CN102599113B - 一种高速图像与力数据同步采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速图像与力数据同步采集系统，包括信号发生器、力传感器采集装置和两个高速摄像机采集装置；力传感器采集装置包括力传感器、信号调理模块和力学数据采集及处理计算机，力传感器将信号输出至信号调理模块进行调理，然后由前述计算机进行数据的采集、处理和保存；第一高速摄像机采集装置工作在外部触发模式；第二高速摄像机采集装置工作在边沿触发模式；信号发生器产生脉冲信号，从而触发力传感器、第一、二高速摄像机的采集动作。此结构可对昆虫飞行时的姿态及飞行力进行同步测量，适用于需要对运动物体的状态和受力情况进行同步分析的场合。
Description
技术领域
本发明涉及高速图像与力数据同步采集技术，可用于昆虫飞行时的姿态及飞行力的同步测量。
背景技术
微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，与微型固定翼和旋翼飞行器相比，其主要特点是将举升、旋停和推进功能集成于一体，具有很强的机动性和灵活性。而且由于微型飞行器具有尺寸小、重量轻、便携带、隐蔽性好的特点，在军事和民用如灾害救护、战场侦测、通讯中继等方面具有极其广阔的应用前景，成为国际上新的研究热点。由于微型扑翼飞行器的外观尺寸小、飞行速度低，在低雷诺数条件下飞行，空气粘度较大附面层作用明显，所以现在所研究的微型飞行器和技术已成熟的固定翼和旋翼飞行器在飞行原理和运动形式上都存在着很大的差异。对昆虫的飞行进行研究分析可以为微型扑翼飞行器的研制提供重要的理论依据。
在中国专利公开号CN1765701的“一种高扇翅频昆虫飞行运动观测装置”和专利公开号CN1765700的“一种高扇翅频昆虫飞行运动参数测量装置”中，仅仅通过高速摄像对昆虫飞行的姿态进行了拍摄，无法得出昆虫飞行时的升力及推力。尽管目前国内外有研究人员对昆虫飞行时的升力、推力进行了测量，但是由于技术上的限制无法使得高速摄像和力学测试系统同步采集，很难将飞行姿态与飞行力同步对应起来进行分析。
基于以上分析，本发明人提出一种高速图像与力数据可以进行同步采集的系统，可以有效地解决这种问题。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高速图像与力数据同步采集系统，其可对昆虫飞行时的姿态及飞行力进行同步测量，适用于需要对运动物体的状态和受力情况进行同步分析的场合。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高速图像与力数据同步采集系统，包括信号发生器、力传感器采集装置和两个触发采集方式不同的高速摄像机采集装置；
力传感器采集装置包括力传感器、信号调理模块和力学数据采集及处理计算机，其中，力传感器通过力传感器信号线连接信号调理模块，将信号输出至信号调理模块进行调理；所述信号调理模块通过力学信号输入线连接力学数据采集及处理计算机，由力学数据采集及处理计算机进行数据的采集、处理和保存；
第一高速摄像机采集装置包括藉由图像信号传输线连接的第一高速摄像机与图像信号采集和存储计算机，通过图像信号采集和存储计算机设置高速摄像机的工作模式为外部触发模式；
第二高速摄像机采集装置包括工作在边沿触发模式的第二高速摄像机；
信号发生器分别通过信号线连接力学数据采集及处理计算机、图像信号采集和存储计算机和第二高速摄像机，并发送脉冲信号，从而触发力传感器、第一高速摄像机和第二高速摄像机的采集动作。
采用上述方案后，本发明通过设置两台高速摄像机的工作模式，对两台高速摄像机及力传感器的触发方式进行合理配置及设计，采用同一脉冲信号对三者进行触发，实现力数据和由两台触发方式不同的高速摄像完成的3维图像的同步采集。
附图说明
图1是本发明的整体架构图；
图2是本发明中力学信号输入线接口示意图；
图3是本发明中力学信号输入线的内部线路功能示意图；
图4是本发明中PCI-6052E的接线端子示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种高速图像与力数据同步采集系统，包括信号发生器、力传感器采集装置和两个触发方式不同的高速摄像机采集装置，下面分别介绍。
力传感器采集装置包括力传感器10、信号调理模块2和力学数据采集及处理计算机5，其中，力传感器10通过力传感器信号线11连接信号调理模块2，将信号输出至信号调理模块2进行调理；所述信号调理模块2通过力学信号输入线4连接力学数据采集及处理计算机5，从而实现数据的采集、处理和保存；具体来说，在本实施例中，力学数据采集及处理计算机5包含有数据采集卡，该数据采集卡选用美国国家仪器（NI，National Instruments）公司的PCI-6052E，包含了两个16位分辨率的A/D转换器，通过多路复用可以实现16路模拟信号的输入（16路单端信号或者8路差分信号），最高采样率333Ks/s，PCI-6052E还可以实现8路数字信号的输入，2路模拟信号的输出。通过模拟I/O口可以采集信号调理模传块送来的信号，而通过数字I/O通道可以实现采集软件的外部触发，如给数字I/O口一个低电平信号时，采集程序开始采集。
