基于視覺測(cè)量技術(shù)風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)基于視覺測(cè)量技術(shù)風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制方法屬于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制系統(tǒng)及方法。該方法采用工業(yè)相機(jī)拍攝風(fēng)洞模型的振動(dòng)圖像，并利用FPGA視覺測(cè)量系統(tǒng)的圖像高速實(shí)時(shí)處理傳輸技術(shù)，解算出振動(dòng)位移信號(hào)并轉(zhuǎn)化為模擬量反饋給控制器。控制器輸出控制信號(hào)，并經(jīng)過功率放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷作動(dòng)器的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的。該方法采用基于FPGA的視覺測(cè)量的方式測(cè)量風(fēng)洞模型的振動(dòng)信號(hào)作為控制作動(dòng)器工作的反饋信號(hào)，有效避免高壓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)振動(dòng)測(cè)量信號(hào)的干擾和濾波器產(chǎn)生的輸入信號(hào)的遲滯。該種方法使作動(dòng)器控制穩(wěn)定、精確，提升對(duì)風(fēng)洞模型振動(dòng)抑制的效果。

Method for suppressing vibration of wind tunnel model based on vision measurement technique

The invention relates to a method for suppressing vibration of a wind tunnel model based on vision measuring technology, belonging to the technical field of wind tunnel experiment, and relates to a wind tunnel model vibration suppression system and method in wind tunnel test. The method of shooting image vibration wind tunnel model using industrial camera, and the use of high-speed real-time image transmission technology FPGA vision measurement system, calculate the vibration displacement signal and converted to analog feedback to the controller. The controller outputs the control signal, and realizes the control of the piezoelectric ceramic actuator through the power amplification, thus realizing the active suppression of the vibration of the wind tunnel model. The method adopts the vibration signal of FPGA vision measurement method based on the model of wind tunnel measurement as the control signal transmission work, effectively avoid the input signal of high voltage piezoelectric ceramic driving signal to interference filter and vibration measurement signal generated by hysteresis. This method makes the actuator stable and accurate, and improves the vibration suppression effect of the wind tunnel model.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于視覺測(cè)量技術(shù)風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制方法
本專利技術(shù)屬于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)
，涉及一種基于視覺測(cè)量技術(shù)針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代飛機(jī)研制和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞模型一般采用尾部支撐方式，模型的尾部連接測(cè)力天平和支桿，并將支桿的尾部固定在彎刀上面，風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)形成一個(gè)典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)。該種支撐方式對(duì)模型周圍流場(chǎng)影響較小，但是由于尾部支撐的支桿長(zhǎng)度一般是模型長(zhǎng)度的三到五倍，該懸臂梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度較低，在進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)模型受到頻率范圍較寬的氣動(dòng)載荷激勵(lì)，模型-支桿系統(tǒng)會(huì)在一階固有振動(dòng)頻率處產(chǎn)生低頻、大振幅的振動(dòng)。風(fēng)洞模型的振動(dòng)幅值會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)中模型攻角的增大而增大，該種低頻大幅值振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)力天平不能正常工作，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲得的氣動(dòng)數(shù)據(jù)的精確度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)風(fēng)洞模型-天平-支桿支撐系統(tǒng)造成損壞，影響風(fēng)洞運(yùn)行的安全。由于風(fēng)洞流場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)相互干擾以及安裝空間有限等條件的限制，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模型振動(dòng)的抑制仍然是急需解決的世界性難題。2007年NASANTF研究所S.Balakrishna等人在《DevelopmentofaWindTunnelActiveVibrationReductionSystem》中提出了采用測(cè)力天平作為振動(dòng)信號(hào)采集器并將采集的信號(hào)作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)模型振動(dòng)的主動(dòng)控制。