一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法
2023-09-23 07:28:05
一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，該方法將RGB-D攝像機應用到機械振動測量中，在不藉助任何標記點或者傳統接觸式傳感器的條件下，採集物體表面點的三維坐標。根據設定採樣間隔，以時間軸作為第四維坐標，實時獲取振動物體表面所有點的四維振動信息，並可根據分析處理需要任意提取振動表面上單點、多點、線段或者局部面積的振動信息，分析其振動特性。該方法不僅測量效率高，實時性好，而且易於實現，測量成本低，使用效果好。
【專利說明】一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及振動測量【技術領域】，特別是一種利用RGB-D攝像機實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法。
【背景技術】
[0002]振動工程作為一門新興的工程學科，它與工業生產及國民經濟緊密相關。合理運用這一學科的理論、技術與方法，可以創造出高效的技術經濟效益與社會效益。有害的振動會給機械工業和其他工業部門招致巨大的損失。因此利用振動工程的理論、技術和方法來研究振動特性，制定相應的解決方案，對提高工業生產的效益和安全性具有重要的實際意義。
[0003]現代振動研究的基本內容包括:振動設計、系統識別和環境預測三個方面:1、振動設計:在已知激勵的情況下，設計系統的振動特性，使它的響應滿足所需要求；2、系統識別:在已知系統的激勵和響應的條件下研究系統的特性，即用實驗數據與數學分析相結合的方法確定振動系統的數學模型。若已知機械結構運動方程的一般形式，系統識別則簡化為參數識別，參數識別可以在頻域內進行，也可以在時域內進行，有的則需要在頻域和時域內同時進行；3、環境預測:在已知系統的特性和響應的條件下研究激勵。在機械工程領域內，為確保機械設備安全可靠地運行，機械結構的振動監控和診斷也引起了人們的重視。
[0004]現代振動研究的研究方法:振動測試是與理論分析計算結合採用的，在已知機械設備的動力學模型、外部激勵和工作條件的基礎上採集數據，藉助振動理論知識，分析研究測量對象的動態特性、力學特性等。
[0005]振動測量的方法有多種，依據測振傳感器與被測物接觸與否，振動的測量可以分為接觸測量和非接觸測量。依據振動傳感器原理的不同，又可以分為加速度型、速度型和位移變化檢測型三種。其中加速度型和速度型屬於接觸測量型，使用時需將其固定在被測物體上，位移變化檢測型既可屬於接觸測量型也可屬於非接觸測量型。
[0006]1、接觸式測量:接觸式測量方法將傳感器安裝在選定的測量位置上，利用傳感器的測量原理(如:壓電式，電阻式，電動式等測量傳感器)完成信號量的轉換，獲取傳感器粘貼位置的振動數據。按照檢測頻率，加速度型測振傳感器主要用於中頻到高頻範圍，速度型測振傳感器主要用於中頻範圍，而位移檢測型主要用於直流到低頻範圍。接觸式測量存在以下幾點不足:(I)振動測量數據的維度低；(2)無法直接測量無傳感器位置振動信息，其他無傳感器位置只能藉助數學模型進行預測；(3)針對多點測量情況，只能依靠增加放置傳感器數量，或者進行多次測量完成，增加了測量成本，降低了測量效率；(4)位移傳感器不適合測量大幅度振動，加速度與速度傳感器在低頻振動測量中誤差較大。
[0007]2、非接觸式測量:非接觸測量是以光電、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數信息的測量方法。典型的非接觸測量方法如雷射三角法、電渦流法、超聲測量法、機器視覺測量等等。現有的機器視覺測量方法具體包括單目視覺、雙目立體視覺等測量方法。非接觸式測量存在以下幾點不足:(1)雷射三角測量法、超聲測量法等設備複雜、昂貴，測量成本高；(2)利用可見光圖像的單目視覺測量方法受光照變化、陰影物體遮擋以及環境變化等因素的幹擾較大；(3)雙目立體視覺測量方法需要通過識別標記點才可以獲取標記點處的三維振動信息，振動表面上無標記點位置信息將無法直接進行測量。
[0008]利用深度相機進行場景深度信息測量是近年來興起的技術，這主要得益於深度圖攝像機的成本降低，特別是微軟推出的一款RGB-D攝像機:Kinect，極大地激發了研究者將RGB-D攝像機應用到醫學、娛樂、機械等各研究領域。
