高速攝影系統在大型機械件運動軌跡的光學測量方法研究

大型機械件的運動軌跡研究是設計和控制大型機械件的必要步驟。針對大型機械件運動軌跡的測量問題，分析了傳統測量方法存在的不足和局限性，提出了基于高速攝影系統的光學測量方法，該方法具有非接觸、抗干擾、測量結果直觀可見等顯著優點，且可一次完成多目標、多參數測量，同時給出了完整的測量方案。

【關鍵詞】大型機械件 運動軌跡 光測法

1 引言

伴隨著航空航天、汽車、船舶等領域在大型機械件設計和制造方面的快速發展，如何跟蹤這些大型機械件的運動軌跡以便于對運動軌跡進行控制已經成為一個重要的研究課題。在工業現場，大型機械件的運動軌跡是一個非常快速的過程，同時呈現復雜的三維六自由度運動模式。光學測量方法具有非接觸、抗干擾、測量結果直觀可見等顯著優點，且可一次完成多目標、多參數測量。因此，本文采用基于光學測量方法對大型機械件的運動軌跡進行研究。

2 使用位移傳感器測量方法及其存在的問題

傳統的測量方法是通過在大型機械件表面安裝位移傳感器，位移傳感器采集到的信號再送往信號調理放大器，最后由數據采集儀進行采集和處理分析。這種測量方式屬于直接測量，但由于大型機械件運動軌跡測量的特殊性，使得這種測量方法存在如下問題：

2.1 位移傳感器安裝不便，測量結果重復性差

由于每次測量均需要重新對準安裝位置，且安裝方法沒有形成統一的標準；

2.2 傳感器支架自身變形影響測量精度

位移傳感器需要安裝在固定支架上，才能完成測量，而當大型機械件是通過受到外力作用下產生運動，那么支架在該外力的作用下自身產生變形，并將自身變形附加在測量結果中，從而影響測量結果；

2.3 位移傳感器難以跟蹤大型機械件的快速移動

大型機械件的迅速移動，導致支架和位移傳感器難以快速跟隨。

3 運動軌跡的光學測量

運動軌跡的光學測量方法是一種基于高速攝影和運動分析技術的測量方法，它利用軌跡捕捉系統對大型機械件的運動全過程進行運動學分析，并通過運動學參數計算，最終得出大型機械件上各測量點的運動軌跡。

3.1 高速攝影及軌跡捕捉系統

高速攝影及軌跡捕捉系統是利用攝影手段對被測對象進行連續高速拍攝，并據此進行軌跡捕捉和運動參數分析的專用設備。其基本組成是：高速攝影機及其附件、控制分析計算機和軌跡捕捉系統軟件，各部分的作用如下：

3.1.1 高速攝影機及其附件

高速攝影機用于將研究對象以一連串圖像的方式連續記錄下來，并將其存貯在內部存貯器中。高速攝影機的附件包括鏡頭、接線盒、燈具等，在拍攝時起著輔助作用。

3.1.2 控制和分析計算機

該計算機用于控制數字式高速攝影機設定拍攝參數，并完成拍攝和圖像下載、傳輸和轉換。同時，配合軌跡捕捉系統軟件，該計算機還可完成被測對象的運動參數分析。

3.1.3 軌跡捕捉系統軟件

該軟件是一種專業的計算機應用軟件，它根據高速攝影機的拍攝結果，利用圖像分析技術得到圖像上運動目標的運動參數，

3.2 運動軌跡光學測量的方法和步驟

利用高速攝影機和分析軟件可以捕捉到大型機械件的運動軌跡并分析得到其運動過程中的位移曲線s（t）（x（t）、y（t）、z（t））。由于單臺攝影機通常只能進行平面運動測量，則要測量大型機械件質心處的運動軌跡，高速攝影機必須沿大型機械件 軸向布置和拍攝。由于工業現場使用的大型機械件通常是規則的機械體，因此也必須把用于測量的目標點布置在大型機械件的前后端面，并采用兩架攝影機分別從前后同步拍攝。

利用高速攝影方法測量側向位移的步驟如下：

第一步，粘貼目標點。首先，在大型機械件前端面上布置1點、2點和O點，三點位于通過中心軸的水平線上；大型機械件后端面上布置3點、4點和P點，三點同樣位于通過中心軸的水平線上。其中，1點、2點、3點、4點位于端面兩側邊緣，O點、P點分別位于前后端面中心處。

第二步，拍攝分離過程。通過兩臺高速攝影機分別從前、后兩個方向同步拍攝，我們就可以得到整個運動過程中前、后共6個目標點的運動軌跡。

第三步，長度標定。測量之前，利用1點、2點對前測量平面進行長度標定，利用3點、4點對后測量平面進行長度標定。

第四步，運動分析。通過軌跡捕捉系統軟件分析高速攝影機的拍攝結果，利用圖像分析技術得到前、后端面中心O點、P點的 x（t）、y（t）、z（t） 運動軌跡。

通過上述方法和步驟，僅得到了大型機械件前后兩端的運動軌跡，要得到大型機械件質心處的運動軌跡，還需要根據大型機械件的外觀尺寸等參數建立相應的數學模型，并通過計算得來。

3.3 標定方法的影響及排除方法

長度標定是高速攝影運動分析的基礎和精度保證。由于大型機械件的運動軌跡是一個三維六自由度運動模式。為此，在分析過程中，我們采取了動態標定的方法，即在每一幀數據中都使用位于同一平面內的已知距離點進行標定，解決了這一問題。

4 結論

通過對大型機械件運動軌跡光學測量方法的研究和應用，我們可以得出以下結論：

（1）使用高速攝影運動分析方法是大型機械件運動軌跡測量的有效方法，在采取措施消除一些客觀因素的影響后，可得到精度較好的測量結果。

（2）通過反復實踐和測試，證明這種方法具有較好的可實施性和重復性，并可同時測量大型機械件運動過程中多個位置的側向位移。

（3）大型機械件運動軌跡光學測量方法也存在一定局限性，比如：在大型機械件為非規則機械體時，對標定點位置的選取存在較大難度。目前，上述問題已有更好的解決方案，但尚需進行進一步探索。

參考文獻

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[5]董士崇，王天珍.視頻圖像的運動分析[D].武漢：武漢理工大學，2005.

作者簡介

劉越（1988-），女，河南省周口市人。碩士研究生學歷。現供職于中航工業鄭州飛機裝備有限責任公司彈射技術實驗室，主要從事試驗與測試方向的研究。

周志衛（1967-），男，河南省平輿縣人。大學本科學歷。現供職于中航工業鄭州飛機裝備有限責任公司彈射技術實驗室，主要從事試驗與測試方向的研究。

張建（1984-），男，四川省成都市人。大學本科學歷。現供職于中航工業鄭州飛機裝備有限責任公司彈射技術實驗室，主要從事試驗與測試方向的研究。

作者單位

中航工業鄭州飛機裝備有限責任公司彈射技術實驗室 河南省鄭州市 450000