但是天平信號(hào)非常微弱，極易受到高壓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的干擾，且風(fēng)洞環(huán)境復(fù)雜，具有強(qiáng)電場(chǎng)與強(qiáng)磁場(chǎng)，影響到振動(dòng)信號(hào)的反饋，進(jìn)而造成高壓壓電陶瓷作動(dòng)器控制的不準(zhǔn)確，影響振動(dòng)抑制的效果。2013年南京航空航天大學(xué)涂凡凡、宋靜、陳衛(wèi)東等人在《人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在壓電主動(dòng)減振系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》和《基于迭代學(xué)習(xí)控制的振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究》中采用加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)并反饋給控制器來實(shí)現(xiàn)模型振動(dòng)的主動(dòng)控制。振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)位移信號(hào)需要經(jīng)過二次積分，由于積分區(qū)間即振動(dòng)初始位置和終止位置的不確定，導(dǎo)致振動(dòng)位移信號(hào)不準(zhǔn)確。且加速度傳感器信號(hào)同樣存在易受到高壓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)干擾的問題，信號(hào)還需要經(jīng)過濾波器處理，造成反饋信號(hào)與控制器輸出信號(hào)的遲滯現(xiàn)象，影響作動(dòng)器控制的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響對(duì)風(fēng)洞模型振動(dòng)進(jìn)行抑制的效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，專利技術(shù)一種風(fēng)洞模型振動(dòng)抑制系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field－ProgrammableGateArray，以下簡(jiǎn)稱為FPGA)的視覺測(cè)量技術(shù)將相機(jī)采集得到的圖像信號(hào)快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而直接得到風(fēng)洞模型的振動(dòng)位移信號(hào)，利用得到的振動(dòng)信號(hào)作為反饋信號(hào)形成對(duì)風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)振動(dòng)的主動(dòng)控制。由于視覺測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量技術(shù)，能夠在風(fēng)洞的觀察窗外對(duì)風(fēng)洞模型的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，因此采用該種方式能夠有效避免風(fēng)洞復(fù)雜強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境和高壓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)振動(dòng)測(cè)量信號(hào)的干擾，同時(shí)基于FPGA的視覺振動(dòng)測(cè)量技術(shù)具有信號(hào)處理傳輸速度快的特點(diǎn)，能夠有效避免測(cè)量信號(hào)遲滯的問題。因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有高可靠性、魯棒性的特點(diǎn)，解決了現(xiàn)有的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模型振動(dòng)的抑制困難的難題，適合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的應(yīng)用。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是基于視覺測(cè)量技術(shù)的風(fēng)洞模型振動(dòng)抑制方法，其特征是，該方法采用工業(yè)相機(jī)拍攝風(fēng)洞模型的振動(dòng)圖像，并利用FPGA視覺測(cè)量系統(tǒng)的圖像高速實(shí)時(shí)處理傳輸技術(shù)，解算出振動(dòng)位移信號(hào)并轉(zhuǎn)化為模擬量反饋給控制器，控制器輸出控制信號(hào)，并經(jīng)過功率放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷作動(dòng)器的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的；方法的具體步驟如下：步驟一基于視覺測(cè)量的風(fēng)洞模型支桿抑振系統(tǒng)的硬件搭建在風(fēng)洞模型的支桿8前端粘貼自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)9，并在標(biāo)記點(diǎn)9前方適當(dāng)位置布置工業(yè)相機(jī)1，用于接收光學(xué)信號(hào)進(jìn)行圖像采集；圖像采集卡4安裝在計(jì)算機(jī)2主板上，用于圖像信號(hào)的采集和傳輸；連接工業(yè)相機(jī)1接口和圖像采集卡4，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集卡4安裝在計(jì)算機(jī)主板上，用于數(shù)字信號(hào)的采集和模擬信號(hào)的傳遞；連接輸入輸出卡3與控制器5，輸入輸出卡3安裝在計(jì)算機(jī)1上，根據(jù)控制器內(nèi)的控制算法計(jì)算，得到控制器的控制信號(hào)；功率放大器6的一端與控制器5連接，功率放大器6的另一端與作動(dòng)器7連接，作動(dòng)器7和風(fēng)洞模型的支桿8連接，由作動(dòng)器7產(chǎn)生位移和彎矩，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制；步驟二視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)標(biāo)定采用張氏標(biāo)定法以精密二維靶標(biāo)對(duì)視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；利用靶標(biāo)角點(diǎn)求解坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的偏差函數(shù)對(duì)張氏標(biāo)定方法求解出的工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，公式為：g(x)＝(Xw-Xd)2+(Yw-Yd)2+(Zw-Zd)2(1)其中，Xw，Yw，Zw為靶標(biāo)角點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，而Xd，Yd，Zd為通過工業(yè)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