[0009]Kinect包含3個攝像頭，中間的鏡頭為RGB彩色攝像機，左右兩邊鏡頭分別為紅外線發射器和紅外線COMS攝像機，傳感器可以同時獲取RGB和深度圖像數據。Kinect深度成像的原理是利用光編碼(Light Coding)技術，其中，紅外線發射器與紅外線COMS攝像機成一定角度對準目標場景，而不均勻透明介質放置於雷射發射器鏡頭前，紅外線發射器發射一束紅外線透過不均勻介質後在場景中形成雷射散斑，CMOS紅外接收器獲取散斑圖像，並根據Kinect內部參數運用數學三角關係換算成深度值。傳感器以每秒30幀的速度生成深度圖像流，結合深度圖圖像坐標和小孔成像原理，實時獲取測量視場內的物體表面的二維信息。
[0010]與其它傳統的接觸式傳感器、非接觸式傳感器相比，Kinect深度相機的優勢在於:(1)一次性獲取場景中所有點的四維信息；(2)無需藉助識別其它標記點即可獲取場景點的三維信息；(3)採集數據的實時性好；(4) Kinect拍攝獲取的深度圖解析度較高；(5)獲取深度信息時受光照影響小；(6) Kinect價格低廉，使用成本低。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在於提供一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，該方法不僅測量效率高，實時性好，而且易於實現，測量成本低，使用效果好。
[0012]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，包括以下步驟:
(1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機散斑測距原理對振動物體表面進行測量，獲取振動物體表面所有點的深度信息，每個點的深度信息與深度圖上對應的X、y圖像坐標通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機坐標空間中，即在不藉助任何標記點或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點的三維信息(X，Y, Z)；
(2)獲取四維信息:根據所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機採集數據的實時性，實時記錄各時刻振動物體表面所有點的三維信息，即得到振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)；
(3)提取目標測量點:根據實際需要提取振動表面上任意位置的點、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性。
[0013]進一步的，所述步驟(2)包括以下步驟:
(2.1)根據攝像機幀率/與採樣時間間隔Λ ?成反比例的關係，由所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λ ? ;
(2.2)利用所述RGB-D攝像機採集數據的實時性，每隔時間Λ t採集一次振動數據，實時記錄下各時刻振動物體表面所有點的三維信息；(2.3)根據四維時空坐標的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標軸組成四維時空坐標系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標系表達，獲得振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)。
[0014]進一步的，所述步驟(3)包括如下步驟:
(3.1)根據分析需要選取分析數據的時間間隔tU，，tU，> tU'
(3.2)根據分析需要確定振動表面上的點、線或者局部面積在振動表面上的位置；
(3.3)根據步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標位置處的四維信息，分析目標位置在時域、頻域的振動變化規律；
(3.4)構造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點雲垂直相交，振動表面上目標位置的點或線位於該截面與點雲相交位置處，將虛擬截面一側的點雲去除，即可直觀地觀察目標位置的點或線的振動變化。
[0015]相較於現有技術，本發明的有益效果是將RGB-D攝像機應用于振動測量中，在不藉助任何標記點或者傳統接觸式傳感器的條件下，即可採集到物體表面點的三維坐標，再加上時間坐標，即可實時獲得振動物體表面的四維振動信息，並可根據分析處理需要提取振動表面任意位置的單點、多點、線段或者局部面積的振動信息，分析其振動特性，克服了傳統接觸式傳感器振動測量和雙目立體視覺測量中測量維度低、無法直接測量無傳感器或無標記點處振動信息、測量成本高、測量效率低等不足，不僅測量效率高，易於實現，測量成本低，而且振動信息的採集受光照影響很小，測量低頻信號穩定性好，具有很強的實用性和廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例中RGB-D攝像機測量振動信號模型圖。
