CN103499416A - 一种单目转动惯量快速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种转动惯量快速测量方法及装置属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种使用单目视觉测量方法和复摆装置对物体转动惯量进行测量的方法及装置。该测量方法采用单目视觉系统，利用超高速摄像机实时采集被测物体表面标记点的运动图像，由图形工作站将超高速摄像机传输来的图片信息进行处理，提取出标记点在序列图像上的运动轨迹，通过采用数学模型对标记点的运动轨迹进行拟合的方式，先计算出被测物体的摆动周期，进而计算出被测物体的转动惯量。测量装置中采用了复摆装置，复摆装置由三足式可调节轴承复摆支架和测量部分组成。本发明易于操作，算法明了易懂，方法快捷。该装置投入少，结构稳定性强，操作简单，且能保证较高精度。

Description

一种单目转动惯量快速测量方法及装置

本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种使用单目视觉测量方法和复摆装置对物体转动惯量进行测量的方法及装置。

背景技术

表征转动物体惯性大小的物理量被叫做转动惯量，是研究、设计转动物体运动规律的重要参数之一，凡是涉及转动动力学的问题，都需要知道转动物体的转动惯量，因此转动惯量的测量是转体测量很重要的部分。

在现代科技中转动惯量的测量是不可忽视的，在各个行业中都有着十分重要的地位。在飞行器设计领域，飞行器的转动惯量是优化飞行器结构、飞行姿态的重要信息。此外，在航天工业中，运载火箭、人造卫星、载人飞船等都需要测量转动惯量，以确定产品是否符合设计要求加以修正；在汽车工业，各种车辆以及转动部件必须测量转动惯量，通过修正偏心来提高车辆的性能和寿命，因此测定物体的转动惯量具有重要的实际意义。

专利号为CN102692264A的《一种用于质量、质心位置与转动惯量的测试台及测试方法》采用扭摆机构和安装在机构上的传感器来测量转动惯量，扭摆装置本分操作复杂，而且传感器须进行测前标定，使得整个测量过程十分繁琐。专利号为CN1646971A的名为《一种转动惯量和惯性积测量方法及其装置》，该专利采用复摆装置，但是该复摆装置亦存在操作繁琐问题。

基于上述原因，本发明设计了一套基于单目视觉方式测量转动惯量的测量方法与装置。该装置投入少，结构稳定性强，操作简单，算法明了易懂且能保证较高精度。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的缺陷，发明一种转动惯量快速测量方法及装置，利用超高速摄像机捕获被测物体的运动轨迹，能够最大限度的保证捕获的轨迹的完整性以及实时性，有效地避免了其他方法不能确保运动轨迹的完整性，可提高测量转动惯量的准确性，高效、准确的测量被测物转动惯量。同时，本发明的三足复摆转动惯量测量装置采用三足支架，并合理安排支架重心使得复摆随被测物体摆动时不会致使支架晃动；利用止推轴承作为复摆与架体连接部件，可有效地减小复摆摆动过程中沿轴承轴线方向的窜动并减小摩擦阻力，且高度可调，满足大多数测量环境。本发明用于转动惯量测量，解决了快速、准确测量转动惯量的难题。

本发明采用的技术方案是一种转动惯量快速测量方法，其特征是，采用单目视觉系统，利用超高速摄像机（13）实时采集被测物体表面标记点（12）的运动图像，由图形工作站（18）将超高速摄像机（13）传输来的图片信息进行处理，提取出标记点在序列图像上的运动轨迹，通过采用数学模型对标记点的运动轨迹进行拟合的方式，先计算出被测物体的摆动周期，进而计算出被测物体的转动惯量，测量方法的具体步骤如下：

先将贴着有标记点12的被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，调节光源15使得标记点12清晰可见，微小拨动被测物使得复摆主体8随着被测物11摆动，利用超高速摄像机13拍摄标记点12的运动轨迹。将拍摄的视频传输给图形工作站18；

（1）标记点特征的提取

采用梯度重心法提取被测物（11）运动时表面的标记点（12），首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下：

$C(x,y)=\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right|G(i,j)|\·P(i,j)]/\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left|G(i,j)\right|---\left(1\right)$

