CN108398091A - 叶尖三维位移量精准视觉测量方法 - Google Patents

叶尖三维位移量精准视觉测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种叶尖三维位移量精准视觉测量方法。其步骤为：在待测叶片叶尖上粘贴标志圆，架设视觉传感器三维测量装置，对单个相机内参数进行标定，借助激光跟踪仪将所有相机坐标系转换到全局坐标系下，利用各种图像算法检测叶尖上标志圆中心点的亚像素图像坐标，最后借助于立体视觉重构原理得到静力加载前和加载后叶片叶尖标志圆中心点在全局坐标系下的三维坐标，利用加载前后三维坐标值计算叶尖各维度位移量。本发明具有非接触式、测量视场范围大、测量精度高等优势，且能够对试验中任意加载阶段进行检测，解决了风电叶片静力加载试验中叶尖三维变形测量不精确，测量范围有限的难题。

Description

叶尖三维位移量精准视觉测量方法
技术领域
本发明涉及一种风电叶片静力加载试验领域中叶片叶尖的三维坐标测量技术,具体说是一种采用视觉测量装置精准测量叶片叶尖空间三维位移量的测量方法。
背景技术
随着风力发电机的功率向兆瓦级发展，叶片尺寸随之增大，因而对风电叶片的强度和刚度提出了更高的要求。对于新研制或者工艺做重大更改后的叶片，必须通过相应的全尺寸结构检测。目前风电叶片的全尺寸结构检测主要通过静力加载试验来进行，风电叶片静力加载试验中，液压站提供的牵引力通过滑轮、钢丝绳、夹具施加到叶片的加载点上，静力加载过程采用分级加载方式，加载力从0%逐级加载至100%，记录下各加载点在各级加载力时的实际加载载荷、应变、叶片位移、扭转角度等试验数据，以此来检验叶片承受极限载荷的能力。其中试验过程里叶尖三维位移量是必须测量的关键参数之一，常规测量方法之一是采用拉绳式位移传感器，拉绳传感器测量叶片叶尖位移需要将拉绳固定在叶尖上，通过拉绳的伸展和收缩转换为旋转感应器的旋转量，进而输出一个与拉伸量成比例的电信号，以此间接获得位移从而计算叶片叶尖三维位移。由于叶片受加载载荷变形过程中叶尖摆动轨迹不在一个平面，导致拉绳式位移传感器测量出现非常大的误差；叶尖三维位移另一种测量方法是采用激光测距仪，将激光测距仪固定于叶片受拉方向，通过激光测距仪测得叶片在受拉方向的距离变化来得到叶尖位移，使用激光测距仪的测量方案通常只能对叶尖一个方向的位移变化进行测量，不能获得叶尖空间的三维坐标变化，而且叶片弯曲后，激光测距仪所测得的叶片上的点并不是叶片上的初始位置的点，从而造成较大的测量误差。
发明内容
为克服上述叶尖三维位移测量过程中存在的问题,本发明提出一种用于风电叶片静力加载试验中叶尖三维位移量的精准视觉测量方法，旨在通过视觉测量技术，实现对叶尖在静力试验中各阶段三维位移量的精准测量。其技术方案为。
叶尖三维位移量精准视觉测量方法，包括以下步骤：
（1-1）待测量的叶片的大端安装在支座上；
（1-2）在叶片远离大端的叶尖处粘贴标志圆；
（1-3）沿叶片的叶尖摆动轨迹搭建多个支架，各支架沿叶片的叶尖在静力加载试验中的摆动轨迹等距摆放在叶片的叶尖外侧；
（1-4）在每个支架上固定两台相机，两台相机的拍摄范围包括叶片的叶尖摆动过程中从上一个支架到自身所在支架之间的区域；
（1-5）用棋盘标定板标定每台相机的参数以及同一支架上的两台相机之间的位姿关系；
（1-6）采用全局标定方法将所有相机的相机坐标系统一到全局坐标系中；
（1-7）叶片静力加载试验前，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机各自拍摄一幅带有标志圆的叶尖图像，利用边缘检测以及霍夫变换图像算法检测标志圆中心点的亚像素图像坐标，借助于双目视觉三维重建中三角测量法得到标志圆中心点在其中一台相机的相机坐标系下的三维坐标，并利用步骤（1-6）中全局标定方法将标志圆中心点在此台相机的相机坐标系下的坐标转换为全局坐标系下的三维坐标；
（1-8）在静力加载试验过程中任意时刻，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机拍摄带有标志圆的叶尖图像，重复上述步骤（1-7）中标志圆中心点三维坐标的计算方法，得到该时刻叶片的叶尖上标志圆中心点在全局坐标系下的三维坐标，计算得到所有加载阶段叶尖各维度的位移量。
所述的叶尖三维位移量精准视觉测量方法，全局标定方法包括以下步骤：
（2-1）在标准的圆形标定板的非圆点区域标记3个构成直角三角形的点，并在3个标记点位置分别安装1个固定基座；
（2-2）保持圆形标定板不动，将靶球依次放置在3个固定基座上，用激光跟踪仪测量这3个靶球的空间坐标；
