介绍: |
1.课题来源与背景 课题来源:项目总经费10万元,其中:省拨经费10万元;国拨经费0万元;单位配套(自筹)经费0万元;地方财政经费:0万元。 课题背景:随着制造业的飞速发展,工业自动化不断升级迈向工业4.0,人工智能在工业自动化中扮演着越来越重要的角色。机器视觉(Machine vision)作为人工智能快速发展的一个重要分支,涉及了现代科学和工业领域的众多新技术,主要是指通过对相应场景进行光源投射和图像信息采集,利用计算机软件将图像信息转换成数字信号,获取相应场景的详细信息。因此,深入开展三维视觉测量技术的关键科学问题研究是有必要的,能够进一步优化三维视觉测量系统在测量精度、工作效率、系统结构冗余等方面性能参数,同时能够进一步提升三维轮廓重构技术在汽车制造、航空航天、消费电子、人工智能、人脸识别等诸多领域的应用场景,具有重要的现实意义。优越的整体测量系统性能对加快我国三维视觉测量技术的开发进程和应用普及有直接的推动作用,也将间接促进我国工业检测和工业自动化的普遍提升。 2.技术原理及性能指标 本研究聚焦于结构光三维测量技术的高精度需求,研究面向动态结构光(时间编码)投影的新型高精度定位、大角度扫描压电驱动MEMS振镜,研究基于MEMS振镜的动态结构光三维测量新方法。具体如下: (1)分析可内置于MEMS振镜的压阻式角度传感器感应机理及性能优化目标,建立压电驱动MEMS振镜+硅基压阻式角度传感器的模拟仿真模型,确立MEMS振镜+角度传感器的微纳工艺制作流程并完成器件制作,搭建MEMS振镜+角度传感器的整体评价装置,完成所需性能参数评价。 (2)构造基于MEMS振镜的动态结构光三维测量系统,利用MEMS振镜的运动规律并且结合STM32单片机实现了对线激光能量的实时控制输出,从而能够完成光栅条纹编码结构光的空间频率可调、初始相位可调的高质量投射,以标准物体作为实验被测对象进行三维测量实验,运用相位提取与相位展开算法和结合标定所得系统参数,进行三维重建实验,实现三维轮廓测量。 3.技术的创造性与先进性 (1)研究了MEMS振镜的驱动机理和硅基压阻式角度传感器的感应机制,确立了内置硅基压阻传感器的一维MEMS振镜一体化结构设计方案,探索了基于out-of-phase共振模态的压电薄膜驱动MEMS振镜结构;在硅基压阻式传感器结构设计中,对掺杂种类(n/p-type)、掺杂浓度(doping dose)、晶向选择、信号屏蔽等方面进行了综合考虑,能够确保该传感器对扭转杆根部应力分布具备最优的感测灵敏性;所研发的内置硅基压阻式角度传感器的一维MEMS振镜,具有高谐振频率、大扫描角度、高感测灵敏性,适用于动态结构光高质量投射方案,能够满足动态结构光测量高精度需求。 (2)基于MEMS振镜在高频响应、小型化、易于集成等方面优势,提出了一种基于一维MEMS振镜结合线激光的可编码结构光投影系统方案,利用MEMS振镜的运动规律实现了对线激光能量的实时控制输出,突破了传统以DLP投影方式在体积、重量、成本上面的局限性;构建了基于结构光投影系统、工业数字相机、计算机的结构光三维测量系统,其中结构光投影系统是由一维MEMS振镜、线激光光源、STM32单片机所组成,能够实现对一维MEMS振镜在谐振状态下扫描角度捕获和对线激光光源正弦性能量分布调制,实现高精度动态结构光投射;在搭建实验平台的基础上,进行了相位提取算法、相位展开算法、系统标定等一系列操作,我们以球体和大卫像为测试目标完成了结构光三维测量,该结构光三维测量系统整体性能基本达到预期目标。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 技术的成熟度还处于基础探索阶段,适用于基于MEMS振镜结构光三维重构技术初步验证阶段,整体系统结构比较安全。 5.应用情况及存在的问题 尚未达到应用阶段,系统各模块之间需要进一步集成化。 6.历年获奖情况 获奖时间:2021年4月 获奖项目:Chip-level-microassembly Comb-drive XYZ-microstage with Large Displacements and Low Crosstalk 获奖名称:Best Conference Paper Award 授奖部门:the 16th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE NEMS) 排名:Gaopeng Xue, Masaya Toda, Xinghui Li, and Takahito Ono |