单透镜成像系统的端到端设计方法研究
这是一篇关于单透镜计算成像,端到端设计,图像复原,误差分析,误差校正的论文, 主要内容为成像系统已经成为现代社会不可或缺的应用设备,小到手机摄像头、生物医学镜头,大到天文望远镜、遥感相机等,成像系统为人们的日常生活、生产制造、科研探索提供了巨大帮助。随着科技的发展,人们对于成像系统的要求也越来越高,例如,成像质量、视场、景深以及系统的体积和质量都是重要的评价指标。然而,在传统的成像系统设计中,为了提高成像质量,往往会使用大量且复杂的镜片组合,这导致现有的商业镜头通常比较笨重,而且价格不菲。近年来,一种新兴的单透镜计算成像技术引起了部分学者的关注。该技术通过一片透镜实现光学成像,然后再通过图像复原算法去除图像中的像差模糊,有望在保证成像质量的同时,大大减小系统的体积和质量,并且降低成像系统的成本。该技术的关键在于通过对透镜和算法的设计,最大可能地降低图像模糊。此外,如何降低设计效果和实际成像效果的差异也是该技术的难点,解决该难点将有利于促进该技术走向实际应用。针对以上单透镜计算成像技术的关键及难点,本文研究了一种单透镜成像系统的端到端设计方法,主要研究内容和工作如下:首先,为单透镜计算成像建立了端到端设计所需的系统模型。该模型融合了光学成像模型和图像复原模型,在给定的单透镜参数下能够得到仿真的模糊图像,随后,在给定的复原算法参数下,能够得到去除模糊的复原图像。通过可微光线追迹,复原图像对于单透镜参数和复原算法参数都是可微的,因此,通过该模型能够实现对单透镜参数和复原算法参数的同时优化。在单透镜成像系统模型的基础上,通过梯度下降算法建立了单透镜系统的端到端优化框架。随后,在端到端优化结果的基础上,通过蒙特卡洛方法分析了加工和装配误差对系统成像性能的影响,对单透镜系统在误差影响下的成像性能下限进行了预估。并且提出了一种单透镜成像系统的端到端误差校正方法,从而降低误差对单透镜系统实际成像性能的影响。最后,通过一系列实验表明,所设计的单透镜计算成像系统相比设计预期成像质量仅下降4%,能够达到商业复杂镜头成像质量指标的98%,在各种场景下均具有与商业复杂镜头相媲美的成像性能。因此,我们所研究的设计方法在航天系统、无人系统、手机设备等领域具有重要的意义与价值。
钢轨平直度检测仪设计及误差分析与性能实验研究
这是一篇关于钢轨平直度检测,激光位移传感器,误差分析,AD7606,单片机的论文, 主要内容为钢轨轨道的平顺程度不仅影响着列车的运行速度和乘坐舒适性,而且会导致剧烈噪声和加速列车损坏,甚至危及行车安全。我国铁路行业的快速发展,对钢轨轨道的平顺程度要求的提高,导致铁路维修人员维护工作日益繁重。为了减轻铁路维修人员的工作负担,便携式钢轨平直度检测仪在国内被广泛应用。由于国内的高精度的便携式平直度检测仪起步较晚,目前国内的高精度平直度检测仪均是国外进口。针对上述问题,本文基于激光位移传感器完成一种钢轨平直度检测设备,完成检测仪的结构与软硬件设计,通过精密级大理石量块为基准对检测仪的测量误差进行分析与消除,对钢轨平直度检测仪的检测精度、重复精度进行实验研究。具体研究内容如下:针对钢轨平直度的检测需求,确定了采用精密级直线模组驱动两组(四个)激光位移传感器进行钢轨平直度测量的检测方案。完成了检测仪精密移动驱动装置、传感器安装定位装置、支撑定位装置的详细结构设计;根据检测仪检测系统需要实现高精度数据采集、无线通信和精密模组运动控制的需求,完成了检测仪电气控制系统主芯片、AD模块、蓝牙通讯模块的选型,确定了采用AD7606模块实现高精度数据采集,采用蓝牙HC05模块实现无线通信;以锂电池为电源完成了检测仪的外部供电电路以及STM32为主控芯片的主控板电路设计。检测仪的程序设计分为上下位机程序两部分。基于Keil5开发环境完成了检测仪的AD7606、蓝牙HC05、步进电机控制等下位机驱动子程序设计,使用FreeRTOS操作系统的多任务机制完了成检测仪下位机主程序开发;基于QT Creator开发工具完成了检测仪的上位机软件账户管理模块、无线通信模块、数据处理模块、数据可视化模块和数据存储模块的设计,基于QT for Android实现了检测仪上位机软件的跨平台运行。