一种运动态结构变形视觉测量方法
阅读说明：本技术 一种运动态结构变形视觉测量方法 (Visual measurement method for deformation of dynamic structure ) 是由 唐小军 白宇君 田欣 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种运动态结构变形视觉测量方法,属于运动态承载结构力学试验领域；提供了一种基于动态跟随、动态视觉测量技术的大视场、高精度、通用的运动态结构变形方法,适用于平移、升降、低速转动等运动工况条件下结构变形视觉测量,也适用于其他类似或静态条件下不同结构体变形视觉测量；主要解决航天、航空、船舶、重机等制造行业中大型复杂装备研制或者服役过程中运动态结构大视场变形困难的问题,有效解决了传统视觉测量无法与被测目标体随动,视场范围十分有限、对于大范围运动目标的捕获困难的难题。(The invention relates to a visual measurement method for deformation of a moving structure, belonging to the field of mechanical tests of moving bearing structures; the dynamic following and dynamic vision measurement technology-based large-view-field, high-precision and universal motion state structure deformation method is provided, and is suitable for structure deformation vision measurement under the motion working conditions of translation, lifting, low-speed rotation and the like, and is also suitable for deformation vision measurement of different structural bodies under other similar or static conditions; the method mainly solves the problem of difficult deformation of a large field of view of a moving structure in the development or service process of large-scale complex equipment in the manufacturing industries of aerospace, aviation, ships, heavy machinery and the like, and effectively solves the problems that the traditional vision measurement cannot follow a measured target body, the field of view is very limited, and the capture of the target moving in a large range is difficult.)
技术领域
本发明属于运动态承载结构力学试验领域，涉及一种运动态结构变形视觉测量方法。
背景技术
随着大型化、复杂化、多功能的先进装备在航天、航空、船舶、重机等行业中的快速发展，各类复杂运动态承载结构机构得到了越来越广泛的应用，在各类复杂装备的运动态承载结构机构研制阶段，模拟其实际使用或服役状态的全方位力学考核验证显得尤为重要，直接关系到整个装备承载能力和全系统的可靠性。以空间装备为例，随着空间装备向空间攻防、在轨重构与服务、大容量通信的方向发展，大型空间展收机构、大跨度机械臂、可展开天线等大型空间运动机构在空间装备中得到了越来越广泛的应用。该类结构是空间捕捉、对接、展开等任务的关键执行端，为保证大型空间运动结构在空间复杂环境下这类关键作业的稳定、可靠，其结构必须具有足够的强度、刚度等力学性能，其力学性能直接决定关键作业任务的成败。力学试验验证考核是保障该类结构顺利完成复杂服役环境下关键作业任务的重要手段。变形作为表征力学性能的核心指标，地面力学试验验证中实时准确测量变形参量是该类结构性能评价的关键。
