摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题的主要研究内容 3

1.4 本文的主要结构 3

第2章 基于FBG曲线位姿恢复的技术原理 5

2.1 FBG光纤光栅简介 5

2.1.1 光纤光栅传感器的发展及特点 5

2.1.2 FBG光纤光栅的传感原理 6

2.2 光纤光栅获取曲率 7

2.2.1 光纤光栅平面曲率传感 7

2.2.2 光纤光栅空间曲率传感 8

2.3 曲线数学模型的建立 10

2.3.1 曲线的物理特性 10

2.3.2三维形状检测算法 11

2.4 本章小结 15

第3章 基于FBG的曲线位姿恢复实验设计 16

3.1系统设计 16

3.2 FBG曲线位姿传感器的封装 16

3.2.1 FBG传感网络阵列设计 16

3.2.2光纤光栅曲线位姿传感器的封装 17

3.3 基于光纤光栅的3D曲线位姿实验 19

3.3.1 实验系统介绍 19

3.3.2 数据处理及分析 20

3.4 误差分析 22

3.4.1 实验测量误差 23

3.4.2 曲线重建误差 25

3.5本章小结 25

第4章 总结与展望 27

4.1全文总结 27

4.2工作展望 27

参考文献 29

致谢 31

摘 要

近年来，智能结构状态监测与健康评估研究方面获得了重点关注，尤其在非视觉结构形态测量方面获得了广泛研究。FBG传感器不受外部磁场的影响、尺寸小、易于复用组网，利用其成熟的传感技术，可通过波长的变化来反应曲线的应变，在通过应变来推算曲线的位姿，实现形状重构。

基于光纤光栅传感理论，本文对光纤光栅传感阵列的设计、封装方法进行了研究，并对曲线3D形状重建方法进行了探索。设计了一套分布式光纤传感网络以及相应的曲率、扭转角度测量算法，能将光栅测量到的应变信息换算为光栅处的曲率和扭转角度；结合光顺曲线理论与三次B样条理论，提出了一种形状检测算法，该算法能根据测量到的曲率、挠率信息计算出曲线的形状；最后，进行实验测试，验证了算法的有效性。

关键词：光纤光栅传感网络；曲率；扭转角度；插值法；曲线位姿恢复

Abstract

In recent years, intelligent structure state monitoring and health assessment research has received a focus, especially in the non-visual structure of the morphological measurement has been widely studied. FBG sensor is not affected by the external magnetic field and small size, the use of its mature sensor technology, through the wavelength changes to determine its curvature in space changes, to achieve shape reconstruction.

Based on the theory of fiber grating sensing, this paper analyzes the design and packaging method of fiber grating sensor array, and studies the 3D shape reconstruction method. A set of distributed fiber optic sensing network and the corresponding curvature torsion measurement algorithm are designed to convert the strain information measured by the grating into the curvature and torsion at the grating. Combining the smooth curve theory and the cubic B-spline theory, A shape detection algorithm, which can calculate the shape of the center line of the soft manipulator based on the measured curvature and torsional information. Finally, the experimental test is carried out to verify the effectiveness of the algorithm.

Key Words： Fiber grating sensing network; curvature torsion; interpolation method; curve posture recover

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着计算机辅助设计，计算机图形学，智能医疗等技术快速发展，曲线位姿恢复已经成为逆向工程中的一个重要研究课题，曲线位姿恢复研究在计算和工程测量等方面得到广泛的研究^[1]，普遍应用于医学图像、工程形态检测、图像分析中，尤其是在非视觉结构形态测量方面，智能结构状态监测和健康评估已被广泛研究^[2-5]。

例如，在非侵入性和微创医疗保健领域，经常需要使用内窥镜进行检查。目前的方式是将超声图像和内窥镜图像相结合来确定发生病变的位置^[6]。但随着3D传感器正变得越来越小，它对医疗手术器械定位带来了一个更好的发展，使用三维定位传感器(Magnetic-based)和图像技术进行精确定位也是当前正在研究主题，但是该技术需要加入一个外部的磁场，并且容易受其他外部磁场的影响^[7]。因此，使用光纤光栅传感器来实现对穿入人体管道的内窥镜形状检测是一个十分紧迫的任务。

在一些危险和复杂的工业生产过程，需要利用来机器人代替人力操作。在一定的程度上来说，软体机器人的发明，有限的解决了上述问题。软体机器人用于矿山救援和科学检测，其出色的灵活性，确保机械臂与周围环境不发生碰撞的同时进入密闭空间，以避免二次埋葬或破坏探测现场。软体机械臂的灵活性在保障安全的同时也带来了一系列新的问题:由于软体机械臂的形状较大，且容易受狭窄的工作环境影响，不能根据关节变量来恢复软体机械臂的形状。当机器臂在一个封闭的环境中时，操作员不能直接观察到手臂的形状。所以，需要利用传感器来将机械臂的形状信息反馈回来。然而，特殊的工作环境大大限制了可以使用的传感器类型^[8]。光纤光栅传感器因具有其抗电磁干扰、体积小、无源等优点，而得到了国内外的广泛关注，特别是光纤光栅曲线形状传感器的研究在高准确率的重建曲线形状的特点，可研究应用于传感器的形状信息重建上。

本文在对软体机械臂、内窥镜以及相关曲线结构的形状检测应用前景下，提出以一种基于光纤光栅传感阵列植入技术的曲线位姿恢复方法。通过检测传感网络的信号变化，转化为曲线的曲率、扭转角度信息，计算机再根据曲率、扭转角度信息重建空间曲线的形状，实现包括空间曲率、扭转角度的曲线位姿重建技术。