[发明专利]基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法

摘要

本发明基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法属于风洞实验技术领域，涉及一种风洞试验中风洞模型振动的抑制系统及方法。该方法采用工业相机拍摄风洞模型的振动图像，并利用FPGA视觉测量系统的图像高速实时处理传输技术，解算出振动位移信号并转化为模拟量反馈给控制器。控制器输出控制信号，并经过功率放大，实现对压电陶瓷作动器的控制进而实现风洞模型振动主动抑制的目的。该方法采用基于FPGA的视觉测量的方式测量风洞模型的振动信号作为控制作动器工作的反馈信号，有效避免高压压电陶瓷驱动信号对振动测量信号的干扰和滤波器产生的输入信号的迟滞。该种方法使作动器控制稳定、精确，提升对风洞模型振动抑制的效果。

主权项

1.基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法，其特征是，该方法采用工业相机拍摄风洞模型的振动图像，并利用FPGA视觉测量系统的图像高速实时处理传输技术，解算出振动位移信号并转化为模拟量反馈给控制器，控制器输出控制信号，并经过功率放大，实现对压电陶瓷作动器的控制进而实现风洞模型振动主动抑制的目的；方法的具体步骤如下：步骤一 基于视觉测量的风洞模型支杆抑振系统的硬件搭建在风洞模型的支杆(8)前端粘贴自发光标记点(9)，并在标记点(9)前方适当位置布置工业相机(1)，用于接收光学信号进行图像采集；图像采集卡(4)安装在计算机(2)主板上，用于图像信号的采集和传输；连接工业相机(1)接口和图像采集卡(4)，实现数据传输；图像采集卡(4)安装在计算机主板上，用于数字信号的采集和模拟信号的传递；连接输入输出卡(3)与控制器(5)，输入输出卡(3)安装在计算机(2)上，根据控制器内的控制算法计算，得到控制器的控制信号；功率放大器(6)的一端与控制器(5)连接，功率放大器(6)的另一端与作动器(7)连接，作动器(7)和风洞模型的支杆(8)连接，由作动器(7)产生位移和弯矩，对振动进行抑制；步骤二 视觉振动图像采集系统标定采用张氏标定法以精密二维靶标对视觉振动图像采集系统进行标定；利用靶标角点求解坐标与实际坐标的偏差函数对张氏标定方法求解出的工业相机的内外参数进行优化，公式为：g(x)＝(Xw‑Xd)2+(Yw‑Yd)2+(Zw‑Zd)2   (1)其中，Xw，Yw，Zw为靶标角点的实际坐标，而Xd，Yd，Zd为通过工业相机内外参数求解的各角点坐标，则建立目标函数如下：其中,为所有角点偏离实际坐标距离的平方和，应用LM算法求取目标函数G(x)，得到内外参数的全局最优解；通过该方法即得到工业相机坐标系与世界坐标系下的对应关系；计算得到表征二者关系的平移矩阵和旋转矩阵，公式为：步骤三 进行参数法阈值处理，中值滤波采用高速工业相机对风洞模型进行拍摄，得到能够表征支杆振动的图像信号；对原始图像进行处理，将自发光标记点附近的区域从背景中分离出来；这里采用参数法阈值处理；选用均一阈值处理方法，从最低的灰度值开始，计算图像的直方图分布,其中t＝0,1,2,…，255，表示图像的灰度值；整个直方图中目标区域所占比例为用公式(5)、(6)计算图像的阈值C，将大于一个特定阈值的像素设为白色，小于该阈值的像素设为黑色，将感兴趣区域从背景中分离出来；C＝argmin|P1(t)‑P1|   (5)其中,f(x,y)为灰度图像的灰度值，C为阈值，g(x,y)为阈值处理后的灰度图像；经过阈值处理的图像，还可能存在由图像传输系统中解码误差原因产生的导致图像中出现孤立的白点和黑点的椒盐噪声；采用中值滤波，即采用一个含有奇数个点的滑动窗口，用窗口中各点灰度值的中值来代替中心点的灰度值；运用中值滤波去除在保留边界的同时抑制噪声信息；步骤四 连通区域，提取坐标以上预处理之后的图像是品质较好的包含表征自发光标记点位置的灰度图像，发光点位置由数个连通的像素点组成；需要将这些像素点组成的多个连通区域进行识别，运用阈值分割的方法对输入的图像进行基于灰度的相似性聚类；对完成分割后的图像进行连通、区域腐蚀、再次连通和感兴趣区域膨胀的处理，并根据预设值排除不符合要求的连通区域，分析出代表自发光标记点的连通区域的位置；连通区域中某个像素点的位置能够代表自发光标记点中心的位置，使用灰度重心法确定该位置；灰度重心法是用图像的灰度值作为权值的加权形心法；灰度图像I(x,y)中目标S的灰度重心坐标(x0,y0)为：用两个连续像素的灰度值代表所需的像素坐标值，即将这两个连续像素灰度值的二进制数直接合成实际所需的像素坐标的二进制数；将所得的像素坐标利用式(2)求得的R、T矩阵带入如下公式(8)中，求得在世界坐标系中标记点的坐标(x,y)，该坐标以数字信号的形式寄存和传递；步骤五 数字信号转换为模拟信号上述数字信号存储在内存当中，基于C语言编程读取内存中的坐标信息，输出能够表征自发光标记点位置的模拟信号，以电压的形式输出；ux＝f(x)，uy＝f(y)   (9)利用DA单极性模拟量数据输出格式，输出振动电压信号；输出电压值与设备的DA原始码的换算关系为：其中，nDAData表示写向设备的DA原始码，Vout为输出的电压值，V是模拟量输出转换器的输出量程上限；步骤六 输出抑振上述步骤中生成的振动信号输入到控制器当中，作为振动抑制系统的反馈信号；由控制器控制算法对反馈信号进行处理运算生成控制信号，经由功率放大器将控制信号放大产生驱动压电陶瓷工作的控制信号，压电陶瓷输出与模型振动方向相反的力和力矩，实现风洞模型振动的抑制。