目前运动态结构变形方法主要有应变测量法、残余变形测量方法、常规的动态视觉测量方法。应变测量法通过在被测目标表面粘贴应变传感器及布设应变测量线路，采集被测动态结构机构的动态应变数据，通过变形-应变关系反推获得运动态结构变形情况，该方法由于其传输线路通常会妨碍结构运动、线缆存在附加载荷的影响，难以广泛适用于动态工况测量；残余变形测量方法主要受限于动态测量困难，在运动态结构力学试验验证考核完成前后，采用常规静态测量手段测量被测目标主要被测点的相对位姿关系，并通过对比试验前后的测量结果获得被测目标在经历动态力学试验后结构的残余变形情况，但该方法无法测量过程态变形情况，测量结果仅为残余变形；而常规的动态视觉测量方法通常采用动态视觉测量系统，依靠大视场图像获取测头直接捕获被测目标的标志点以获取结构动态变形，但该方法无法与被测目标体随动，视场范围十分有限、对于大范围运动目标的捕获困难，远不能满足运动态结构变形测量需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种运动态结构变形视觉测量方法，有效解决了传统视觉测量无法与被测目标体随动，视场范围十分有限、对于大范围运动目标的捕获困难的难题。
本发明解决技术的方案是：
一种运动态结构变形视觉测量方法，包括如下步骤：
步骤一、将作动机构与被测运动结构连接；通过作动机构实现带动被测运动结构运动；
步骤二、在被测运动结构的表面需要进行变形测量的位置粘贴视觉测量靶标；并在被测运动结构的中部安装实时标定尺；
步骤三、在被测运动结构的表面安装位姿跟踪靶标；
步骤四、将自适应视场调节机构的根部与移动平台连接；在自适应视场调节机构的顶部安装视觉测量高稳定基线结构；在视觉测量高稳定基线结构的一端安装第一视觉测量头，在视觉测量高稳定基线结构的另一端安装第二视觉测量头；第一视觉测量头和第二视觉测量头均通过视觉测量数传与控制模块与视觉测量控制与处理系统连接；第一视觉测量头和第二视觉测量头均对准被测运动结构；
步骤五、在视觉测量高稳定基线结构的中部安装位姿跟踪测量模块；位姿跟踪测量模块对准被测运动结构，且实现位姿跟踪测量模块实时捕获位姿跟踪靶标；
步骤六、调节第一视觉测量头和第二视觉测量头，实现第一视觉测量头和第二视觉测量头均能有效覆盖全部视觉测量靶标；调节完成后，对第一视觉测量头和第二视觉测量头的位置锁死，保持第一视觉测量头和第二视觉测量头相对位姿稳定；
步骤七、通过视觉测量控制与处理系统控制第一视觉测量头和第二视觉测量头对视觉测量靶标进行静态状态视觉测量采集，并根据分布在被测运动结构各视觉测量靶标的绝对位置及相对位置，获得被测运动结构的实时位姿状态；
步骤八、通过作动机构驱动被测运动结构按照预设轨迹运动；
步骤九、通过视觉测量控制与处理系统控制第一视觉测量头和第二视觉测量头对视觉测量靶标进行初始状态视觉测量采集，并根据采集结果，解算出初始状态测量图像；对初始状态测量图像进行等变形量比例解算；获得修正后的变形量测量图像，根据修正后的变形量测量图像获得当前被测运动结构变形测量结果；
步骤十、重复步骤八和步骤九，并对被测运动结构变形测量结果取平均值，获得被测运动结构运动全过程最终变形量测量结果。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤一中，作动机构为被测运动结构以外的外置作动机构，或为被测运动结构自带的内置作动机构。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤三中，所述位姿跟踪靶标个数不小于3个，至少1个位姿跟踪靶标安装在被测运动结构的中间区域，且各位姿跟踪靶标分布不在同一条直线上。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤四中，所述视觉测量数传与控制模块采用柔性数据传输线或无线数传方式进行数据传输与控制；所述视觉测量高稳定基线结构实现运动中不产生影响第一视觉测量头和第二视觉测量头相对位姿稳定的有害变形。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤五中，所述位姿跟踪测量模块实现对视觉测量高稳定基线结构产生的附件重量不产生影响第一视觉测量头和第二视觉测量头相对位姿稳定的有害变形。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤七中，初始状态视觉测量采集时，第一视觉测量头和第二视觉测量头的采集频率为被测运动结构最大运动频率的5-10倍。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤九中，对初始状态测量图像进行等比例解算的具体方法为：
