針對(duì)當(dāng)前單目視覺(jué)測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)同步測(cè)量的問(wèn)題,提出一種基于位感條紋和高速相機(jī)的結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)同步測(cè)量新方法。在建立測(cè)量系統(tǒng)完整的原理模型基礎(chǔ)上,系統(tǒng)描述單相機(jī)成像坐標(biāo)下采用單個(gè)位感條紋獲取結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)位移信息的測(cè)量原理,建立成像位感條紋三維編碼動(dòng)態(tài)參數(shù)與結(jié)構(gòu)實(shí)際三維位移之間的內(nèi)在聯(lián)系,推導(dǎo)各維位移的計(jì)算公式。通過(guò)結(jié)構(gòu)三維運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)成像系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,驗(yàn)證位移測(cè)量原理和算法的正確性;并通過(guò)仿真和試驗(yàn)分析系統(tǒng)的測(cè)量性能及其影響因素。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)已知三維運(yùn)動(dòng)的測(cè)量,并與基于三維加速度傳感器的接觸式測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證基于位感條紋的視覺(jué)測(cè)量方法及系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)位移準(zhǔn)確同步測(cè)量的有效性。 

【文章來(lái)源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2019,55(14)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

圖5位感條紋圖及寬度方向中心線(xiàn)確定原理2系統(tǒng)測(cè)量性能影響因素分析

三維位移測(cè)量的不確定度與位感條紋圖像分辨率和信噪比的關(guān)系，對(duì)靜止結(jié)構(gòu)表面的位感條紋進(jìn)行拍攝。模擬中采集了兩組分辨率分別為476×238像素點(diǎn)和1276×638像素點(diǎn)的位感條紋序列，每組序列為200張。然后對(duì)不同分辨率的兩組位感條紋序列圖像加入不同量級(jí)的高斯白噪聲，分別生成九組條紋信噪比分別為10、20、30、40、50、60、70、80和90dB的條紋序列。然后采用提出的位移算法計(jì)算各組條紋序列的三維位移并計(jì)算位移的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)估位移測(cè)量的不確定度，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)位感條紋圖的分辨率固定時(shí)，其各方向的位移不確定度隨著條紋圖像信噪比的增加而減校從圖6a和6b對(duì)比可以看出，增加位感條紋的圖像分辨率也可以減小各方向位移的測(cè)量不確定度。從不同方向的位移不確定度變化曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在條紋圖像信噪比低于50dB時(shí)，該測(cè)量系統(tǒng)X方向的位移不確定度比Y和Z方向的不確定度要大得多。而隨著條紋質(zhì)量的提高，測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)方向的位移不確定度差別越來(lái)越校當(dāng)位感條紋分辨率為1276×638像素點(diǎn)、信噪比為50dB時(shí)，X、Y和Z方向的位移不確定度分別為0.1μm、0.2μm和0μm。因此，在獲得高質(zhì)量的位感條紋圖像的情況下，該系統(tǒng)可獲得較好的三維位移分辨率。圖6位感條紋圖分辨率和信噪比與位移不確定度的關(guān)系3試驗(yàn)及分析為了驗(yàn)證提出的基于位感條紋的結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性。搭建了一套試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)安裝于三維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的輕質(zhì)平板結(jié)構(gòu)和安裝于激振器輸出端懸臂梁的三維振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)裝置如圖7所示。試驗(yàn)中采用型號(hào)為PCO.1200hs的CMOS高速相機(jī)，其最大?

?Z方向上的時(shí)域運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值與各移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置的幅值相等。驗(yàn)證了該振動(dòng)測(cè)量方法各方向位移計(jì)算算法的正確性與準(zhǔn)確性，也說(shuō)明了該基于單個(gè)位感條紋的結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)的同步測(cè)量。圖8平板結(jié)構(gòu)三維位移測(cè)量結(jié)果為了對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，采用三維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)分別在X、Y和Z三個(gè)方向產(chǎn)生5步位移增量為10μm的階梯運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用提出的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該位移進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)提出的位移提取算法得到結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的階梯位移曲線(xiàn)如圖9所示。由圖可知，系統(tǒng)可以分辨三個(gè)方向步距為10μm的階梯運(yùn)動(dòng)。但是由于本系統(tǒng)中相機(jī)單個(gè)像素點(diǎn)尺寸和位深分別為12μm×12μm和8位，采集得到的位感條紋信噪比較差，導(dǎo)致計(jì)算條紋密度信息時(shí)的誤差較大。所以系統(tǒng)X方向的位移曲線(xiàn)噪聲水平較大。但是系統(tǒng)X和Y方向的位移信號(hào)信噪比較高，可實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)位移的分辨與測(cè)量。圖9結(jié)構(gòu)三維階梯位移試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

【參考文獻(xiàn)】：
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