一種高速圖像與力數據同步採集系統的製作方法
2024-03-20 03:10:05
專利名稱：一種高速圖像與力數據同步採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及高速圖像與力數據同步採集技術，可用於昆蟲飛行時的姿態及飛行力的同步測量。
背景技術：
微型撲翼飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行的新型飛行器，與微型固定翼和旋翼飛行器相比，其主要特點是將舉升、旋停和推進功能集成於一體，具有很強的機動性和靈活性。而且由於微型飛行器具有尺寸小、重量輕、便攜帶、隱蔽性好的特點，在軍事和民用如災害救護、戰場偵測、通訊中繼等方面具有極其廣闊的應用前景，成為國際上新的研究熱點。由於微型撲翼飛行器的外觀尺寸小、飛行速度低，在低雷諾數條件下飛行，空氣粘度較大附面層作用明顯，所以現在所研究的微型飛行器和技術已成熟的固定翼和旋翼飛行器在飛行原理和運動形式上都存在著很大的差異。對昆蟲的飛行進行研究分析可以為微型撲翼飛行器的研製提供重要的理論依據。在中國專利公開號CN1765701的「一種高扇翅頻昆蟲飛行運動觀測裝置」和專利公開號CN1765700的「一種高扇翅頻昆蟲飛行運動參數測量裝置」中，僅僅通過高速攝像對昆蟲飛行的姿態進行了拍攝，無法得出昆蟲飛行時的升力及推力。儘管目前國內外有研究人員對昆蟲飛行時的升力、推力進行了測量，但是由於技術上的限制無法使得高速攝像和力學測試系統同步採集，很難將飛行姿態與飛行力同步對應起來進行分析。基於以上分析，本發明人提出一種高速圖像與力數據可以進行同步採集的系統， 可以有效地解決這種問題。
發明內容
本發明的目的，在於提供一種高速圖像與力數據同步採集系統，其可對昆蟲飛行時的姿態及飛行力進行同步測量，適用於需要對運動物體的狀態和受力情況進行同步分析的場合。為了達成上述目的，本發明的解決方案是
一種高速圖像與力數據同步採集系統，包括信號發生器、力傳感器採集裝置和兩個觸發採集方式不同的高速攝像機採集裝置；
力傳感器採集裝置包括力傳感器、信號調理模塊和力學數據採集及處理計算機，其中， 力傳感器通過力傳感器信號線連接信號調理模塊，將信號輸出至信號調理模塊進行調理； 所述信號調理模塊通過力學信號輸入線連接力學數據採集及處理計算機，由力學數據採集及處理計算機進行數據的採集、處理和保存；
第一高速攝像機採集裝置包括藉由圖像信號傳輸線連接的第一高速攝像機與圖像信號採集和存儲計算機，通過圖像信號採集和存儲計算機設置高速攝像機的工作模式為外部觸發模式；
第二高速攝像機採集裝置包括工作在邊沿觸發模式的第二高速攝像機；信號發生器分別通過信號線連接力學數據採集及處理計算機、圖像信號採集和存儲計算機和第二高速攝像機，並發送脈衝信號，從而觸發力傳感器、第一高速攝像機和第二高速攝像機的採集動作。採用上述方案後，本發明通過設置兩臺高速攝像機的工作模式，對兩臺高速攝像機及力傳感器的觸發方式進行合理配置及設計，採用同一脈衝信號對三者進行觸發，實現力數據和由兩臺觸發方式不同的高速攝像完成的3維圖像的同步採集。
圖I是本發明的整體架構圖2是本發明中力學信號輸入線接口示意圖3是本發明中力學信號輸入線的內部線路功能示意圖4是本發明中PCI-6052E的接線端子示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。如圖I所示，本發明提供一種高速圖像與力數據同步採集系統，包括信號發生器、 力傳感器採集裝置和兩個觸發方式不同的高速攝像機採集裝置，下面分別介紹。力傳感器採集裝置包括力傳感器10、信號調理模塊2和力學數據採集及處理計算機5，其中，力傳感器10通過力傳感器信號線11連接信號調理模塊2，將信號輸出至信號調理模塊2進行調理；所述信號調理模塊2通過力學信號輸入線4連接力學數據採集及處理計算機5，從而實現數據的採集、處理和保存；具體來說，在本實施例中，力學數據採集及處理計算機5包含有數據採集卡，該數據採集卡選用美國國家儀器(NI，National Instruments)公司的PCI-6052E，包含了兩個16位解析度的A/D轉換器，通過多路復用可以實現16路模擬信號的輸入(16路單端信號或者8路差分信號)，最高採樣率333Ks/s， PCI-6052E還可以實現8路數位訊號的輸入，2路模擬信號的輸出。通過模擬I/O 口可以採集信號調理模傳塊送來的信號，而通過數字I/O通道可以實現採集軟體的外部觸發，如給數字I/O 口一個低電平信號時，採集程序開始採集。圖I中力學信號輸入線4與計算機中採集卡相連的接口示意圖如圖2所示，左側是力學信號輸入線接口，右側是數據採集卡，ChO-Chs為數據採集卡上的12個模擬信號輸入通道，每2個模擬信號輸入通道構成一組差分信號輸入。力學信號輸入線接口的pin2和 pinll接5V電壓，給力傳感器和信號調理模塊供電，可以外接電源也可以用數據採集卡上提供的5V輸出接口。為了給觸發信號留出輸入接口，必須將力學信號輸入線4與計算機中採集卡相連的一端的接口用工具刀剝開，然後將信號線與數據採集卡的接線端子相連，這樣觸發信號可直接從數據採集卡接線端子上的數字I/o 口輸入。剝開接口後裸露出各導線的功能見圖 3, SG0-SG5 output分別對應六維力傳感器Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz六個方向的信號輸出，與 SG0-SG5 reference組合構成六路差分信號。黑色導線為模擬信號地AIGnd，紅色導線和紅黑相間導線給傳感器和信號調理模塊供電。數據採集卡PCI-6052E接線端子如圖4所示，ACH0-ACH15為16路模擬信號輸入
