科学基金委的“第一届土木工程青年论坛”上做口头报告的交流机会。

位移是研究索缆动力学行为的重要参量。机器视觉可提供高效且经济的位移测量方案。索缆扭转导致的遮挡问题以及现场难以安装系统标定所需的标定物等情况，给机器视觉系统的应用提出了挑战。本项目提出借助带编码的筒状标志物，视觉系统可实现对索缆待测点的持续跟踪；研制有一定抗噪能力的编码标志物以提高图像质量；结合亚像素定位算法、标志物模型信息及智能算法，研究小目标模糊图像上特征点的高精度定位方法；探索基于运动柔性体上稀疏特征点的摄像机在线标定方法，采用分步方式来实现高精度、灵活的双摄像机系统标定，并结合群智能算法以优化标定精度；实现特征点三维空间坐标的高精度重构；基于刚体变换及欧拉角理论，建立标志物上特征点的三维位移与待测点六自由度（6DOF）位移之间的转换模型，研究存在噪声时的非线性寻优法，实现6DOF位移测量；研制出完成原理样机。有望简化位移监测实验，提高精度，为索缆力学行为及运动控制研究奠定实验基础。

机构自由度分析是机构结构学中的首要研究，是运动和动力分析的基础。多环耦合机构是新型的一类复杂机构，它的自由度分析缺乏系统的理论指导。本项研究旨在开拓空间多环耦合机构自由度研究的新方向，通过对关键问题展开深入研究，对现有的基于反螺旋的自由度理论进行创新和发展，从而建立系统的多环耦合机构的自由度原理。首先，对此类机构进行结构分析，采用机构分解或机构转换的思想，将多环耦合机构转换为多个简单单元体或并联机构来分析，建立耦合特性分析的理论依据；其次，基于螺旋理论对各单元体或分支进行运动和约束分析，建立过约束的数学描述；然后，采用几何分析法探讨输出件的自由度，并由此对原有的自由度公式进行修订或验证，确立确实可行的自由度计算公式。最后，再应用新建立的理论和公式，对多种不同多环耦合机构的自由度开展研究，通过仿真模拟，进行结果验证、并不断总结完善，使其形成一套系统的多环耦合机构的自由度分析原理。

机构自由度分析是机构结构学中的首要研究。作为新型的一类混联式机构，多环耦合机构的结构复杂性和耦合性决定了不能直接应用现有的方法来对其进行自由度计算，探索多环耦合机构的自由度方法成为了一个新的难题。本项目从最关键的耦合特性和约束分析出发，提出一种基于螺旋理论的多环耦合机构的自由度求解方法，并针对不同类型的耦合机构的分别开展了自由度研究。 对多环耦合机构开展耦合特性分析。根据节点类型不同，提出三种基础耦合模型。并根据其运动特性，受电学中基尔霍夫定律的启发，提出类似的运动分流标记法及标记原则，并扩展应用于多环耦合机构，建立了耦合机构的结构解耦法。应用此解耦方法可以将任意多环耦合机构分解为多个具有独立运动的结构。 基于螺旋理论进行运动约束分析，提出多环耦合机构的等效方法。该等效方法对节点从机架开始进行分级，以逐级级节点为研究对象，依次对其进行运动约束分析，基于广义运动链迭代替换的方法，将每一个独立运动链结构等效为一个单链，从而将多环耦合机构等效转化为普通并联机构，即可用我们之前的自由度方法来计算等效并联机构的自由度。此等效方法不仅有助于正确求得约束，而且大大简化了分析过程。 应用新方法分别对多种典型多环耦合机构自由度开展了深入研究，并通过Solidworks仿真建模、原型对比等方法，表明新方法具有有效性。同时，这些典型机构代表了现有多环耦合机构的基本类型，研究结果进一步表明了新方法对多环耦合机构的适用性。 本项研究是对现有的基于螺旋理论的自由度原理的发展和创新，可为多环耦合机构的构型综合及设计开发提供重要的理论意义和实用价值。发表学术论文7篇，其中SCI收录1篇，EI收录5篇。 2100433B

按照原计划执行，并将岩土塑性理论拓展到孔隙塑性理论，对当前坝工界高度关注的高拱坝蓄水诱发的谷幅变形现象开展了深入研究。围绕基于热力学的岩土塑性理论这一主题，在理论分析、材料试验及数值模拟等方面开展了一系列研究，取得了较为丰硕的成果，全面达到了预定的目标。突出进展包括首次建立了基于不可逆热力学的非弹性结构动力问题的Hamilton原理，基于颗粒相似材料的精细粘滑机理实验研究，粘弹性-粘塑性-粘性损伤本构模型及其在水力劈裂和盐岩储庫变形稳定中的应用，孔隙塑性理论及在高拱坝蓄水诱发的谷幅变形的应用，等等。项目成果已经在锦屏一级、松塔、白鹤滩、孟底沟等拱坝整体稳定性评价，岩盐密集储气库，大同煤矿石炭系厚煤层坚硬顶板等国家重大岩石工程中得到应用。研究期间，项目已发表SCI检索论文6篇，EI检索论文10篇，发表国际/国内大会特邀报告6次；毕业博士生8人，其中4人获国家奖学金；出站博士后1人，获得中国大坝工程学会第八届汪闻韶院士青年优秀论文奖。项目负责人杨强获得国家科技进步二等奖一项，省部级科技进步一等奖三项，获得中国力学学会首届黄文熙-陈宗基岩土力学奖的岩石力学成就奖，并当选为国际岩石力学与岩石工程学会（ISRM）副主席，获邀在国际水动力滑坡研讨会上做45分钟大会报告，并做第三届“谷德振讲座”特邀报告。 2100433B