[0017]圖2是本發明實施例中各個時刻下的點雲以及目標點Λ四維振動信息的提取原理圖。
[0018]圖3是本發明實施例中目標點弋提取結果的直觀表現形式示意圖。
[0019]圖4是本發明實施例中目標點Λ的X、Y、Z坐標隨時間變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，包括以下步驟:
(1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機散斑測距原理對振動物體表面進行測量，獲取振動物體表面所有點的深度信息，每個點的深度信息與深度圖上對應的X、y圖像坐標通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機坐標空間中，即在不藉助任何標記點或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點的三維信息(X，Y, Z)；
(2)獲取四維信息:根據所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機採集數據的實時性，實時記錄各時刻振動物體表面所有點的三維信息，即得到振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)，具體包括以下步驟:
(2.1)根據攝像機幀率/與採樣時間間隔Λ ?成反比例的關係，由所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λ ? ;
(2.2)利用所述RGB-D攝像機採集數據的實時性，每隔時間Λ t採集一次振動數據，實時記錄下各時刻振動物體表面所有點的三維信息；
(2.3)根據四維時空坐標的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標軸組成四維時空坐標系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標系表達，獲得振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)。
[0021](3)提取目標測量點:根據實際需要提取振動表面上任意位置的點、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性，具體包括如下步驟:
(3.1)根據分析需要選取分析數據的時間間隔tU，，tU'
(3.2)根據分析需要確定振動表面上的點、線或者局部面積在振動表面上的位置； (3.3)根據步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標位置處的四維信息，分析目標位置在時域、頻域的振動變化規律；
(3.4)構造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點雲垂直相交，振動表面上目標位置的點或線位於該截面與點雲相交位置處，將虛擬截面一側的點雲去除，即可直觀地觀察目標位置的點或線的振動變化。
[0022]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。
[0023]1、如圖1所示，RGB-D攝像機選用微軟開發的Kinect型號RGB-D攝像機，振動物體選用鋼薄板，鋼薄板一端固定，一端施加以頻率從5至15Hz變化的正弦激勵F，使鋼板產生振動。
[0024]2、利用Kinect攝像機的散斑測距原理獲取攝像機視野中的振動表面所有點的深度信息(depth value)，各個時刻下所有的深度信息分別用一張深度圖表示，每個深度值在深度圖上都有對應的x、y圖像坐標(X，y)o
[0025]3、分別標定深度攝像機和彩色攝像機，獲取它們的內部參數:焦距、主點坐標、畸變參數，利用標定所得到的內部參數，通過小孔成像原理將所有的圖像坐標(X，y)映射到相機坐標空間中，獲取振動表面點在相機坐標空間中的坐標(X，Y)，在不藉助任何標記點或接觸式傳感器的條件下即可獲取振動物體表面上所有點的三維信息(X，Y, Z)(Z坐標等於深度值)。
[0026]4、如圖2所示，由RGB-D攝像機的幀率f設定振動數據採樣時間間隔Δ t,實時記錄下各個時刻振動表面的三維信息，並用四維時空坐標系表達振動表面信息:(x，Y, Z,