以实时标定尺实际长度与图像中长度的比例为基准，以该比例对初始状态测量图像的变形量进行解算。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，在步骤九过程中，根据被测运动结构的实时位姿数据，实时通过调节移动平台的升降、旋转；通过调节自适应视场调节机构的平移；实现视觉测量高稳定基线结构与被测运动结构的相对距离和相对姿态角与步骤七中2者的相对距离和相对姿态角误差保持在±2％以内。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤九中的初始状态视觉测量采集频率大于步骤七中静态状态视觉测量采集频率。
在上述的一种运动态结构变形视觉测量方法，所述步骤十中，重复步骤八和步骤九不少于10次。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提供了一种具有动态跟随、非接触式、大视场、高精度、通用的运动态结构变形方法，可解决航天、航空、船舶、重机等制造行业中大型复杂装备研制或者服役过程中运动态结构大视场变形困难的问题，能够对运动态结构机构实现高精度变形测量；
(2)本发明采用自适应视场调节机构及移动平台设计方法，实现了在被测目标体运动过程中常规视觉测量视场动态跟随的难题，有效解决了传统视觉测量无法与被测目标体随动，视场范围十分有限、对于大范围运动目标的捕获困难的难题；
(3)本发明采用视觉测量高稳定基线结构及运动基线设计，实现了运动态测量过程中视觉测量头相对位姿稳定，创新的实现了动测量基线条件下的运动结构变形测量。
附图说明
图1为本发明运动态结构变形视觉测量系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种运动态结构变形视觉测量方法，是基于动态跟随、动态视觉测量技术的大视场、高精度、通用的运动态结构变形方法，主要解决航天、航空、船舶、重机等制造行业中大型复杂装备研制或者服役过程中运动态结构大视场变形困难的问题。
运动态结构变形视觉测量方法，具体包括如下步骤：
步骤一、将作动机构1与被测运动结构2连接；通过作动机构1实现带动被测运动结构2运动。在设计中，可根据实际需要或实际空间大小，将作动机构1为被测运动结构2以外的外置作动机构，或为被测运动结构2自带的内置作动机构，如图1所示。
步骤二、在被测运动结构2的表面需要进行变形测量的位置粘贴视觉测量靶标3；并在被测运动结构2的中部安装实时标定尺4。
步骤三、在被测运动结构2的表面安装位姿跟踪靶标5；位姿跟踪靶标5个数不小于3个，至少1个位姿跟踪靶标5安装在被测运动结构2的中间区域，且各位姿跟踪靶标5分布不在同一条直线上。
步骤四、将自适应视场调节机构12的根部与移动平台13连接；在自适应视场调节机构12的顶部安装视觉测量高稳定基线结构9；在视觉测量高稳定基线结构9的一端安装第一视觉测量头7，在视觉测量高稳定基线结构9的另一端安装第二视觉测量头8；第一视觉测量头7和第二视觉测量头8均通过视觉测量数传与控制模块10与视觉测量控制与处理系统11连接；第一视觉测量头7和第二视觉测量头8均对准被测运动结构2；视觉测量数传与控制模块10采用柔性数据传输线或无线数传方式进行数据传输与控制；所述视觉测量高稳定基线结构9实现运动中不产生影响第一视觉测量头7和第二视觉测量头8相对位姿稳定的有害变形。
在安装视觉测量头时，第一视觉测量头7、第二视觉测量头8分别安装于视觉测量高稳定基线结构两端，并通过视觉测量数传与控制模块以及视觉测量控制与处理系统连接形成动态视觉测量回路。
