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Multi-Scale, Multi-Modal, High-Speed 3D Shape Measurement

Yatong An (6587408) 10 June 2019 (has links)
<div>With robots expanding their applications in more and more scenarios, practical problems from different scenarios are challenging current 3D measurement techniques. For instance, infrastructure inspection robots need large-scale and high-spatial-resolution 3D data for crack and defect detection, medical robots need 3D data well registered with temperature information, and warehouse robots need multi-resolution 3D shape measurement to adapt to different tasks. In the past decades, a lot of progress has been made in improving the performance of 3D shape measurement methods. Yet, measurement scale and speed and the fusion of multiple modalities of 3D shape measurement techniques remain vital aspects to be improved for robots to have a more complete perception of the real scene. In this dissertation, we will focus on the digital fringe projection technique, which usually can achieve high-accuracy 3D data, and expand the capability of that technique to complicated robot applications by 1) extending the measurement scale, 2) registering with multi-modal information, and 3) improving the measurement speed of the digital fringe projection technique.</div><div><br></div><div>The measurement scale of the digital fringe projection technique mainly focused on a small scale, from several centimeters to tens of centimeters, due to the lack of a flexible and convenient calibration method for a large-scale digital fringe projection system. In this study, we first developed a flexible and convenient large-scale calibration method and then extended the measurement scale of the digital fringe projection technique to several meters. The meter scale is needed in many large-scale robot applications, including large infrastructure inspection. Our proposed method includes two steps: 1) accurately calibrate intrinsics (i.e., focal lengths and principal points) with a small calibration board at close range where both the camera and projector are out of focus, and 2) calibrate the extrinsic parameters (translation and rotation) from camera to projector with the assistance of a low-accuracy large-scale 3D sensor (e.g., Microsoft Kinect). The two-step strategy avoids fabricating a large and accurate calibration target, which is usually expensive and inconvenient for doing pose adjustments. With a small calibration board and a low-cost 3D sensor, we calibrated a large-scale 3D shape measurement system with a FOV of (1120 x 1900 x 1000) mm^3 and verified the correctness of our method.</div><div><br></div><div> Multi-modal information is required in applications such as medical robots, which may need both to capture the 3D geometry of objects and to monitor their temperature. To allow robots to have a more complete perception of the scene, we further developed a hardware system that can achieve real-time 3D geometry and temperature measurement. Specifically, we proposed a holistic approach to calibrate both a structured light system and a thermal camera under exactly the same world coordinate system, even though these two sensors do not share the same wavelength; and a computational framework to determine the sub-pixel corresponding temperature for each 3D point, as well as to discard those occluded points. Since the thermal 2D imaging and 3D visible imaging systems do not share the same spectrum of light, they can perform sensing simultaneously in real time. We developed a hardware system that achieved real-time 3D geometry and temperature measurement at 26Hz with 768 x 960 points per frame.</div><div><br></div><div> In dynamic applications, where the measured object or the 3D sensor could be in motion, the measurement speed will become an important factor to be considered. Previously, people projected additional fringe patterns for absolute phase unwrapping, which slowed down the measurement speed. To achieve higher measurement speed, we developed a method to unwrap a phase pixel by pixel by solely using geometric constraints of the structured light system without requiring additional image acquisition. Specifically, an artificial absolute phase map $\Phi_{min}$, at a given virtual depth plane $z = z_{min}$, is created from geometric constraints of the calibrated structured light system, such that the wrapped phase can be pixel-by-pixel unwrapped by referring to $\Phi_{min}$. Since $\Phi_{min}$ is defined in the projector space, the unwrapped phase obtained from this method is an absolute phase for each pixel. Experimental results demonstrate the success of this proposed novel absolute-phase unwrapping method. However, the geometric constraint-based phase unwrapping method using a virtual plane is constrained in a certain depth range. The depth range limitations cause difficulties in two measurement scenarios: measuring an object with larger depth variation, and measuring a dynamic object that could move beyond the depth range. To address the problem of depth limitation, we further propose to take advantage of an additional 3D scanner and use additional external information to extend the maximum measurement range of the pixel-wise phase unwrapping method. The additional 3D scanner can provide a more detailed reference phase map $\Phi_{ref}$ to assist us to do absolute phase unwrapping without the depth constraint. Experiments demonstrate that our method, assisted by an additional 3D scanner, can work for a large depth range, and the maximum speed of the low-cost 3D scanner is not necessarily an upper bound of the speed of the structured light system. Assisted by Kinect V2, our structured light system achieved 53Hz with a resolution 1600 x 1000 pixels when we measured dynamic objects that were moving in a large depth range.</div><div><br></div><div> In summary, we significantly advanced the 3D shape measurement technology for robots to have a more complete perception of the scene by enhancing the digital fringe projection technique in measurement scale (space domain), speed (time domain), and fusion with other modality information. This research can potentially enable robots to have a better understanding of the scene for more complicated tasks, and broadly impact many other academic studies and industrial practices.</div>
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Erfassungsplanung nach dem Optimierungsprinzip am Beispiel des Streifenprojektionsverfahrens

