光電子學(xué)與激光技術(shù)

送粉式激光熔覆中瞬態(tài)溫度場與幾何形貌的三維數(shù)值模擬

劉昊，虞鋼，何秀麗，等

摘要：目的：作為一種先進的柔性化制造技術(shù)，送粉式激光熔覆適用于在金屬表面制備特殊性能的涂層、零件修復(fù)與再制造、快速成形等多種場合。激光熔覆層的幾何形貌既是熔覆運動軌跡設(shè)計的參考因素，也是影響最終工件尺寸精度的重要因素。針對送粉式激光熔覆的特點，基于生死單元法建立一種可以同時計算瞬態(tài)溫度場及熔覆層幾何形貌的三維數(shù)值模型。方法：采用生死單元法描述激光熔覆中材料的動態(tài)添加過程，建立一種無需預(yù)先設(shè)定熔覆層幾何形貌的三維數(shù)值模型。首先，分析送粉式激光熔覆的物理過程，并在求解域內(nèi)建立基于熱傳導(dǎo)控制方程的數(shù)學(xué)模型。采用一種簡化的理論模型描述粉末輸送過程中的激光束和粉末流之間的相互作用，從而獲得激光功率衰減和粉末顆粒溫升，以確定模型的邊界條件和初始條件。隨后，依據(jù)激光束掃描軌跡范圍，在被熔覆基體材料網(wǎng)格之上建立足夠大的熔覆區(qū)域網(wǎng)格。此區(qū)域的單元在計算前處于“未激活”狀態(tài)，即表示激光熔覆開始前不存在熔覆層。在計算過程中，根據(jù)每個載荷步的溫度場結(jié)果、熔覆材料的質(zhì)量守恒以及表面張力效應(yīng)，“激活”一部分熔覆區(qū)域單元，表示在此載荷步時間內(nèi)沉積的熔覆材料。計算結(jié)束后，熔覆層幾何形貌由在所有載荷步中累積“激活”的單元構(gòu)成的幾何體來表征。利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言APDL編程實現(xiàn)所提出的計算方法，從而實現(xiàn)了對送粉式激光熔覆的瞬態(tài)溫度場與幾何形貌的三維數(shù)值模擬。結(jié)果：以在蠕墨鑄鐵表面激光熔覆NiCoCrAlY涂層為例，將材料的熱物性參數(shù)與熔覆工藝參數(shù)輸入計算模型，模擬激光熔覆瞬態(tài)溫度場與熔覆層沉積生長過程。從激光熔覆的一個載荷步計算結(jié)果看，根據(jù)計算方法，與熔池氣液界面相接觸的熔覆層“未激活”狀態(tài)的單元被“激活”。其中被“激活”的單元一部分位于已形成的熔覆層之上，另一部分位于基體表面之上，使熔覆層隨著激光束的掃描而不斷向基材前方延伸。對送粉式激光熔覆過程中的溫度場和幾何形貌特點進行分析。結(jié)果顯示，熔覆層的幾何形貌與熔池的動態(tài)過程緊密相關(guān)。熔池在較短的時間內(nèi)就已進入穩(wěn)定階段，熔覆層形貌在整個熔覆階段也保持一定的穩(wěn)定性。在送粉速率分別為4.1 g/min、6.1 g/min、8.1 g/min條件下，對比了熔覆層橫截面幾何形貌的試驗結(jié)果和計算結(jié)果。在不同送粉速率下模型計算出的表面輪廓線均呈圓弧狀，計算結(jié)果反映出了與試驗結(jié)果相同的隨送粉速率變化而變化的趨勢。結(jié)論：采用生死單元法，建立了一種可以同時預(yù)測激光熔覆溫度場和熔覆層幾何形貌的三維數(shù)值模型。模型計算結(jié)果顯示了熔池狀態(tài)與涂層幾何形貌之間的關(guān)系。熔覆層表面輪廓線與試驗結(jié)果基本保持一致，熔覆層橫截面的寬度、高度、熔深與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，說明了模型在計算激光熔覆溫度場及熔覆層幾何形貌方面的有效性和可靠性。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(12)：1203007