对检测仪的检测误差进行理论分析,确定检测仪的检测误差由检测仪数据采集系统误差(传感器误差、AD转换误差组成)、结构误差、装配误差和振动误差等组成;以精密级大理石量块工作面为基准,搭建检测仪误差分析平台,对检测仪各类误差的规律和性质进行实验分析。采用移动中值移动均值滤波算法和线性拟合标定方法对检测仪数据采集系统的随机误差和系统性误差进行了处理;以精密级大理石量块做基准对检测仪的装配误差、结构变形误差与振动误差进行了测试分析,获得各项误差变化规律,采用最小二乘法对系统变值误差进行了拟合,为检测仪提供了误差补偿措施。完成了检测仪实验样机机械结构的制造、装配以及软件系统的调试,采用LMS进行了检测仪动态特性测试,实验研究了不同运动方案对检测仪测量误差的影响规律,确定了检测仪测量的优化运动参数;以精密级大理石量块工作面为基准,对检测仪样机的测量精度和重复测量精度进行了测试,测试结果表明检测仪测量精度可达±0.41%FS(±0.025mm),重复精度可达±0.0167%FS(±0.01mm),可满足钢轨平直度检测标准的要求;采用国外与自制钢轨平直度检测仪对实际钢轨进行了性能对比实验,结果表明开发的钢轨平直度检测仪样机具有检测性能可靠、检测点多的特点,为钢轨平直度检测提供了技术支撑。
钢轨平直度检测仪设计及误差分析与性能实验研究
这是一篇关于钢轨平直度检测,激光位移传感器,误差分析,AD7606,单片机的论文, 主要内容为钢轨轨道的平顺程度不仅影响着列车的运行速度和乘坐舒适性,而且会导致剧烈噪声和加速列车损坏,甚至危及行车安全。我国铁路行业的快速发展,对钢轨轨道的平顺程度要求的提高,导致铁路维修人员维护工作日益繁重。为了减轻铁路维修人员的工作负担,便携式钢轨平直度检测仪在国内被广泛应用。由于国内的高精度的便携式平直度检测仪起步较晚,目前国内的高精度平直度检测仪均是国外进口。针对上述问题,本文基于激光位移传感器完成一种钢轨平直度检测设备,完成检测仪的结构与软硬件设计,通过精密级大理石量块为基准对检测仪的测量误差进行分析与消除,对钢轨平直度检测仪的检测精度、重复精度进行实验研究。具体研究内容如下:针对钢轨平直度的检测需求,确定了采用精密级直线模组驱动两组(四个)激光位移传感器进行钢轨平直度测量的检测方案。完成了检测仪精密移动驱动装置、传感器安装定位装置、支撑定位装置的详细结构设计;根据检测仪检测系统需要实现高精度数据采集、无线通信和精密模组运动控制的需求,完成了检测仪电气控制系统主芯片、AD模块、蓝牙通讯模块的选型,确定了采用AD7606模块实现高精度数据采集,采用蓝牙HC05模块实现无线通信;以锂电池为电源完成了检测仪的外部供电电路以及STM32为主控芯片的主控板电路设计。检测仪的程序设计分为上下位机程序两部分。基于Keil5开发环境完成了检测仪的AD7606、蓝牙HC05、步进电机控制等下位机驱动子程序设计,使用FreeRTOS操作系统的多任务机制完了成检测仪下位机主程序开发;基于QT Creator开发工具完成了检测仪的上位机软件账户管理模块、无线通信模块、数据处理模块、数据可视化模块和数据存储模块的设计,基于QT for Android实现了检测仪上位机软件的跨平台运行。对检测仪的检测误差进行理论分析,确定检测仪的检测误差由检测仪数据采集系统误差(传感器误差、AD转换误差组成)、结构误差、装配误差和振动误差等组成;以精密级大理石量块工作面为基准,搭建检测仪误差分析平台,对检测仪各类误差的规律和性质进行实验分析。采用移动中值移动均值滤波算法和线性拟合标定方法对检测仪数据采集系统的随机误差和系统性误差进行了处理;以精密级大理石量块做基准对检测仪的装配误差、结构变形误差与振动误差进行了测试分析,获得各项误差变化规律,采用最小二乘法对系统变值误差进行了拟合,为检测仪提供了误差补偿措施。完成了检测仪实验样机机械结构的制造、装配以及软件系统的调试,采用LMS进行了检测仪动态特性测试,实验研究了不同运动方案对检测仪测量误差的影响规律,确定了检测仪测量的优化运动参数;以精密级大理石量块工作面为基准,对检测仪样机的测量精度和重复测量精度进行了测试,测试结果表明检测仪测量精度可达±0.41%FS(±0.025mm),重复精度可达±0.0167%FS(±0.01mm),可满足钢轨平直度检测标准的要求;采用国外与自制钢轨平直度检测仪对实际钢轨进行了性能对比实验,结果表明开发的钢轨平直度检测仪样机具有检测性能可靠、检测点多的特点,为钢轨平直度检测提供了技术支撑。
