题目：昆虫翅膀运动变形结构光视觉测量研究

昆虫飞行运动参数测量是昆虫飞行运动仿生学研究的重点，通过测量飞行过程中昆虫身体及翅膀的各种运动参数，分析其运动机制，完善现有的空气动力学原理，为微型飞行器的研制提供新的理论依据。本论文围绕国家杰出青年科学基金项目——高速三维运动视觉检测理论与关键技术研究，基于结构光视觉检测技术，对高扇翅频昆虫翅膀运动变形测量方法进行了系统研究，并对与之相关的关键技术进行了深入探讨，得到了固定飞行和自由飞行两种状态下蜜蜂双侧翅膀的运动变形参数。论文的研究成果对分析高扇翅频昆虫飞行运动机理，研制高机动性微小型扑翼式飞行器具有指导意义。 论文的主要内容包括： 1. 全面介绍了昆虫飞行运动仿生学研究的内容及研究现状，总结了昆虫飞行运动参数的测量方法，阐明了高扇翅频昆虫飞行运动参数测量的意义及难点，确立了基于虚拟结构光视觉传感器的高扇频昆虫翅膀运动变形测量方法。 2. 讨论了光栅型结构光传感器数学模型的建立方法，分析了模型参数对系统测量性能的影响，确定了结构光视觉传感器检测系统的设计准则与设计方法。 3. 建立了视觉检测系统标定用X 型和栅格型标定点图像灰度分布的数学模型，推导了基于Hessian 矩阵的形状算子判定特征点的像素位置。在此基础上，提出利用二阶泰勒展开式描述X 型角点的灰度分布，通过计算灰度曲面鞍点确定其亚像素位置；提出利用灰度极值条件，通过分层搜索确定栅格点的亚像素位置。仿真结果表明，两种新的亚像素提取算法分别在不同程度上提高了标定点的提取精度。 4. 建立了光栅型结构光光条图像灰度分布的数学模型，确定了亚像素级光条中心点提取算法。针对昆虫翅膀运动变形测量中的弱光条提取，提出利用连续性约束、方向约束和光条间距约束等特征约束条件去除图像处理过程中出现的噪声点，成功地实现了弱光条中心点与虚假点的分离。 5. 提出了基于双目立体视觉和空间平面几何约束的光栅型结构光光条识别方法，通过建立相应的仿真模型，验证了新方法对光条的识别效果。与传统方法相比，该方法实施过程简单，且不需要任何辅助装置。 6. 以蜜蜂作为研究对象，针对高扇翅频昆虫翅膀运动变形测量，建立了基于单摄像机的四虚拟结构光视觉传感器检测系统，确定了蜜蜂自由飞行引导方法和自动拍摄触发装置的结构，解决了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动变形同步测量中的观测盲区、多机异步和自由飞行引导等难题。 7. 针对结构光视觉检测系统中摄像机与结构光传感器结构参数的标定，提出了双经纬仪与移动平面靶标相结合的标定点构建方法，该方法具有稳定性好，标定精度高，标定速度快等特点。在此基础上，根据结构光视觉传感器误差传递模型，对四虚拟结构光视觉传感器检测系统的测量误差进行了定量计算。 8. 研究了昆虫翅膀运动变形参数的定义和求解方法，以及昆虫随体坐标系的建立和自由飞行运动参数求解方法，对固定飞行和自由飞行状态下蜜蜂双侧翅膀的运动变形进行了同步测量，通过对比两种状态下蜜蜂翅膀运动方式的异同，得出了高扇翅频昆虫的飞行运动机制。