（2-3）3个靶球的空间位置构成1个空间直角三角形，设该三角形的直角顶点为原点，两条直角边分别为X轴和Y轴，并以右手法则定义Z轴，所构成的笛卡尔空间坐标系即为靶球的坐标系；
（2-4）保持激光跟踪仪和各相机固定不动，重复调整圆形标定板的位姿，利用同一支架上两台相机中的1台相机拍摄圆形标定板的图像，标定出该相机的外参数，即该相机的坐标系与圆形标定板的坐标系之间的转换关系A i ，其中i为圆形标定板的第i个位姿，下同；根据（2-2）激光跟踪仪测得的3个靶球的空间坐标，计算得到靶球的坐标系与激光跟踪仪的坐标系之间的转换关系B i ；
（2-5）圆形标定板摆动两次不同的姿态，即得到等式方程A i XB i =A j XB j ，其中X为圆形标定板与靶球坐标系之间的位置关系，通过多组不同的未知数方程求解X；
（2-6）求解得到X后，即可得到该台相机的坐标系在全局坐标系下位置关系AXB，设R=AXB；
（2-7）重复上述步骤即可得到各相机的坐标系在全局坐标系下的转换关系。
本发明应用于风电叶片静力加载试验的叶尖空间三维位移量的测量中，测量精度高，解决了因叶尖摆动轨迹不在一个平面上测量误差较大的问题；本发明对各种翼型和长度的风电叶片都有良好的适用性，为风电叶片叶尖空间三维位移量检测提供了一种全新的方法，测量过程简单，结果可靠；本发明通过多组双目相机接力测量，解决了大量程下视觉测量在超出一定范围后测量精度较低的问题。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
图2为全局标定示意图。
图3为圆形标定板示意图。
1、支座 2、叶片 3、标志圆 4、相机 5、支架 6、圆形标定板7、靶球 8、激光跟踪仪9、固定基座。
具体实施方式
在附图1-附图3中，本发明所述的一种叶尖三维位移量精准视觉测量方法的具体步骤如下：
步骤1：待测量的叶片2的大端安装在支座1上；
步骤2：在叶片2远离大端的叶尖处粘贴标志圆3；
步骤3：沿叶片2的叶尖摆动轨迹搭建5个支架5，各支架5沿叶片2的叶尖在静力加载试验中的摆动轨迹等距摆放在叶片2的叶尖外侧；
步骤4：在每个支架5上固定两台相机4，两台相机4的拍摄范围包括叶片2的叶尖摆动过程中从上一个支架5到自身所在支架5之间的区域；
步骤5：用棋盘标定板标定每台相机4的参数以及同一支架5上的两台相机4之间的位姿关系；
步骤6：采用全局标定方法将所有相机4的相机坐标系统一到全局坐标系中，全局标定方法具体步骤如下：
步骤6-1：在标准的圆形标定板6的非圆点区域标记3个构成直角三角形的点，并在3个标记点位置分别安装1个固定基座9；
步骤6-2：保持圆形标定板6不动，将靶球7依次放置在3个固定基座9上，用激光跟踪仪8测量这3个靶球7的空间坐标；
步骤6-3：3个靶球7的空间位置构成1个空间直角三角形，设该三角形的直角顶点为原点，两条直角边分别为X轴和Y轴，并以右手法则定义Z轴，所构成的笛卡尔空间坐标系即为靶球7的坐标系；
步骤6-4：保持激光跟踪仪8和各相机4固定不动，重复调整圆形标定板6的位姿，利用同一支架上两台相机中的1台相机4拍摄圆形标定板6的图像，标定出该相机4的外参数，即该相机4的坐标系与圆形标定板6的坐标系之间的转换关系A i ，其中i为圆形标定板6的第i个位姿，下同；根据步骤6-2激光跟踪仪8测得的3个靶球7的空间坐标，计算得到靶球7的坐标系与激光跟踪仪8的坐标系之间的转换关系B i ；
步骤6-5：圆形标定板6摆动两次不同的姿态，即得到等式方程A i XB i =A j XB j ，其中X为圆形标定板6与靶球7坐标系之间的位置关系，通过多组不同的未知数方程求解X；
步骤6-6：求解得到X后，即可得到该台相机4的坐标系在全局坐标系下位置关系AXB，设R=AXB；
步骤6-7：重复上述步骤即可得到各相机4的坐标系在全局坐标系下的转换关系；
步骤7：叶片静力加载试验前，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机4各自拍摄一幅带有标志圆3的叶尖图像，利用边缘检测以及霍夫变换图像算法检测标志圆3中心点的亚像素图像坐标，借助于双目视觉三维重建中三角测量法得到标志圆3中心点在其中一台相机4的相机坐标系下的三维坐标，并利用步骤6中全局标定方法将标志圆3中心点在此台相机4的相机坐标系下的坐标转换为全局坐标系下的三维坐标；
步骤8：在静力加载试验过程中任意时刻，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机4拍摄带有标志圆3的叶尖图像，重复上述步骤7中标志圆3中心点三维坐标的计算方法，得到该时刻叶片2的叶尖上标志圆3中心点在全局坐标系下的三维坐标，计算得到所有加载阶段叶尖各维度的位移量。