对抗二分排序的误差分析
这是一篇关于二分排序,对抗学习,误差分析,Rademacher复杂度的论文, 主要内容为二分排序学习在推荐系统、信息检索和生物信息学中有着广泛的应用。例如,在某个数据库中查找感兴趣的文档,本质上就是将文档按照相关程度进行排序。而当样本存在对抗样本时,排序算法的性能往往会大打折扣。因此研究对抗情形下二分排序问题数学理论基础是有意义的。本文旨在通过界定对抗二分排序学习的泛化误差,对算法的性能进行分析,主要内容归纳如下:1.针对只攻击正样本的情形,首先引入分布的映射,将对抗二分排序风险转化为标准二分排序风险;再借助Wasserstein距离,将标准排序风险转化为局部最差排序风险,并进一步转化为极小极大框架下的Pairwise学习问题;最后利用Rademacher复杂度得到对抗二分排序风险的泛化误差上界,并进一步转换得到对抗二分排序风险与标准二分排序经验风险间的差距。2.在损失函数是对称且单调非增的条件下,将对抗风险转换为标准风险;再借助对抗损失函数空间的 Pairwise ORC(Pairwise Offset Rademacher Complexity)刻画对抗Pairwise学习的泛化误差上界;对抗二分排序学习模型中,若打分函数空间为线性函数空间的子集,则可利用打分函数空间的Rademacher复杂度刻画对抗损失空间的Pairwise ORC上界,从而得到对抗二分排序风险的上界。
一种六维并联测量装置的关键技术研究
这是一篇关于人机协作,并联机构,误差分析,运动学标定的论文, 主要内容为传统工业机器人操作方式复杂,基于拖拽示教方式的协作机器人编程效率较高。论文面向人机协作机器人高效高精度示教编程需求,研究一种六维测量装置的设计和开发关键技术,取得主要成果如下:首先,基于绳驱动方式,提出了一种六维并联测量装置,具有结构紧凑和系统分辨率较高的特点。采用封闭矢量方法建立该测量装置的运动学方程,基于牛顿拉普森方法构建出测量机构正逆解数值迭代算法,在运动学分析的基础上完成测量装置的工作空间分析。其次,在测量装置结构分析的基础上,确定影响六维测量装置精度的误差参数,构建出六维测量装置的几何误差映射模型,提出基于几何误差映射模型的误差参数辨识与补偿方法,并通过数值仿真验证上述误差模型的有效性。然后,以STM32芯片为核心设计出六维测量装置的硬件系统,包含基于磁编码器的传感电路设计和主控PCB电路板设计,基于串口通信实现STM32与磁编码器之间相互通讯;基于界面设计软件Qt Designer完成对测量装置的软件开发,实现了实时数据采集、零点校准、位姿计算、界面显示、上位机通讯等功能。最后,依托NDI测量系统,开展测量装置的标定和补偿实验。实验结果表明:采用论文提出误差测量与补偿方法,有效的提升了样机的测量精度。
钢轨平直度检测仪设计及误差分析与性能实验研究
这是一篇关于钢轨平直度检测,激光位移传感器,误差分析,AD7606,单片机的论文, 主要内容为钢轨轨道的平顺程度不仅影响着列车的运行速度和乘坐舒适性,而且会导致剧烈噪声和加速列车损坏,甚至危及行车安全。我国铁路行业的快速发展,对钢轨轨道的平顺程度要求的提高,导致铁路维修人员维护工作日益繁重。为了减轻铁路维修人员的工作负担,便携式钢轨平直度检测仪在国内被广泛应用。由于国内的高精度的便携式平直度检测仪起步较晚,目前国内的高精度平直度检测仪均是国外进口。针对上述问题,本文基于激光位移传感器完成一种钢轨平直度检测设备,完成检测仪的结构与软硬件设计,通过精密级大理石量块为基准对检测仪的测量误差进行分析与消除,对钢轨平直度检测仪的检测精度、重复精度进行实验研究。具体研究内容如下:针对钢轨平直度的检测需求,确定了采用精密级直线模组驱动两组(四个)激光位移传感器进行钢轨平直度测量的检测方案。完成了检测仪精密移动驱动装置、传感器安装定位装置、支撑定位装置的详细结构设计;根据检测仪检测系统需要实现高精度数据采集、无线通信和精密模组运动控制的需求,完成了检测仪电气控制系统主芯片、AD模块、蓝牙通讯模块的选型,确定了采用AD7606模块实现高精度数据采集,采用蓝牙HC05模块实现无线通信;以锂电池为电源完成了检测仪的外部供电电路以及STM32为主控芯片的主控板电路设计。