Holtzhausen, Stefan 08 September 2015 (has links) (PDF)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erfassung von Oberflächen mittels Streifenprojektionsverfahren. Dabei wird ein Berechnungsmodell erarbeitet, welches den durch eine Aufnahme erfassten Bereich der Objektoberfläche berechnet und bewertet. Mithilfe einer optimalen Positionierung von Einzelaufnahmen ist es möglich, ein Objekt bei festgelegten Randbedingungen zeitsparend zu erfassen.
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Adaptation de la méthode de projection de franges pour la mesure du relief de grands objets et pour la modélisation anthropométrique : application à l'étude de flotteurs sous pression et au suivi de pathologie de l'abdomen / Fringes projection adaptation for large object dimension measurement and anthropometrical modelling : application to the study of floats and the folluw-up of abdomina pathology

Leandry, Ismaëlle 12 November 2012 (has links)
L'étude proposée porte sur l'adaptation d'une méthode de mesure optique à lamesure de la topologie d'objet de grandes dimensions et à une distance de travail proche. Laméthode optique utilisée est la projection de franges car elle permet l'étude de grands objets.Dans un premier temps, des essais expérimentaux ont été réalisés pour évaluer l'exactitudedu développement actuel ; ce dernier utilisant une analyse de franges s'appuyant sur lacombinaison d'une méthode quasi-hétérodyne utilisant une transformation de Fourier etd'une méthode de code gray.Après avoir quantifié les erreurs et déterminé leurs sources, le choix dudéveloppement d'une procédure d'étalonnage et de nouvelles équations associées à cetteprocédure se sont imposés. Le nouvel étalonnage est quant à lui basé sur une interpolationpolynomiale de points définissant un volume de grandes dimensions. Un objet étalon a étéspécialement conçu pour cette procédure de calibration. Pour évaluer l'erreur du à lacalibration, une étude systématique de cas de polynômes dont le plus haut degré varie de 1à 4 a été effectué. Cette approche a permis de déterminer le degré optimal du polynôme àutiliser. Dans le meilleur cas, l'estimation de l'erreur a permis d'évaluer la précision del'étalonnage à 1 mm sur un objet de 2 m évalué à une distance de 2 m.La méthode a été par la suite appliquée, dans un cadre industriel à l'étude deflotteurs et dans un cadre médical à l'étude du relief de la paroi abdominale. D'un point devue médical, cette méthode permet d'obtenir rapidement et facilement la morphologie ducorps humain. Elle permet aussi d'effectuer un meilleur suivi des pathologiesmorphologiques des patients. / The proposed study deals with the adaptation of an optical method to themeasurement of large objects at a low working distance. The optical method used is thefringe projection technique allowing the study of large objects. At first, experimental trials hasbeen used to evaluate the accuracy of the actual development combining the phase shiftingmethod using a Fourier transform and the gray code technique.When the errors have been quantified and their origins determined, the developmentof a calibration procedure and new associated equations have been chosen. The newcalibration is based on polynomial interpolation of points defining a volume of largedimensions. A tested object was designed specifically for this calibration procedure. Toestimate the calibration error, a systematic study of polynomials cases is performed. Thehighest degree of those cases varies from 1 to 4. This approach allows the determination theoptimal polynomial degree to be used. In the best case, the estimation of the error allows theevaluation of the calibration accuracy of about 1 mm for an object of 2 m large, measured ata distance of 2 m.The method has been subsequently applied, in an industrial setting, to the study offloats and in a medical setting to the study of the relief of the abdominal wall. From a medicalpoint of view, this method gives a rapid and easy access to the topology of human body. Itallows a better follow-up of the patient pathology.
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Étude numérique et expérimentale de procédé d’élaboration des matériaux composites par infusion de résine / Numerical and experimental study in the resin infusion manufacturing process of composites materials

