提出了一种基于FPGA和四元数的高强度低合金厚钢板激光焊接熔池图像边缘检测系统,以及该系统的实现方法.针对大功率激光焊接速度快和控制实时性要求高的特点,采用FPGA构建熔池图像高速处理平台.通过实验研究,分析了基于FPGA的四元数运算的精度.构建了基于FPGA和四元数的彩色图像边缘检测系统软硬件平台,采用单位四元数以及三维空间矢量旋转的对应关系构造滤波器,完成高强度低合金厚钢板的激光焊接熔池彩色图像边缘提取.由于向量代数的局限性,彩色图像的R、G、B分量之间存在相关性和连续性,如果单独利用其中一种分量来描述,则会损失掉图像的部分信息,该方法处理熔池图像的优势在于运算中保留了图像R、G、B分量之间的相关性和连续性.并且该系统具有便携性好、实时性强、成本低、可维护性强等优点,在大功率激光焊接质量检测以及其他工业...

为了更有效地评价四元数的插值算法,首先详细介绍了四元数与3D旋转的关系,并从旋转关系展开常用的3种四元数插值算法。然后基于此建立了一种基于单位球面轨迹的插值算法评价方法。最后用实验证明该方法可以直观看到插值单位四元数序列的旋转效果,并且建立的虚拟关节空间可以评价插值算法对关节空间轨迹的影响。

为解决存在外部加速度和外部电磁场干扰的多旋翼无人机姿态估计问题,首先以四元数为参数建立姿态估计模型,然后使用一种解算精度高、计算量较小的衍生无迹卡尔曼滤波算法(DUKF),在量测更新阶段引入根据残差构造加速度计和磁力计的噪声协方差的自适应策略,提出一种基于DUKF的多旋翼无人机自适应姿态估计算法。通过使用PIXHAWK飞控的数据进行相关的仿真实验,实验表明,所提算法能极大的减小外部加速度和外部电磁场对多旋翼无人机姿态估计的干扰。

针对现有滤波方法在低成本航姿参考系统(AHRS)姿态估计应用中存在准确性不足的问题,本文提出一种非线性滤波求解的姿态估计方法。根据四元数姿态表示原理与传感器测量输出模型构建了基于AHRS系统直接形式姿态估计的非线性状态空间模型,采用迭代扩展卡尔曼滤波方法进行滤波求解,实现了对姿态四元数与传感器偏差的实时估计。通过MPU9150型MEMS惯性测量单元的实测数据与ABB工业机器人同步输出的参考姿态对本文算法进行了验证,并与现有基于非线性滤波与互补滤波的姿态估计方法以及商用姿态测量单元的结果进行了对比。结果表明,本文算法有效提高了姿态估计准确性与估计精度,具有较好的性能。

通过XENS采集MARG传感器的三维加速度,三维地磁场和三维角速度,用QUEST算法和Gauss-Newton算法计算姿态,并与原始姿态进行对比,分析2种算法的优劣。最后发现Gauss-Newton迭代算法能够用来计算与体坐标系中测量的加速度和地磁场相关的最优四元数。这个最优四元数送到扩展卡尔曼滤波中作为测量值。实验结果证实了滤波器设计的有效性,证明了利用惯性/磁性传感器模型能够实现实时人体运动跟踪。

探讨了四元数作为表现旋转的可选择方法之一,其在手术导航系统中的应用.分析了在不同坐标系中定位必然涉及的坐标系之间映射变换.从理论上研究了四元数在手术导航定位系统坐标映射变换以及在手术导航空间配准中应用的问题,并给出了具体的仿真结果.结果表明,将四元数法应用于手术导航系统中,成功地解决了手术导航系统的两大技术难题-空间配准和定位问题,在自行设计和实际开发的手术导航模体演示系统NEU-IGSS中,得到了成功的应用.

针对现有刀轴矢量光顺方法缺少对刀轴矢量进行局部超限修正的不足,提出一种在机床坐标系下对刀轴矢量进行局部光顺的方法。通过四元数插值法,进行整个加工轨迹上的初次刀轴矢量规划,得到工件坐标系下光顺的初始刀轴矢量。以机床旋转轴角度变化最小为目标,以机床运动学性能限制为约束,求解得到超限区域。针对超限区域,以角加速度最小为目标进行局部修正。通过叶轮加工实例验证所提刀轴矢量局部光顺算法。结果表明:所提算法能够在保持原有刀轴矢量优良加工特性的同时,避免局部超限,从而达到对刀轴矢量进行局部光顺的目的。

机器人任务空间的路径构造一直是研究者们重点关注的对象,更加平滑的路径对于机器人运动尤为关键。提出一种机器人任务空间二阶平滑位姿构造方法。位姿路径分为位置路径与姿态路径,用直线和圆弧来表示基本的位置路径,用四元数来表示姿态路径。根据环境给定的过渡区域,基于Hermite方法分别构造位置和姿态路径的过渡曲线,并设计高效易懂的数值积分算法实现位姿路径长度的计算,然后综合数值积分和二分法查找算法实现给定路径长度的插值计算。

采用四元数法描述6—SPS机构位姿矩阵,并把该矩阵和矢量坐标扩展为4维形式,通过推导无间隙机构的运动方程,得到了机构运动的新型雅克比矩阵JA和JB;在此基础上,利用连续接触模型得到了含间隙6—SPS机构的运动系数矩阵J（AS）和J（BS）。分别把J（AS）和J（BS）的行列式展开,得到含间隙机构第一类奇异和第二类奇异的轨迹方程,利用MATLAB得到了机构在给定位置时的第一类位姿奇异轨迹和第二类位姿奇异三维轨迹曲面。通过把两类含间隙机构奇异轨迹曲面的比较,发现机构间隙对第二类奇异的影响大于对第一类奇异的影响;以无间隙机构奇异轨迹曲面上奇异点作为参考点,通过含间隙机构奇异轨迹曲面上与参考点相对应奇异点的相互比较,发现在参考点附近存在一个关于参考点的奇异域。

利用四元数表示刚体的有限转动,得到刚体的有限转动方程。在球面3-RRR并联机器人基础上增加角位移传感器支架,检测动平台的姿态角,并转化为四元数形式的定位偏差,从而将机器人应用于空间定位问题的执行机构。以系统具有大范围渐近稳定的动态品质为目标,得到动平台角速度应该满足的条件,建立动平台在定位过程中四元数分量形式的运动微分方程。实例给出了机器人在定位过程中的偏差四元数的解轨迹和动平台姿态的变化历程,求得了施加于主动构件上的控制律,从仿真结果来看,控制效果较好。