4通道，ACH0、ACH8，ACH1、ACH9，ACH2、ACH10，ACH3、ACH11，ACH4、ACH12，ACH4、ACH13，ACH5、 ACH14，ACH6、ACH15兩兩組合構成8路差分信號輸入通道，選擇前六路作為傳感器六路差分信號的輸入通道。DI00-DI07為8路數位訊號輸入通道，選擇DIOO作為觸發信號的輸入埠，當該埠狀態變為低電平時，軟體開始採集。AIGnd為模擬地信號，圖3中的黑色導線與此埠連接。+5V埠可以用來給六維力傳感器和信號調理模塊供電。根據圖3、圖4將剝開接口的力學信號輸入線中各信號線連接到PCI-6052E採集卡的接線端子上，結合軟體編程最終實現力學測試系統的觸發採集。第一高速攝像機採集裝置包括高速攝像機9與圖像信號採集和存儲計算機7，其中，高速攝像機9與圖像信號採集和存儲計算機7通過圖像信號傳輸線8連接，通過圖像信號採集和存儲計算機7設置高速攝像機9的工作模式，本實施例中設置高速攝像機9為外部觸發模式。第二高速攝像機採集裝置包括高速攝像機12，其可以直接拍攝，拍攝的圖片保存在CF卡中，最終通過讀卡器將數據傳輸到任意的計算機上；此外，高速攝像機12也可以通過乙太網與計算機連接，通過計算機進行控制，拍攝的圖片直接保存到計算機中。前述兩種工作方式的功能完全相同，第一種適合可攜式少量圖像拍攝使用，第二種適合大量圖像拍攝使用。所述高速攝像機12工作在邊沿觸發模式，拍攝的幀速和幀數由外部脈衝的頻率和個數而定，給定一個脈衝信號時，高速攝像機12可檢測並捕捉此脈衝的頻率，然後自動安裝所捕捉脈衝的頻率進行拍攝。信號發生器I用於產生脈衝信號，該脈衝信號的頻率即為高速攝像機9、12的拍攝頻率，所述信號發生器I的輸出端經由觸發力傳感器10採集的信號線3連接力學數據採集及處理計算機5，經由觸發高速攝像機9採集的信號線6連接圖像信號採集和存儲計算機 7，經由觸發高速攝像機12採集的信號線13連接高速攝像機12，所述力傳感器採集裝置、兩個高速攝像機採集裝置均在信號發生器I所產生的脈衝信號的頻率下進行採集動作。高速攝像機9實現YOZ平面的高速圖像採集，高速攝像機12實現XOY平面的高速圖像採集，力傳感器10實現力數據採集，從而實現X、Y、Z三維高速圖像與力數據的同步採集。綜上，由於高速攝像機在單位時間內傳輸的數據量龐大，且對數據傳輸速率要求很高，兩臺高速攝像機的工作模式都是先將圖像保存到內存中，再從內存寫到硬碟裡。計算機通過軟體設置高速攝像機的工作模式及相應的參數，對兩臺高速攝像機的工作模式及觸發方式與力傳感器採集裝置的觸發方式進行合理配置及設計，實現三者之間的同步採集。 該發明可對昆蟲飛行時的姿態及飛行力進行同步測量，適用於需要對運動物體的狀態和受力情況進行同步分析的場合。以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種高速圖像與力數據同步採集系統，其特徵在於包括信號發生器、力傳感器採集裝置和兩個觸發採集方式不同的高速攝像機採集裝置；力傳感器採集裝置包括力傳感器、信號調理模塊和力學數據採集及處理計算機，其中， 力傳感器通過力傳感器信號線連接信號調理模塊，將信號輸出至信號調理模塊進行調理； 所述信號調理模塊通過力學信號輸入線連接力學數據採集及處理計算機，由力學數據採集及處理計算機進行數據的採集、處理和保存；第一高速攝像機採集裝置包括藉由圖像信號傳輸線連接的第一高速攝像機與圖像信號採集和存儲計算機，通過圖像信號採集和存儲計算機設置高速攝像機的工作模式為外部觸發模式；第二高速攝像機採集裝置包括工作在邊沿觸發模式的第二高速攝像機；信號發生器分別通過信號線連接力學數據採集及處理計算機、圖像信號採集和存儲計算機和第二高速攝像機，並發送脈衝信號，從而觸發力傳感器、第一高速攝像機和第二高速攝像機的採集動作。
全文摘要
本發明公開一種高速圖像與力數據同步採集系統，包括信號發生器、力傳感器採集裝置和兩個高速攝像機採集裝置；力傳感器採集裝置包括力傳感器、信號調理模塊和力學數據採集及處理計算機，力傳感器將信號輸出至信號調理模塊進行調理，然後由前述計算機進行數據的採集、處理和保存；第一高速攝像機採集裝置工作在外部觸發模式；第二高速攝像機採集裝置工作在邊沿觸發模式；信號發生器產生脈衝信號，從而觸發力傳感器、第一、二高速攝像機的採集動作。此結構可對昆蟲飛行時的姿態及飛行力進行同步測量，適用於需要對運動物體的狀態和受力情況進行同步分析的場合。
文檔編號H04N5/232GK102599113SQ20121005467
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者丁海春, 吉愛紅, 戴振東, 武發思, 汪萬福 申請人:南京航空航天大學, 敦煌研究院