步骤五、在视觉测量高稳定基线结构9的中部安装位姿跟踪测量模块6；位姿跟踪测量模块6对准被测运动结构2，且实现位姿跟踪测量模块6实时捕获位姿跟踪靶标5；位姿跟踪测量模块6实现对视觉测量高稳定基线结构9产生的附件重量不产生影响第一视觉测量头7和第二视觉测量头8相对位姿稳定的有害变形。
通过位姿跟踪测量模块6实时测量布设在被测运动结构上的位姿跟踪靶标5绝对位置及不同位姿跟踪靶标的相对位姿关系，获得被测运动结构2的实时位姿状态，同时通过自适应视场调节机构12、移动平台13的实时升降、平移、旋转实现安装于自适应视场调节机构12顶端的视觉测量高稳定基线结构9的位姿调节。
步骤六、调节第一视觉测量头7和第二视觉测量头8，实现第一视觉测量头7和第二视觉测量头8均能有效覆盖全部视觉测量靶标3；调节完成后，对第一视觉测量头7和第二视觉测量头8的位置锁死，保持第一视觉测量头7和第二视觉测量头8相对位姿稳定。
依次对被测目标模块、动态视觉测量模块和动态跟随模块进行调试，确保被测目标模块、动态视觉测量模块和动态跟随模块均可工作正常。
进行系统标定。通过作动机构1工作使被测运动结构2运动至测量初始状态；进一步，根据位姿跟踪靶标5的实际安装位置对位姿跟踪测量模块进行测量前标定。进一步，采用视觉测量标定尺4对动态视觉测量模块进行标定。动态视觉测量模块标定过程中，视觉测量标定尺应放置于实际测量时不同视觉测量靶标安装附近位置，标定图像采集不少于20张。
步骤七、通过视觉测量控制与处理系统11控制第一视觉测量头7和第二视觉测量头8对视觉测量靶标3进行静态状态视觉测量采集，并根据分布在被测运动结构2各视觉测量靶标3的绝对位置及相对位置，获得被测运动结构2的实时位姿状态；初始状态视觉测量采集时，第一视觉测量头7和第二视觉测量头8的采集频率为被测运动结构2最大运动频率的5-10倍。
步骤八、通过作动机构1驱动被测运动结构2按照预设轨迹运动。
步骤九、通过视觉测量控制与处理系统11控制第一视觉测量头7和第二视觉测量头8对视觉测量靶标3进行初始状态视觉测量采集，并根据采集结果，解算出初始状态测量图像；对初始状态测量图像进行等变形量比例解算；获得修正后的变形量测量图像，根据修正后的变形量测量图像获得当前被测运动结构2变形测量结果；对初始状态测量图像进行等比例解算的具体方法为：以实时标定尺4实际长度与图像中长度的比例为基准，以该比例对初始状态测量图像的变形量进行解算。
在步骤九过程中，根据被测运动结构2的实时位姿数据，实时通过调节移动平台13的升降、旋转；通过调节自适应视场调节机构12的平移；实现视觉测量高稳定基线结构9与被测运动结构2的相对距离和相对姿态角与步骤七中2者的相对距离和相对姿态角误差保持在±2％以内。初始状态视觉测量采集频率大于步骤七中静态状态视觉测量采集频率。
步骤十、重复步骤八和步骤九不少于10次。，并对被测运动结构2变形测量结果取平均值，获得被测运动结构2运动全过程最终变形量测量结果。
本发明的原理为：
通过作动机构1实现被测运动结构2的运动，通过由位姿跟踪靶标5、位姿跟踪测量模块6、自适应视场调节机构12、移动平台13组成的动态跟随模块实现视觉测量高稳定基线结构9的位姿实时调节，从而实现动态视觉测量模块对被测运动结构2的测量视场的有效实时覆盖。通过由视觉测量靶标3、实时标定尺4、第一视觉测量头7、第二视觉测量头8、视觉测量高稳定基线结构9、视觉测量数传与控制模块10、视觉测量控制与处理系统11组成的动态视觉测量回路实时获取被测运动结构的不同视觉测量靶标之间的相对位置信息，之后通过统一的坐标系变换并与初始状态测量结果对比解算，最终实现运动态结构变形实时测量。
本发明是一种具有动态跟随、非接触式、大视场、高精度、通用的运动态结构变形方法，可解决航天、航空、船舶、重机等制造行业中大型复杂装备研制或者服役过程中运动态结构大视场变形困难的问题，能够对运动态结构机构实现高精度变形测量。采用自适应视场调节机构及移动平台设计方法，实现了在被测目标体运动过程中常规视觉测量视场动态跟随的难题，有效解决了传统视觉测量无法与被测目标体随动，视场范围十分有限、对于大范围运动目标的捕获困难的难题。此外，本发明采用视觉测量高稳定基线结构及运动基线设计，实现了运动态测量过程中视觉测量头相对位姿稳定，创新的实现了动测量基线条件下的运动结构变形测量。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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