基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法技术

本发明专利技术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。

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.

【技术实现步骤摘要】
基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法
本专利技术属于风洞实验
，涉及一种基于视觉测量技术针对风洞试验中风洞模型振动的抑制系统及方法。
技术介绍
风洞实验是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取实验数据，是现代飞机研制和生产的重要环节。风洞实验中风洞模型一般采用尾部支撑方式，模型的尾部连接测力天平和支杆，并将支杆的尾部固定在弯刀上面，风洞模型-天平-支杆系统形成一个典型的悬臂梁结构。该种支撑方式对模型周围流场影响较小，但是由于尾部支撑的支杆长度一般是模型长度的三到五倍，该悬臂梁结构的系统刚度较低，在进行风洞实验时模型受到频率范围较宽的气动载荷激励，模型-支杆系统会在一阶固有振动频率处产生低频、大振幅的振动。风洞模型的振动幅值会随着实验中模型攻角的增大而增大，该种低频大幅值振动会导致测力天平不能正常工作，风洞实验获得的气动数据的精确度降低，严重时甚至对风洞模型-天平-支杆支撑系统造成损坏，影响风洞运行的安全。由于风洞流场环境复杂，信号相互干扰以及安装空间有限等条件的限制，风洞实验中模型振动的抑制仍然是急需解决的世界性难题。2007年NASANTF研究所S.Balakrishna等人在《DevelopmentofaWindTunnelActiveVibrationReductionSystem》中提出了采用测力天平作为振动信号采集器并将采集的信号作为反馈信号实现模型振动的主动控制。但是天平信号非常微弱，极易受到高压压电陶瓷驱动信号的干扰，且风洞环境复杂，具有强电场与强磁场，影响到振动信号的反馈，进而造成高压压电陶瓷作动器控制的不准确，影响振动抑制的效果。2013年南京航空航天大学涂凡凡、宋静、陈卫东等人在《人工神经网络在压电主动减振系统中的应用研究》和《基于迭代学习控制的振动主动控制技术研究》中采用加速度传感器采集振动信号并反馈给控制器来实现模型振动的主动控制。振动加速度信号转化为振动位移信号需要经过二次积分，由于积分区间即振动初始位置和终止位置的不确定，导致振动位移信号不准确。且加速度传感器信号同样存在易受到高压压电陶瓷驱动信号干扰的问题，信号还需要经过滤波器处理，造成反馈信号与控制器输出信号的迟滞现象，影响作动器控制的准确性，进而影响对风洞模型振动进行抑制的效果。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，专利技术一种风洞模型振动抑制系统，采用基于现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，以下简称为FPGA)的视觉测量技术将相机采集得到的图像信号快速转换为数字信号，进而直接得到风洞模型的振动位移信号，利用得到的振动信号作为反馈信号形成对风洞模型-天平-支杆系统振动的主动控制。由于视觉测量是一种非接触式的测量技术，能够在风洞的观察窗外对风洞模型的振动信号进行采集，因此采用该种方式能够有效避免风洞复杂强电磁场环境和高压压电陶瓷驱动信号对振动测量信号的干扰，同时基于FPGA的视觉振动测量技术具有信号处理传输速度快的特点，能够有效避免测量信号迟滞的问题。因为该系统具有高可靠性、鲁棒性的特点，解决了现有的风洞实验中模型振动的抑制困难的难题，适合风洞实验环境中的应用。本专利技术所采用的技术方案是基于视觉测量技术的风洞模型振动抑制方法，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；数据采集卡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1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步,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T，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；T＝argmin|P1(t)-P1|(5)其中,f(x,y)为灰度图像的灰度值，T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等等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，输出能够表征本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；数据采集卡(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(1)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)＝(X...

【技术特征摘要】
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；数据采集卡(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(1)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步,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T，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；T＝argmin|P1(t)-P1|(5)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，姜雨丰，袁晓晶，周孟德，张家昆，刘惟肖，鲁继文，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21