解的各角點(diǎn)坐標(biāo)，則建立目標(biāo)函數(shù)如下：其中,為所有角點(diǎn)偏離實(shí)際坐標(biāo)距離的平方和，應(yīng)用LM算法求取目標(biāo)函數(shù)G(x)，得到內(nèi)外參數(shù)的全局最優(yōu)解；通過該方法即得到工業(yè)相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)關(guān)系；計(jì)算得到表征二者關(guān)系的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣，公式為：步驟三進(jìn)行參數(shù)法閾值處理，中值濾波采用高速工業(yè)相機(jī)對(duì)風(fēng)洞模型進(jìn)行拍攝，得到能夠表征支桿振動(dòng)的圖像信號(hào)；對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，將自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)附近的區(qū)域從背景中分離出來；這里采用參數(shù)法閾值處理；選用均一閾值處理方法，從最低的灰度值開始，計(jì)算圖像的直方圖分步,其中t＝0,1,2,…，255，表示圖像的灰度值；整個(gè)直方圖中目標(biāo)區(qū)域所占比例為用公式(5)、(6)計(jì)算圖像的閾值T，將大于一個(gè)特定閾值的像素設(shè)為白色，小于該閾值的像素設(shè)為黑色，將感興趣區(qū)域從背景中分離出來；T＝argmin|P1(t)-P1|(5)其中,f(x,y)為灰度圖像的灰度值，T為閾值，g(x,y)為閾值處理后的灰度圖像；經(jīng)過閾值處理的圖像，還可能存在由圖像傳輸系統(tǒng)中解碼誤差等等原因產(chǎn)生的導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)孤立的白點(diǎn)和黑點(diǎn)的椒鹽噪聲；采用中值濾波，即采用一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，用窗口中各點(diǎn)灰度值的中值來代替中心點(diǎn)的灰度值；運(yùn)用中值濾波去除在保留邊界的同時(shí)抑制噪聲信息；步驟四連通區(qū)域，提取坐標(biāo)。以上預(yù)處理之后的圖像是品質(zhì)較好的包含表征自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)位置的灰度圖像，發(fā)光點(diǎn)位置由數(shù)個(gè)連通的像素點(diǎn)組成；需要將這些像素點(diǎn)組成的多個(gè)連通區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，運(yùn)用閾值分割的方法對(duì)輸入的圖像進(jìn)行基于灰度的相似性聚類；對(duì)完成分割后的圖像進(jìn)行連通、區(qū)域腐蝕、再次連通和感興趣區(qū)域膨脹的處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)值排除不符合要求的連通區(qū)域，分析出代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的連通區(qū)域的位置；連通區(qū)域中某個(gè)像素點(diǎn)的位置能夠代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)中心的位置，使用灰度重心法確定該位置；灰度重心法是用圖像的灰度值作為權(quán)值的加權(quán)形心法；灰度圖像I(x,y)中目標(biāo)S的灰度重心坐標(biāo)(x0,y0)為：用兩個(gè)連續(xù)像素的灰度值代表所需的像素坐標(biāo)值，即將這兩個(gè)連續(xù)像素灰度值的二進(jìn)制數(shù)直接合成實(shí)際所需的像素坐標(biāo)的二進(jìn)制數(shù)；將所得的像素坐標(biāo)利用式(2)求得的R、T矩陣帶入如下公式(8)中，求得在世界坐標(biāo)系中標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，該坐標(biāo)以數(shù)字信號(hào)的形式寄存和傳遞；步驟五數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)上述數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中，基于C語言編程讀取內(nèi)存中的坐標(biāo)信息，輸出能夠表征本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于視覺測(cè)量技術(shù)風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制方法，其特征是，該方法采用工業(yè)相機(jī)拍攝風(fēng)洞模型的振動(dòng)圖像，并利用FPGA視覺測(cè)量系統(tǒng)的圖像高速實(shí)時(shí)處理傳輸技術(shù)，解算出振動(dòng)位移信號(hào)并轉(zhuǎn)化為模擬量反饋給控制器，控制器輸出控制信號(hào)，并經(jīng)過功率放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷作動(dòng)器的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的；方法的具體步驟如下：步驟一基于視覺測(cè)量的風(fēng)洞模型支桿抑振系統(tǒng)的硬件搭建在風(fēng)洞模型的支桿(8)前端粘貼自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)(9)，并在標(biāo)記點(diǎn)(9)前方適當(dāng)位置布置工業(yè)相機(jī)(1)，用于接收光學(xué)信號(hào)進(jìn)行圖像采集；圖像采集卡(4)安裝在計(jì)算機(jī)(2)主板上，用于圖像信號(hào)的采集和傳輸；連接工業(yè)相機(jī)(1)接口和圖像采集卡(4)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集卡(4)安裝在計(jì)算機(jī)主板上，用于數(shù)字信號(hào)的采集和模擬信號(hào)的傳遞；連接輸入輸出卡(3)與控制器(5)，輸入輸出卡(3)安裝在計(jì)算機(jī)(1)上，根據(jù)控制器內(nèi)的控制算法計(jì)算，得到控制器的控制信號(hào)；功率放大器(6)的一端與控制器(5)連接，功率放大器(6)的另一端與作動(dòng)器(7)連接，作動(dòng)器(7)和風(fēng)洞模型的支桿(8)連接，由作動(dòng)器(7)產(chǎn)生位移和彎矩，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制；步驟二視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)標(biāo)定采用張氏標(biāo)定法以精密二維靶標(biāo)對(duì)視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；利用靶標(biāo)角點(diǎn)求解坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的偏差函數(shù)對(duì)張氏標(biāo)定方法求解出的工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，公式為：g(x)＝(X...