其中：C（x,y）为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标；

（2）转动惯量计算

已知每个时刻被测物表面标记点的像素坐标C（x,y），建立C（x,y）中x轴像素坐标与时间的曲线，并且利用公式（2）进行曲线拟合；

x＝a×e^-b×t×sin(c×t+d)+e          (2)其中：a,d,e为积分常数，由初始条件决定；b为阻尼因子，

ω₀为系统固有频率，然后根据公式（3）计算得出被测物的摆动周期T；

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{c}---\left(3\right)$

利用运动周期计算转动惯量I,

$I=\frac{T^2\mathrm{mg}}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(4\right)$

其中,m为模型质量,g为重力加速度,l为模型质心距转轴的距离。通过对模拟目标进行视频拍摄，根据目标标志的运动周期推算其做单摆运动的周期，可由上式对模型的转动惯量进行求解；

该方法采用的测量装置是采用三足支架并合理安排支架重心，使得复摆随被测物体摆动时不会致使支架晃动；利用止推轴承作为复摆与架体连接部件，有效的减小复摆摆动过程中沿轴承轴线方向的窜动并减小摩擦阻力；该装置由三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ和测量部分Ⅱ组成；

所述三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ由三个三足尖端支腿1、三个可调节旋钮2、三个L型支撑方管3、承重圆平台4、矩形支撑以及加强筋5、悬挂横梁6、止推轴承7、复摆主体8、限位螺母9和夹持板10以及被测物11、标记点12。测量部分Ⅱ包括超高速摄像机13、镜头14、光源15、云台16以及三脚架17、图形工作站18组成；在三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ中，三个三足尖端支腿1通过三个可调节旋钮2安装进三个L型支撑方管3；承重圆平台4焊接在三个L型支撑方管3所组成的平面上；矩形支撑以及加强筋5焊接在承重圆平台4的上表面；悬挂衡量6通过螺纹与矩形支撑以及加强筋5连接；止推轴承7通过过盈配合安装于悬挂衡量6上；通过螺栓固定在复摆主体8上并把；夹持板10通过螺栓固定在复摆主体8上；利用限位螺母9给予止推轴承7预紧力；被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，将标记点12贴在被测物11表面上；

在所述测量部分Ⅱ中，镜头14通过镜头卡口安装在超高速摄像机13上，光源15利用本身自有的连接板螺栓连接在超高速摄像机13的底面，使得光源15的发光部分环绕在镜头14周围，超高速摄像机13固定在云台16的滑块上，然后把滑块固定在云台16的底座上，云台16底座焊接与三脚架17上；使用网线将超高速摄像机13与图形工作站18连接。

本发明的有益效果是利用超高速摄像机捕获被测物体的运动轨迹，最大限度的保证运动轨迹的完整性，这样可以提高测量转动惯量的准确性且本发明易于操作，方法快捷能够同时保证准确性和快速性。装置采用三足支架并合理安排支架重心使得复摆随被测物体摆动时不会致使支架晃动；利用止推轴承作为复摆与架体连接部件，可以有效的减小复摆摆动过程中沿轴承轴线方向的窜动并减小摩擦阻力，并且高度可调满足大多数测量环境。本发明解决了快速、准确测量转动惯量的难题。

附图说明

图1为测量装置示意图。其中：1三足尖端支腿、2可调节旋钮、3L型支撑方管、4承重圆平台、5矩形支撑以及加强筋、6悬挂衡梁、7止推轴承、8复摆主体、9限位螺母、10夹持板、11被测物、12标记点、13超高速摄像机、14镜头、15光源、16云台、17三脚架、18图形工作站、Ⅰ三足式可调节轴承复摆支架和Ⅱ测量部分。

图2为测量方法流程图。

图3为曲线拟合图，其中横轴为时间轴，纵轴为x轴。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。如附图1所示，采用复摆装置以及视觉测量的方式对被测物转动惯量测量；采用超高速摄像机13捕捉黏贴于被测物11表面的标记点12，利用超高速摄像机13的快速捕捉能力完整的拍摄下标记点12的运动轨迹。将超高速摄像机13拍摄的视频传送给图形工作站18，在图形工作站18中对所获轨迹进行处理，提取足够多的标记点拟合出运动轨迹曲线，计算出运动周期进而计算出被测物11的转动惯量，实现了快速准确的转动惯量测量。先将被测物体通过夹持板固定在复摆上，摆设中三足式可调节轴承复摆支架在超高速摄像机视场范围内，使得复摆及被测物体正对超高速摄像机且在视场内摆动。利用超高速摄像机拍摄复摆和被测物体运动轨迹，通过视觉计算得出被测物体的转动惯量。