检测仪的程序设计分为上下位机程序两部分。基于Keil5开发环境完成了检测仪的AD7606、蓝牙HC05、步进电机控制等下位机驱动子程序设计,使用FreeRTOS操作系统的多任务机制完了成检测仪下位机主程序开发;基于QT Creator开发工具完成了检测仪的上位机软件账户管理模块、无线通信模块、数据处理模块、数据可视化模块和数据存储模块的设计,基于QT for Android实现了检测仪上位机软件的跨平台运行。对检测仪的检测误差进行理论分析,确定检测仪的检测误差由检测仪数据采集系统误差(传感器误差、AD转换误差组成)、结构误差、装配误差和振动误差等组成;以精密级大理石量块工作面为基准,搭建检测仪误差分析平台,对检测仪各类误差的规律和性质进行实验分析。采用移动中值移动均值滤波算法和线性拟合标定方法对检测仪数据采集系统的随机误差和系统性误差进行了处理;以精密级大理石量块做基准对检测仪的装配误差、结构变形误差与振动误差进行了测试分析,获得各项误差变化规律,采用最小二乘法对系统变值误差进行了拟合,为检测仪提供了误差补偿措施。完成了检测仪实验样机机械结构的制造、装配以及软件系统的调试,采用LMS进行了检测仪动态特性测试,实验研究了不同运动方案对检测仪测量误差的影响规律,确定了检测仪测量的优化运动参数;以精密级大理石量块工作面为基准,对检测仪样机的测量精度和重复测量精度进行了测试,测试结果表明检测仪测量精度可达±0.41%FS(±0.025mm),重复精度可达±0.0167%FS(±0.01mm),可满足钢轨平直度检测标准的要求;采用国外与自制钢轨平直度检测仪对实际钢轨进行了性能对比实验,结果表明开发的钢轨平直度检测仪样机具有检测性能可靠、检测点多的特点,为钢轨平直度检测提供了技术支撑。
基于压电效应的车辆动态称重系统研究
这是一篇关于动态称重,有限元分析,神经网络,误差分析,压电效应的论文, 主要内容为随着我国公路交通设施逐步健全,公路货运量逐年增加,机动车超限超载运输的现状屡禁不止并逐步加剧,对国家经济造成了巨大损失。目前车辆计重手段主要分为静态称重和动态称重。静态称重其称重精度高,但称重耗时长,占地面积达,效率极其低下;而动态称重可在车辆行驶中自动检测车辆载重信息,虽然在一定程度上提高了称重效率,但由于动态称重过程中影响称重精度的因素众多且称重算法不够成熟,使得动态称重的精度仍亟待提高。在此背景下,.本文以压电石英的灵敏度高、受温度影响低及体积小等特点为基础,设计了一套测量精度高、稳定性好、可靠性高的车辆动态称重系统。分别从系统硬件结构及称重算法方面提高了动态称重的称重精度。从而实现车辆在行驶状态下准确获取整车质量,能够有效对车辆的负荷状态进行检测。本文主要工作和研究成果如下:(1)车辆动态称重系统总体方案研究。针对目前动态称重系统的实际应用情况,以治理车辆超限超载为目标研究了车辆动态称重系统的设计原则,分析其组成与基本工作原理;设计了车辆动态称重系统的整体方案,并论述了整体方案的可行性。(2)动态称重传感器的研究。针对目前各类称重传感器的特点,在权衡成本与精度要求的基础上,以石英晶体为核心设计了基于压电效应的动态称重传感器,通过有限元分析验证传感器设计结构的合理性和可靠性、以标定实验验证了传感器的精度高、稳定性好及可靠性高等性能。(3)动态称重系统神经网络算法研究。构建基于深度GRU的车辆动态称重神经网络,制作了称重专用数据集,并对传感器输出信号进行分析与滤波处理,完成网络模型训练的同时并以测试数据集对算法进行了验证。验证结果表明,基于深度GRU的称重数据处理算法可实现精准预测车重。(4)车辆动态称重系统构件研究。以硬件和软件两方面协同实现车辆的动态称重。硬件包括了输电线路及电荷放大调理电路、高精度模拟信号采集电路、开关量矩阵电路等,软件设计则是配合硬件实现整个系统的功能。通过硬件和软件的协同进一步提升了本系统的智能化水平。(5)车辆动态称重系统道路实验验证。通过现场道路安装动态称重系统进行实地测试,进一步验证本文提出的基于压电效应的车辆动态称重系统的可靠性。结果表明,本文提出的基于压电效应的车辆动态称重系统设计合理有效,满足了车辆动态称重的各方面需求。
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