Wang, Peng 23 March 2010 (has links)
En aéronautique, l’élaboration via des pré-imprégnés n’est pas toujours adaptées àla fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Desprocédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que leResin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d’infusion de résine, comme le LiquidResin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10%des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM,les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindredes pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèlesmécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Parcontre, les procédés d’infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles,par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Parconséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites etmoyennes entreprises car les investissements sont plus faibles par rapport à d’autresprocédés de fabrication.Les procédés par infusion de résine LRI ou RFI sont basés sur l’écoulement d’unerésine liquide (pour RFI, après le cycle de température, la résine solide obtenir son étatliquide) à travers l’épaisseur d’un renfort fibreux sec dénommé préforme.L’optimisation du procédé est difficile à réaliser car le volume de la préforme changefortement pendant le procédé car elle est soumise à une pression extérieure et qu’il n’ya pas de contre-moule. Pour optimiser les paramètres de fabrication des matériauxcomposites par infusion de résine, il est nécessaire de mettre en oeuvre un modèlenumérique. Récemment, une modélisation de l'écoulement d’un fluide isotherme dansun milieu poreux compressible a été développée par P. Celle [1]. Avec ce modèlenumérique, nous avons simulé des cas test en 2D pour des géométries industriellesclassiques. Pour valider ce modèle numérique, des essais d’infusion d’une plaque par leprocédé LRI dans des conditions industrielles ont été réalisés. D’une part, la simulationnumérique permet de calculer le temps de remplissage, l’épaisseur de la préforme et lamasse de la résine durant l’infusion. D’autre part, nous avons suivi de procédéexpérimentalement par des micro-thermocouples, la fibre optique et la projection defranges. Un des points clefs de l’approche expérimentale est que l’écoulement de larésine et le comportement de la préforme dépendent intrinsèquement de paramètres quiévoluent pendant l’infusion de la résine, tels que la variation de l’épaisseur, le temps deremplissage et le taux volumique de fibres, via la perméabilité. Enfin, une comparaisonentre les résultats expérimentaux et la simulation numérique permet de valider lemodèle numérique. Cette confrontation des résultats permettra de mettre en lumière lesdifficultés et les limites de ce modèle numérique, afin d’améliorer les futurs modèles.De plus, ces deux approches constituent un bon moyen d’étudier et d’approfondir nosconnaissances sur les procédés d’infusion de résine, tout en développant un outil desimulation indispensable à la conception de pièces composites avancées. / Weight saving is still a key issue for aerospace industry. For instance 50% in weightof the B787 and A350 aircraft structures is made of CFRP, so it is necessary to makelighter thick and complex parts. Direct processes called Liquid Composite Molding(LCM), such as Resin Transfer Moulding (RTM) or Resin Infusion Process (LRI, RFI).At the present time, around 5 to 10% of the parts are manufactured by direct processesand the current trend is clearly to go ahead. In RTM process, the dimensional tolerancesand porosity fraction can be kept under control and high quality parts produced, but itsindustrialisation is complex and refined models are still needed to perform simulations.On the contrary, the resin infusion process can be utilized in flexible conditions, such asin low cost open moulds with vacuum bags in nylon or silicone. This type of processonly requires low resin pressure and the tooling is less expensive than RTM rigidmoulds. Therefore LRI and RFI processes are particularity suitable for small andmedium size companies because the investments are rather low compared to othermanufacturing process.Liquid Resin Infusion (LRI) processes are promising manufacturing routes toproduce large, thick or complex structural parts. They are based on the resin flowinduced across its thickness by pressure applied onto a preform / resin stacking.However, both thickness and fibre volume fraction of the final piece are not wellcontrolled since they result from complex mechanisms which drive the transientmechanical equilibria leading to the final geometrical configuration. In order tooptimize both design and manufacturing parameters, but also to monitor the LRIprocess, an isothermal numerical model has been developed by P. Celle [1], whichdescribes the mechanical interaction between the deformations of the porous mediumand the resin flow during infusion. With this numerical model, we have investigated theLRI process with classical industrial piece shapes. To validate the numerical model andto improve the knowledge of the LRI process, the researcher work details a comparisonbetween numerical simulations and an experimental study of a plate infusion testcarried out by LRI process under industrial conditions. From the numerical prediction,the filling time, the resin mass and the thickness of the preform can be determined. Onanother hand, the resin flow and the preform response can be monitored bymicro-thermocouples, optical fibre sensor and fringe projection during the filling stage.One key issue of this research work is to highlight the major process parameterschanges during the resin infusion stage, such as the preform and resin temperature, thevariations of both thickness and fiber volume fraction of the preform. Moreover, thesetwo approaches are both good ways to explore and improve our knowledge on the resininfusion processes, and finally, to develop simulation tools for the design of advancedcomposite parts.
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Erfassungsplanung nach dem Optimierungsprinzip am Beispiel des Streifenprojektionsverfahrens

Holtzhausen, Stefan 02 June 2015 (has links)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erfassung von Oberflächen mittels Streifenprojektionsverfahren. Dabei wird ein Berechnungsmodell erarbeitet, welches den durch eine Aufnahme erfassten Bereich der Objektoberfläche berechnet und bewertet. Mithilfe einer optimalen Positionierung von Einzelaufnahmen ist es möglich, ein Objekt bei festgelegten Randbedingungen zeitsparend zu erfassen.

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