在附图2中表示了测量方法的流程，测量过程主要包括测量装置安装调试，被测物体运动轨迹拍摄，标记点特征提取，拟合运动曲线计算周期，利用周期计算转动惯量。方法的具体步骤如下：

（1）转动惯量测量装置的安装

将整个装置安装在一个相对宽阔的空间。将三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ摆设在实验场地内，松开可调节旋钮2调节支腿长度使得复摆主体8高度适合测量，略紧调节旋钮2使得支腿不会滑落，安装悬挂衡量6，将止推轴承7、复摆主体8、限位螺母9和夹持板10分别安装；将镜头14安装进超高速摄像机13的镜头卡口，光源15安装在镜头14周围，超高速摄像机13安装在云台16的滑块上，最后安装进连接在三脚架17上的云台16底座上，并将整个测量部分Ⅱ放置于正对复摆主体8。松开可调节旋钮2微调个支腿长度保证承重圆平台4水平，最终紧固可调节旋钮2；将超高速摄像机13与图形工作站18连接，调节镜头14焦距使复摆清晰可见。

（2）超高速摄像机拍摄运动轨迹

将贴着有标记点12的被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，调节光源15使得标记点12清晰可见，微小拨动被测物使得复摆主体8随着被测物11摆动，利用超高速摄像机13拍摄标记点12的运动轨迹。将拍摄的视频传输给图形工作站18。

（3）提取标志点特征

采用梯度重心法提取被测物11运动时表面的标记点12，首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下：

$C(x,y)=\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left[\right|G(i,j)|\·P(i,j)]/\underset{i=-h}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-w}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}\left|G(i,j)\right|---\left(1\right)$

其中：C（x,y）为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标。

（4）拟合运动轨迹曲线求取运动周期

通过标志点特征提取可以得到标记点12的实时运动坐标。以时间轴为横坐标，提取标记点12的竖直坐标为纵坐标，绘制运动轨迹曲线。已知P(i,j)为每个时刻被测物表面标记点的x轴像素坐标，建立P(i,j)与时间的曲线，并且利用曲线进行拟合。利用所得到的曲线计算出运动周期T。

x＝a×e^-b×t×sin(c×t+d)+e           (2)其中，a,d,e为积分常数，由初始条件决定。b为阻尼因子，

ω₀为系统固有频率。

附图3为通过标记点提取拟合出来的曲线，横轴表示时间t，纵轴x表示标记点的运动坐标，通过附图3可以直观的表现出标志点的运动规律。

然后根据公式3计算得出被测物的摆动周期T；

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{c}---\left(3\right)$

（5）利用运动周期计算转动惯量I，

$I=\frac{T^2\mathrm{mgl}}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(4\right)$

其中,T为模型做单摆运动的周期,m为模型质量,g为重力加速度,l为模型质心距转轴的距离。通过对模拟目标进行视频拍摄,根据目标标志的运动周期推算其做单摆运动的周期,可由上式对模型的转动惯量进行求解。最后减去已知的复摆转动惯量求得被测物11的转动惯量。

本测量装置分为三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ和测量部分Ⅱ两大部分。由三个三足尖端支腿1、三个调节旋钮2、三个L型支撑方管3、承重圆平台4、矩形支撑以及加强筋5、悬挂衡量6、止推轴承7、复摆主体8、限位螺母9和夹持板10以及被测物11、标记点12组成了三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ。由超高速摄像机13、镜头14、光源15、云台16、三脚架17、图形工作站18构成了测量部分Ⅱ。

在三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ中，三个三足尖端支腿1通过三个可调节旋钮2分别安装进三个L型支撑方管3中；承重圆平台4焊接在三个L型支撑方管3所组成的平面上；矩形支撑以及加强筋5焊接在承重圆平台4的上表面；悬挂衡量6通过螺纹与矩形支撑以及加强筋5连接；止推轴承7通过过盈配合安装于悬挂衡量6上；通过螺栓固定在复摆主体8上并把；夹持板10通过螺栓固定在复摆主体8上；利用限位螺母9给予止推轴承7预紧力。被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，将标记点12贴在被测物11表面上。

在所述测量部分Ⅱ中，镜头14通过镜头卡口安装在超高速摄像机13上，光源15利用本身自有的连接板螺栓连接在超高速摄像机13的底面，使得光源15的发光部分环绕在镜头14周围，超高速摄像机13固定在云台16的滑块上，然后把滑块固定在云台16的底座上，云台16底座焊接与三脚架17上。使用网线将超高速摄像机13与图形工作站18连接。