图1中力学信号输入线4与计算机中采集卡相连的接口示意图如图2所示，左侧是力学信号输入线接口，右侧是数据采集卡，Ch0-Ch5为数据采集卡上的12个模拟信号输入通道，每2个模拟信号输入通道构成一组差分信号输入。力学信号输入线接口的引脚2和引脚11接5V电压，给力传感器和信号调理模块供电，可以外接电源也可以用数据采集卡上提供的5V输出接口。
为了给触发信号留出输入接口，必须将力学信号输入线4与计算机中采集卡相连的一端的接口用工具刀剥开，然后将信号线与数据采集卡的接线端子相连，这样触发信号可直接从数据采集卡接线端子上的数字I/O口输入。剥开接口后裸露出各导线的功能见图3，SG0-SG5输出端分别对应六维力传感器Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz六个方向的信号输出，与SG0-SG5参考端组合构成六路差分信号。黑色导线为模拟信号地AIGnd，红色导线和红白相间导线给传感器和信号调理模块供电。
数据采集卡PCI-6052E接线端子如图4所示，ACH0-ACH15为16路模拟信号输入通道，ACH0、ACH8，ACH1、ACH9，ACH2、ACH10，ACH3、ACH11，ACH4、ACH12，ACH4、ACH13，ACH5、ACH14，ACH6、ACH15两两组合构成8路差分信号输入通道，选择前六路作为传感器六路差分信号的输入通道。DIO0-DIO7为8路数字信号输入通道，选择DIO0作为触发信号的输入端口，当该端口状态变为低电平时，软件开始采集。AIGnd为模拟地信号，图3中的黑色导线与此端口连接。+5V端口可以用来给六维力传感器和信号调理模块供电。根据图3、图4将剥开接口的力学信号输入线中各信号线连接到PCI-6052E采集卡的接线端子上，结合软件编程最终实现力学测试系统的触发采集。
第一高速摄像机采集装置包括第一高速摄像机9与图像信号采集和存储计算机7，其中，第一高速摄像机9与图像信号采集和存储计算机7通过图像信号传输线8连接，通过图像信号采集和存储计算机7设置第一高速摄像机9的工作模式，本实施例中设置第一高速摄像机9为外部触发模式。
第二高速摄像机采集装置包括第二高速摄像机12，其可以直接拍摄，拍摄的图片保存在CF卡中，最终通过读卡器将数据传输到任意的计算机上；此外，第二高速摄像机12也可以通过以太网与计算机连接，通过计算机进行控制，拍摄的图片直接保存到计算机中。前述两种工作方式的功能完全相同，第一种适合便携式少量图像拍摄使用，第二种适合大量图像拍摄使用。所述第二高速摄像机12工作在边沿触发模式，拍摄的帧速和帧数由外部脉冲的频率和个数而定，给定一个脉冲信号时，第二高速摄像机12可检测并捕捉此脉冲的频率，然后自动安装所捕捉脉冲的频率进行拍摄。
信号发生器1用于产生脉冲信号，该脉冲信号的频率即为第一高速摄像机9、第二高速摄像机12的拍摄频率，所述信号发生器1的输出端经由触发力传感器10采集的信号线3连接力学数据采集及处理计算机5，经由触发第一高速摄像机9采集的信号线6连接图像信号采集和存储计算机7，经由触发第二高速摄像机12采集的信号线13连接第二高速摄像机12，所述力传感器采集装置、两个高速摄像机采集装置均在信号发生器1所产生的脉冲信号的频率下进行采集动作。第一高速摄像机9实现YOZ平面的高速图像采集，第二高速摄像机12实现XOY平面的高速图像采集，力传感器10实现力数据采集，从而实现X、Y、Z三维高速图像与力数据的同步采集。
综上，由于高速摄像机在单位时间内传输的数据量庞大，且对数据传输速率要求很高，两台高速摄像机的工作模式都是先将图像保存到内存中，再从内存写到硬盘里。计算机通过软件设置高速摄像机的工作模式及相应的参数，对两台高速摄像机的工作模式及触发方式与力传感器采集装置的触发方式进行合理配置及设计，实现三者之间的同步采集。该发明可对昆虫飞行时的姿态及飞行力进行同步测量，适用于需要对运动物体的状态和受力情况进行同步分析的场合。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高速图像与力数据同步采集系统，其特征在于：包括信号发生器、力传感器采集装置和两个触发采集方式不同的高速摄像机采集装置；
力传感器采集装置包括力传感器、信号调理模块和力学数据采集及处理计算机，其中，力传感器通过力传感器信号线连接信号调理模块，将信号输出至信号调理模块进行调理；所述信号调理模块通过力学信号输入线连接力学数据采集及处理计算机，由力学数据采集及处理计算机进行数据的采集、处理和保存；
第一高速摄像机采集装置包括藉由图像信号传输线连接的第一高速摄像机与图像信号采集和存储计算机，通过图像信号采集和存储计算机设置第一高速摄像机的工作模式为外部触发模式；
第二高速摄像机采集装置包括工作在边沿触发模式的第二高速摄像机；
信号发生器分别通过信号线连接力学数据采集及处理计算机、图像信号采集和存储计算机和第二高速摄像机，并发送脉冲信号，从而触发力传感器、第一高速摄像机和第二高速摄像机的采集动作。
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