入選年份：2016

基于雙目立體視覺的快速人頭檢測方法

顧騁，錢惟賢，陳錢，等

摘要：目的：隨著計算機視覺的興起，其可視化、自動化、對復(fù)雜場景的高適應(yīng)性等優(yōu)點將自動人員檢測系統(tǒng)引入了新的領(lǐng)域，發(fā)展出了許多新的檢測方法。這些方法有一個共同點就是通過檢測人頭來實現(xiàn)流動人員的監(jiān)測，然而想要準(zhǔn)確、實時地檢測人頭信息依然十分困難。通過引入雙目立體視覺的方法來探索一種具有較高準(zhǔn)確性和實時性的人頭檢測系統(tǒng)。方法：利用雙目立體視覺的方法來檢測人頭信息。首先需要對雙目相機采集的圖像進行運動目標(biāo)檢測用以分離出運動目標(biāo)區(qū)域；其次對運動目標(biāo)區(qū)域使用融合區(qū)域匹配和特征匹配的快速匹配方法（即利用視差的連續(xù)性只對強紋理點進行絕對誤差累積匹配，其他點只進行簡單的視差驗證）來得到稠密的視差圖，并通過三角投影關(guān)系計算出深度圖；然后采用深度分層的方法從雙目立體成像得到的深度圖中將存在人頭信息的深度層提取出來；再次利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)預(yù)處理方法提取深度圖像中的基本形態(tài)元素，并使用Canny邊緣檢測算子提取出一組比較完整的候選邊緣輪廓序列；最后利用離散度、占空比、周長、面積等先驗知識從候選邊緣輪廓序列中判定出人頭。結(jié)果：從實驗結(jié)果中可以看出，利用雙目立體視覺的方法來檢測人頭信息具有如下幾個特點，（1）雙目立體視覺具有精度高、對光照不敏感的特點，可以實現(xiàn)復(fù)雜場景下的人頭檢測；（2）實驗中將雙目攝像機吊頂安裝在實驗室房頂上，使其自上而下拍攝圖像，可以有效避免人員遮擋對檢測的影響，同時重點突出頭部特征；（3）利用人體的身高特征，頭部肯定是整個身體中距離地面最遠的，也即距離攝像機傳感器最近的部分，所以通過對深度圖分層就可以把含有人頭信息的那一段深度截取出來單獨處理；（4）只對運動目標(biāo)區(qū)域進行立體匹配可以防止背景區(qū)域?qū)θ祟^分割的影響，同時減少計算量；（5）在雙目相機焦距、基線距離一定的情況下，立體匹配中的視差搜索范圍完全由攝像機到探測目標(biāo)的距離決定，在攝像機與地面距離已知的情況下，通過限定人員的身高范圍就可以確定視差搜索的左右極限，減少不必要的計算量；（6）立體匹配算法可以通過引入并行計算的方法來大大減少計算量。結(jié)論：基于雙目立體視覺的方法，利用雙目同時觀測物體時會存在視差的原理來得到整個場景的深度圖，將含有人頭信息的深度層分離出來再利用輪廓檢測識別出人頭。該方法具有精度高、抗干擾性好、實時性高的特點，對于復(fù)雜場景中的人頭可以有效地檢測。主要適用于車站、公共汽車、商場、影院等需要采集人員流動信息的場所，利用人員流動信息來決定商場的租賃價格、商品的銷售情況、廣告投放的效益；幫助車站安全高效地安排附屬設(shè)施；幫助交通運營部門恰當(dāng)?shù)胤峙淙肆?、物力、財力，合理地調(diào)整路線。

來源出版物：中國激光, 2014, 41(1)：0108001

入選年份：2016