该装置采用三足支架并合理安排支架重心，使得复摆随被测物体摆动时不会致使支架晃动；利用止推轴承作为复摆与架体连接部件，有效的减小复摆摆动过程中沿轴承轴线方向的窜动并减小摩擦阻力。

本发明利用超高速摄像机捕获被测物体的运动轨迹，最大限度的保证运动轨迹的完整性，这样可以提高测量转动惯量的准确性且本发明易于操作，方法快捷能够同时保证准确性和快速性。装置采用三足支架并合理安排支架重心使得复摆随被测物体摆动时不会致使支架晃动；利用止推轴承作为复摆与架体连接部件，可以有效的减小复摆摆动过程中沿轴承轴线方向的窜动并减小摩擦阻力，并且高度可调满足大多数测量环境。

Claims (2)

1.一种转动惯量快速测量方法，其特征是，采用单目视觉系统，利用超高速摄像机（13）实时采集被测物体表面标记点（12）的运动图像，由图形工作站（18）将超高速摄像机（13）传输来的图片信息进行处理，提取出标记点在序列图像上的运动轨迹，通过采用数学模型对标记点的运动轨迹进行拟合的方式，先计算出被测物体的摆动周期，进而计算出被测物体的转动惯量，测量方法的具体步骤如下： 

先将贴着有标记点12的被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，调节光源15使得标记点12清晰可见，微小拨动被测物使得复摆主体8随着被测物11摆动，利用超高速摄像机13拍摄标记点12的运动轨迹。将拍摄的视频传输给图形工作站18； 

（1）标记点特征的提取 

采用梯度重心法提取被测物（11）运动时表面的标记点（12），首先采用高斯一阶微分算子对图像进行卷积操作，以获得图像在各点的梯度，则对于标志图案所在子区域的梯度重心点坐标的求取方法如下： 

其中：C（x,y）为应用梯度重心法所提取的标记点中心像素坐标值，|G(i,j)|为(i,j)点的梯度幅值，w，h分别为目标图像的宽和高，P(i,j)为(i,j)点的图像坐标； 

（2）转动惯量计算 

已知每个时刻被测物表面标记点的像素坐标C（x,y），建立C（x,y）中x轴像素坐标与时间的曲线，并且利用公式（2）进行曲线拟合； 

x＝a×e^-b×t×sin(c×t+d)+e             (2) 其中：a,d,e为积分常数，由初始条件决定；b为阻尼因子，

ω₀为系统固有频率，然后根据公式（3）计算得出被测物的摆动周期T； 

利用运动周期计算转动惯量I, 

其中,T为模型做单摆运动的周期,m为模型质量,g为重力加速度,l为模型质心距转轴的距离。通过对模拟目标进行视频拍摄，根据目标标志的运动周期推算其做单摆运动的周期，可由上式对模型的转动惯量进行求解。 

2.依据权利要求1所述的一种转动惯量快速测量方法，其特征是，该方法采用的测量装置是由三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ和测量部分Ⅱ组成； 

所述三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ由三个三足尖端支腿1、三个可调节旋钮2、三个L型支撑方管3、承重圆平台4、矩形支撑以及加强筋5、悬挂横梁6、止推轴承7、复摆主体8、限位螺母9和夹持板10以及被测物11、标记点12。测量部分Ⅱ包括超高速摄像机13、镜头14、光源15、云台16以及三脚架17、图形工作站18组成；在三足式可调节轴承复摆支架Ⅰ中，三个三足尖端支腿1通过三个可调节旋钮2安装进三个L型支撑方管3；承重圆平台4焊接在三个L型支撑方管3所组成的平面上；矩形支撑以及加强筋5焊接在承重圆平台4的上表面；悬挂衡量6通过螺纹与矩形支撑以及加强筋5连接；止推轴承7通过过盈配合安装于悬挂衡量6上；通过螺栓固定在复摆主体8上并把；夹持板10通过螺栓固定在复摆主体8上；利用限位螺母9给予止推轴承7预紧力；被测物11通过夹持板10固定在复摆主体8上，将标记点12贴在被测物11表面上； 

在所述测量部分Ⅱ中，镜头14通过镜头卡口安装在超高速摄像机13上， 光源15利用本身自有的连接板螺栓连接在超高速摄像机13的底面，使得光源15的发光部分环绕在镜头14周围，超高速摄像机13固定在云台16的滑块上，然后把滑块固定在云台16的底座上，云台16底座焊接与三脚架17上；使用网线将超高速摄像机13与图形工作站18连接。 

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