t)o
[0027]4.1根據攝像機幀率f與採樣時間間隔Λ t成反比例的關係，由RGB-D攝像機的幀率f設定好振動數據採樣時間間隔ΔΙ。
[0028]4.2利用Kinect攝像機採集數據的實時性，每隔時間Λ t採集一次振動數據，實時記錄下各個時刻振動表面的三維信息。
[0029]4.3根據四維時空坐標的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標軸組成四維時空坐標系，將各個時刻下的三維振動信息用四維時空坐標系表達，即可獲取振動表面上所有的點的四維信息:(X，Y, Z, t)。
[0030]5、獲取整個振動表面的四維信息後，研究者根據實際需要提取振動表面上任意位置的點、線或局部面積的振動信息進行針對性研究。
[0031]5.1根據分析需要選取分析數據時間間隔、t，，ti+l = h + (i=0, I, 2，…，°°), t0=0, Δ ? 7 > Δ t0[0032]5.2根據分析需要確定振動表面上的點、線或者局部面積在振動表面上的位置，如圖2實例中，選擇振動表面上Λ點處分析。
[0033]5.3根據5.1,5.2兩個步驟所確定的位置和時間間隔，提取振動表面上目標位置處的四維信息，分析目標位置在時域、頻域的振動變化規律。
[0034]5.4如圖2所示，構造一個虛擬的平面截面A與各個時刻下的點雲垂直相交，振動表面上目標位置的點或者線位於該截面與點雲相交位置處，將虛擬截面一側的點雲去除，就可直觀地觀察目標位置的點或者線的振動變化，如圖3、圖4所示。
[0035]6、對提取的點進行振動曲線分析、振動信號頻譜分析等數據分析處理，為下一步的深入分析振動物體力學性能做準備。
[0036]7、在同等的振動激勵條件和振動測量對象下，用接觸式力傳感器和Bumblebee2雙目立體攝像機分別進行振動測量，獲取的結果與Kinect獲取的振動測量結果進行對比，在振動頻率不超過15Hz的情況下，對比誤差不超過0.6mm。
[0037]以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)獲取三維信息:利用RGB-D攝像機散斑測距原理對振動物體表面進行測量，獲取振動物體表面所有點的深度信息，每個點的深度信息與深度圖上對應的X、y圖像坐標通過小孔成像原理映射到RGB-D攝像機坐標空間中，即在不藉助任何標記點或接觸式傳感器的條件下獲得振動物體表面所有點的三維信息(X，Y, Z)； (2)獲取四維信息:根據所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λt，利用RGB-D攝像機採集數據的實時性，實時記錄各時刻振動物體表面所有點的三維信息，即得到振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)； (3)提取目標測量點:根據實際需要提取振動表面上任意位置的點、線或者局部面積的四維信息，分析其振動特性。
2.根據權利要求1所述的一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特徵在於，所述步驟(2)包括以下步驟: (2.1)根據攝像機幀率/與採樣時間間隔Λ ?成反比例的關係，由所述RGB-D攝像機的幀率/設定振動數據採樣時間間隔Λ ? ; (2.2)利用所述RGB-D攝像機採集數據的實時性，每隔時間Λ t採集一次振動數據，實時記錄下各時刻振動物體表面所有點的三維信息； (2.3)根據四維時空坐標的定義，取X軸、Y軸、Z軸、時間軸四個坐標軸組成四維時空坐標系，將各時刻下的三維振動信息用四維時空坐標系表達，獲得振動物體表面所有點的四維信息(X，Y, Z, t)。
3.根據權利要求1所述的一種實時獲取振動物體表面四維振動信息的測量方法，其特徵在於，所述步驟(3)包括如下步驟: (3.1)根據分析需要選取分析數據的時間間隔LOO Lt-' (3.2)根據分析需要確定振動表面上的點、線或者局部面積在振動表面上的位置； (3.3)根據步驟(3.1),(3.2)所確定的時間間隔和位置，提取振動表面上目標位置處的四維信息，分析目標位置在時域、頻域的振動變化規律； (3.4)構造一個虛擬的平面截面與各個時刻下的點雲垂直相交，振動表面上目標位置的點或線位於該截面與點雲相交位置處，將虛擬截面一側的點雲去除，即可直觀地觀察目標位置的點或線的振動變化。
【文檔編號】G01H9/00GK103837225SQ201410109377
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】何炳蔚, 沈恆華, 呂翱, 雷阿唐 申請人:福州大學