大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一.摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段.本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括:提出折线光路像机链摄像测量方法与技...     

大型结构变形监测摄像测量研究进展

桥梁、隧道、舰船等大型结构变形的全场、高精度、动态测量,是其动态性能实验和质量监测的基本要求。摄像测量具有非接触、高精度、可测点多、实时动态测量等特点,在大型结构的变形监测方面有独特的优势。本文介绍了作者所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形监测方面的研究新成果和典型应用,包括提出位移传递像机串联网络摄像测量方法与技术,用于自动监测高速铁路、隧道等大型结构的路基沉降;研制天线基座变形摄像测量系统,实时、连续、长时间测量我国远望号测量船的天线基座变形等。     

大型结构变形实时摄像测量方法

本文对实时测量大型结构静力变形实验中如何应用摄像测量方法展开研究。针对实时摄像测量的两个主要难题研究解决方法,即图像特征点自动提取和多像机图像特征点自动对应。通过在待测结构表面粘贴LED发光灯或使用激光光栅投影做为合作标志点,提出NNLOG(normalnized negative laplacian of gaussian)算子用于图像上合作标志点的实时提取与跟踪;根据多摄像机约束关系,构造对极几何约束代价函数,解决多像机图像特征点之间的对应问题。设计实现了精度实验,表明位移测量误差小于1mm,相对误差小于1%,基于本文方法实现的测量系统已应用于某型飞机静力变形实验。     

航天测量船船体变形摄像测量技术研究进展

航天测量船是一座海上活动测控站,在辽阔的海洋上对导弹、航天器进行跟踪、测量和控制.航天测量船在海上工作状态下,随着航速、航向的变化,以及海浪冲击、温度变化等影响,会产生不可忽视的弹性变形.这种变形会带来航天测量船的测量误差,特别是雷达和光电经纬仪等测控设备相对船体基准的动态变形,如果不能测量并修正,这些设备就无法完成高精度测量的任务[1].     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

摄像测量技术在国防试验与航天器对接中的应用研究

摄像测量技术正在迅速发展和得到广泛应用,在国防试验和航天飞行任务中发挥着不可替代的作用.本文介绍了作者近年来在该领域所做的应用研究,包括在火箭、导弹发射试验,冲击、碰撞等过程中的动态目标运动测量;针对航天航空和力学工程领域的视频图像实时分析;飞行器三维运动测量以及对接航天器位置和姿态的实时测量.在这些应用中都实现了高精度测量.较近期研发并应用于航天器对接光学测量项目中的算法,对相机参数进行平差修正,能有效地抑制像机参数扰动,具有很强的鲁棒性.     

船体变形的监测方法及其对航向姿态信息的修正

分析了船体变形的原因、种类，以及船体变形对航姿信息的影响；介绍了监测船体变形的四种结构力学方法和包括惯性测量匹配法在内的三种船舶航行实时监测法，以及GPS姿态测量在船体变形监测中的应用。着重讨论了惯性测量匹配法测定船体变形技术在火控系统、舰载飞机和舰载导弹惯导系统传递对准、磁测量船、其它物理测量船等方面的应用。最后针对位于舰船的中心航姿系统和局部基准部位的陀螺和加速度计等测量部件的不同配置，详细给出了用惯性测量匹配法测定并消除船体变形影响的三种实施方案，比较了各方案的特点、计算过程和系统输出数据。这些方案对于在役舰船和现代舰船的船体变形监测和航向姿态修正具有借鉴作用。     

低速冲击下蜂窝铝板的表面变形检测及其吸能特性研究

铝质蜂窝结构由于其优良的物理和机械性能被广泛地应用于工程结构,因而对其力学性能的研究也成为越来越重要的课题。本文通过摆锤冲击实验,研究了蜂窝铝的动态压缩性能及低速冲击吸能特性。结果表明,在球形摆锤冲击下,蜂窝铝结构具有很好的冲击吸能特性,其变形特征与准静态变形类似。研究中通过高速摄像系统和加速度传感器记录摆锤的加速度衰减过程,通过投影光载波技术获得受冲击蜂窝铝板表面的压缩行为和三维变形形貌。最后利用有限元方法进一步分析了蜂窝铝结构中内部损伤形式等实验中无法观测的现象,并对蜂窝铝结构参数对其吸能行为的影响进行了详细的讨论。     

用于结构模拟地震试验的DIC图像实时无损压缩

随着高速、高分辨率数字图像技术的快速发展,数字图像相关(DIC)测量技术已经在结构三维动态变形测量中得到很好的应用.由于空间分辨率增加和帧频的提高,使得需要传输和存储的数据量也大大增加,尤其是采用多相机系统进行大型结构的模拟地震试验时,有限的存储空间往往会制约试验的时长,不能满足破坏性试验的需要.本文根据土木结构DIC...     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

Videometrics Measurement for Dynamic Topography of Large Flexible Cable Net Based on Tiny Light Spot Markers

Background:

Traditional videometric method can not be used in the measurement of large flexible cable-net structure for its large overall size and small partial size.

Objective

A videometrics technique was proposed in this work to measure the topography and deformation of a large cable net structure.

Methods

Tiny spots with high brightness (and large gray gradient) are used to mark the cable net nodes. By arranging the imaging light path properly, the light spot markers can be enlarged and accurately identified in the captured images.

