[发明专利]基于双目立体视觉的结构模态参数识别系统

说明书

技术领域

本发明属于图像视觉领域和动力学模态参数辨识的交叉领域，涉及双目立体视觉系统的建立、关键点的识别和三维运动数据的计算、结构模态参数的识别算法。

背景技术

结构的模态参数识别是结构动态性能设计、分析的重要手段，在线模态参数识别对于结构振动主动控制、损伤识别、故障预报及诊断、结构健康监测等具有重要的应用价值。现代工程结构的发展趋于轻量化、大型化，部分结构甚至工作在极端环境中，如高温、外太空等。传统基于接触式测量的振动测试由于存在影响轻质结构模态参数、不易在极端环境中测量、需大范围布置数据线路等问题，不再适用于某些现代工程结构的模态参数识别，如高温高转速下工作的涡轮叶片、空间站的大面积太阳翼。

相比于接触式测量，非接触测量对被测对象的附加影响极小，因此更适合于柔软、易变形结构的测量。视觉测量技术具有非接触、低成本、精度高、测量设备简单等突出特点，因此日益受到重视。鉴于此，本发明意在通过双目立体视觉系统自动识别轻质、极端环境下工作结构的模态参数，对结构主动振动控制、在线健康监测提供一种技术手段。

发明内容

本发明利用双摄像机拍摄待测结构的自由运动或受冲击载荷后的运动，识别图像中的关键点，计算得到关键点的三维运动数据，通过关键点的三维运动数据计算得到结构的模态，最终呈现给使用者。其成本低、速度快、精度高，对测量结构模态无影响或影响很小。

本发明通过如下的技术方案实现。

一种基于双目立体视觉的非接触式模态测量系统，包括摄像装置、数据采集和处理装置；

所述摄像装置包括两个摄像单元和一个触发信号发生装置，所述两个摄像单元基本以平行方式设置，左右相隔一定距离，固定在支撑单元上；两个摄像单元能够在触发信号发生装置的同步下对被测结构进行同步的稳定帧率的拍摄，从而生成同步图像序列文件；

所述数据采集和处理装置能够从所述摄像装置获得所述同步图像序列文件，并进行处理，获得所述被测结构的结构模态参数。

优选地，还包括对所述被测结构加载冲击载荷的装置。

优选地，所述摄像装置的所述两个摄像单元在所述被测结构加载冲击载荷之后同步地进行拍摄。

优选地，所述结构模态参数为各阶模态的无阻尼频率、阻尼比、阵型、模态置信度(MAC)、模态相位共线性(MPC)中的一项或多项。

一种使用根据以上技术方案之一所述的基于双目立体视觉的非接触式模态测量系统进行模态测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对于两个摄像单元进行标定，获得两个摄像单元各自的内参数和它们之间的外参数；通过三维立体校正，获得图像的消除畸变的行对齐映射和重投影矩阵。

步骤二：建立被测结构表面的关键点，加载冲击载荷让被测结构自由运动，同时使用标定完的双摄像单元摄像被测结构受冲击载荷后的自由运动，获得同步图像序列文件。

步骤三：处理摄像单元的同步图像序列文件，获得测试时间内，关键点的三维运动数据。

步骤四：通过所有关键点的三维运动数据，以特征系统实现算法识别被测结构的模态。

步骤五：根据识别结果，图形化显示各阶模态的无阻尼频率、阻尼比、阵型、模态置信度(MAC)、模态相位共线性(MPC)。

优选地，所述步骤一通过标定获得两个摄像单元分别的内参数矩阵、畸变向量和摄像单元间的外参数矩阵。

优选地，所述步骤二中的关键点的图案为黑白同心圆环。

附图说明

图1是根据本发明的结构模态参数识别系统示意图；

图2是根据本发明的结构模态参数识别系统流程图；

图3是获取关键点三维运动数据处理流程图；

图4是关键点形状示意图；

图5是特征系统实现算法计算流程图。

具体实施方式

为了更加明晰的阐述本发明的技术方案和内容，下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的结构模态参数识别系统包括摄像装置、数据采集和处理装置。所述摄像装置包括两个摄像单元，基本以平行方式设置，左右相距90mm，固定在支撑单元上。

图2示出的是根据本发明进行结构模态参数识别的流程图。其中的具体流程包括如下步骤。

步骤1，搭建双目立体视觉系统，进行标定，获得两个摄像单元的内参数和相互的外参数；通过三维立体校正，获得图像的消除畸变的行对齐映射和重投影矩阵。