【技術(shù)特征摘要】
1.基于視覺測(cè)量技術(shù)風(fēng)洞模型振動(dòng)的抑制方法，其特征是，該方法采用工業(yè)相機(jī)拍攝風(fēng)洞模型的振動(dòng)圖像，并利用FPGA視覺測(cè)量系統(tǒng)的圖像高速實(shí)時(shí)處理傳輸技術(shù)，解算出振動(dòng)位移信號(hào)并轉(zhuǎn)化為模擬量反饋給控制器，控制器輸出控制信號(hào)，并經(jīng)過功率放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷作動(dòng)器的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動(dòng)主動(dòng)抑制的目的；方法的具體步驟如下：步驟一基于視覺測(cè)量的風(fēng)洞模型支桿抑振系統(tǒng)的硬件搭建在風(fēng)洞模型的支桿(8)前端粘貼自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)(9)，并在標(biāo)記點(diǎn)(9)前方適當(dāng)位置布置工業(yè)相機(jī)(1)，用于接收光學(xué)信號(hào)進(jìn)行圖像采集；圖像采集卡(4)安裝在計(jì)算機(jī)(2)主板上，用于圖像信號(hào)的采集和傳輸；連接工業(yè)相機(jī)(1)接口和圖像采集卡(4)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集卡(4)安裝在計(jì)算機(jī)主板上，用于數(shù)字信號(hào)的采集和模擬信號(hào)的傳遞；連接輸入輸出卡(3)與控制器(5)，輸入輸出卡(3)安裝在計(jì)算機(jī)(1)上，根據(jù)控制器內(nèi)的控制算法計(jì)算，得到控制器的控制信號(hào)；功率放大器(6)的一端與控制器(5)連接，功率放大器(6)的另一端與作動(dòng)器(7)連接，作動(dòng)器(7)和風(fēng)洞模型的支桿(8)連接，由作動(dòng)器(7)產(chǎn)生位移和彎矩，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制；步驟二視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)標(biāo)定采用張氏標(biāo)定法以精密二維靶標(biāo)對(duì)視覺振動(dòng)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；利用靶標(biāo)角點(diǎn)求解坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的偏差函數(shù)對(duì)張氏標(biāo)定方法求解出的工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，公式為：g(x)＝(Xw-Xd)2+(Yw-Yd)2+(Zw-Zd)2(1)其中，Xw，Yw，Zw為靶標(biāo)角點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，而Xd，Yd，Zd為通過工業(yè)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解的各角點(diǎn)坐標(biāo)，則建立目標(biāo)函數(shù)如下：其中,為所有角點(diǎn)偏離實(shí)際坐標(biāo)距離的平方和，應(yīng)用LM算法求取目標(biāo)函數(shù)G(x)，得到內(nèi)外參數(shù)的全局最優(yōu)解；通過該方法即得到工業(yè)相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)關(guān)系；計(jì)算得到表征二者關(guān)系的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣，公式為：步驟三進(jìn)行參數(shù)法閾值處理，中值濾波采用高速工業(yè)相機(jī)對(duì)風(fēng)洞模型進(jìn)行拍攝，得到能夠表征支桿振動(dòng)的圖像信號(hào)；對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，將自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)附近的區(qū)域從背景中分離出來；這里采用參數(shù)法閾值處理；選用均一閾值處理方法，從最低的灰度值開始，計(jì)算圖像的直方圖分步,其中t＝0,1,2,…，255，表示圖像的灰度值；整個(gè)直方圖中目標(biāo)區(qū)域所占比例為用公式(5)、(6)計(jì)算圖像的閾值T，將大于一個(gè)特定閾值的像素設(shè)為白色，小于該閾值的像素設(shè)為黑色，將感興趣區(qū)域從背景中分離出來；T＝argmin|P1(t)-P1|(5)<...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉巍，姜雨豐，袁曉晶，周孟德，張家昆，劉惟肖，魯繼文，賈振元，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧,21