Results

The relationship between the imaging parameters and the gray distribution of the light spot markers were derived and verified. And a topographical measurement experiment of a cable net structure was carried out with the proposed videometrics technique.

Conclusions

The topography/deformation of the cable net can be measured with tiny-light spot markers, and the effectiveness and robustness of the technique on topography and deformation measurement of large cable-net structures are demonstrated.

     

空间薄膜结构动态测试研究最新进展

空间薄膜结构是一种主要由薄膜材料制成的新型大型轻量化结构,在深空探测中可用于构建大型天线、太阳帆、太阳能集中器等新概念飞行器。它具有超低频率、密集模态、局部模态、几何大变形、高柔性、低密度、强非线性、以及承载能力随充气压力改变等一系列特点,传统的实验模态分析方法已经不满足此类结构的测试要求。同时在地面测试时容易受空气附加质量、地球重力及温度、湿度环境影响,这给动态测试带来很大困难。本文首先总结了适合薄膜空间结构的动态测试技术如新型智能传感器,激光测量和数字图像测量等非接触测试方法最新进展,并比较分析各测试方法优缺点。此外对微重力、真空、交变温度等空间环境对动态测试结果的影响进行总结,存在缺陷对动态测试结果的影响进行评述,最后针对目前空间薄膜结构动态测试中存在的问题进行探讨并指出未来发展方向。     

Videometric research on deformation measurement of large-scale wind turbine blades

Utilization of wind energy is a promising way to generate power, and wind turbine blades play a key role in collecting the wind energy effectively. This paper attempts to measure the deformation parameter of wind turbine blades in mechanics experiments using a videometric method. In view that the blades experience small buckling deformation and large integral deformation simultaneously, we proposed a parallel network measurement (PNM) method including the key techniques such as camera network construction, camera calibration, distortion correction, the semi-automatic high-precision extraction of targets, coordinate systems unification, and bundle adjustment, etc. The relatively convenient construction method of the measuring system can provide an abundant measuring content, a wide measuring range and post processing. The experimental results show that the accuracy of the integral deformation measurement is higher than 0.5 mm and that of the buckling deformation measurement higher than 0.1 mm.     

基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展

挠度是评估桥梁承载能力和健康状态最直观的指标。近20年来,基于计算机视觉的桥梁挠度测量方法凭借其非接触式、快速简易安装等优点,被逐步应用于实际测量中。本文从测量原理、测量方式和影响因素3个方面出发,介绍了当前基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展。在测量原理方面,从相机标定、三维立体视觉、摄影测量、特征检测与匹配4个方面进行了介绍。在测量方式方面,介绍了单相机二维测量、双相机三维测量、基于摄影测量的准静态测量和位移传递串联相机网络多点动态测量。在影响因素方面,介绍了相机自身因素、标定因素、算法因素和环境因素4个方面对测量结果的影响,并总结了目前国内外的研究成果。最后对基于视觉的桥梁挠度测量技术的未来发展趋势做出了展望。     

Dynamic Thermal Deformation Measurement of Large-Scale, High-Temperature Piping in Thermal Power Plants Utilizing the Sampling Moiré Method and Grating Magnets

Fast and accurate deformation measuring techniques show promising potential for monitoring high-temperature piping and other machinery in the energy sector, such as in thermal, steam, or nuclear power plants. Optics-based, nonintrusive, and real-time monitoring systems are critical for preventing high-temperature steam leaks, unexpected accidents, explosions, and other failures that can have catastrophic consequences for the power supply, the workers, and the public. In this study, a dynamic thermal deformation measurement technique utilizing the sampling Moiré method and grating magnets is developed for large-scale, high-temperature piping in a thermal power plant. Because of the high temperature of the piping of nearly 300 °C several 100 mm by 100 mm ferrite magnets were placed to select locations of the high-temperature piping. In each ferrite magnet, a regular, two-dimensional binary grating pattern with a pitch of 15 mm was painted on the surface, and the grating magnets were used as the reference grating to analyze the small in-plane displacement distribution using the sampling Moiré method. A compensation method of misalignment angle is also proposed to improve the measurement accuracy. The effect on vibration remove, mirage due to conversion in air, wide angle of camera lens, and compensation of misalignment angle, are discussed. The experimental results showed that our measurement technique is suitable for evaluation of high-temperature, large-scale infrastructure.     

大视场双目投影条纹方法中的相机参数标定与优化研究

投影条纹法具有高精度、高分辨的特点,且实验设备简单,对实验环境要求低,适宜于不同尺度的三维形貌测量。双目投影条纹法通常采用有标准参照物的相机标定方法获取相机参数,以实现物体表面三维形貌重建。然而,在大型结构的三维形貌测量中参照物的相对尺度较小,传统的基于重投影的相机标定方法在特征检测中引入的误差会被放大,从而影响三维表面形貌测量的稳定性和准确性。本文结合双目投影条纹成像原理,提出了一种适用于大面积形貌测量的投影条纹系统标定方法。该方法利用投影条纹控制点以及对极几何约束对张氏标定法结果进行优化,从而可以在大视场标定中保持较高的精度。实验表明,在标定板与测量物大小相当时,本文提出的标定方法与传统标定方法的测量结果基本一致;当标定板远小于待测物时,本文方法的测量精度和稳定性明显优于传统方法。