Claims (2)

1.一种叶尖三维位移量精准视觉测量方法，其特征在于：本测量方法包括以下步骤：
（1-1）待测量的叶片（2）的大端安装在支座（1）上；
（1-2）在叶片（2）远离大端的叶尖处粘贴标志圆（3）；
（1-3）沿叶片（2）的叶尖摆动轨迹搭建多个支架（5），各支架（5）沿叶片（2）的叶尖在静力加载试验中的摆动轨迹等距摆放在叶片（2）的叶尖外侧；
（1-4）在每个支架（5）上固定两台相机（4），两台相机（4）的拍摄范围包括叶片（2）的叶尖摆动过程中从上一个支架（5）到自身所在支架（5）之间的区域；
（1-5）用棋盘标定板标定每台相机（4）的参数以及同一支架（5）上的两台相机（4）之间的位姿关系；
（1-6）采用全局标定方法将所有相机（4）的相机坐标系统一到全局坐标系中；
（1-7）叶片静力加载试验前，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机（4）各自拍摄一幅带有标志圆（3）的叶尖图像，利用边缘检测以及霍夫变换图像算法检测标志圆（3）中心点的亚像素图像坐标，借助于双目视觉三维重建中三角测量法得到标志圆（3）中心点在其中一台相机（4）的相机坐标系下的三维坐标，并利用步骤（1-6）中全局标定方法将标志圆（3）中心点在此台相机（4）的相机坐标系下的坐标转换为全局坐标系下的三维坐标；
（1-8）在静力加载试验过程中任意时刻，利用负责拍摄该时刻叶尖所在区域的两台相机（4）拍摄带有标志圆（3）的叶尖图像，重复上述步骤（1-7）中标志圆（3）中心点三维坐标的计算方法，得到该时刻叶片（2）的叶尖上标志圆（3）中心点在全局坐标系下的三维坐标，计算得到所有加载阶段叶尖各维度的位移量。
2.如权利要求1所述的叶尖三维位移量精准视觉测量方法，其特征在于：（1-6）所述的全局标定方法包括以下步骤：
（2-1）在标准的圆形标定板（6）的非圆点区域标记3个构成直角三角形的点，并在3个标记点位置分别安装1个固定基座（9）；
（2-2）保持圆形标定板（6）不动，将靶球（7）依次放置在3个固定基座（9）上，用激光跟踪仪（8）测量这3个靶球（7）的空间坐标；
（2-3）3个靶球（7）的空间位置构成1个空间直角三角形，设该三角形的直角顶点为原点，两条直角边分别为X轴和Y轴，并以右手法则定义Z轴，所构成的笛卡尔空间坐标系即为靶球（7）的坐标系；
（2-4）保持激光跟踪仪（8）和各相机（4）固定不动，重复调整圆形标定板（6）的位姿，利用同一支架上两台相机中的1台相机（4）拍摄圆形标定板（6）的图像，标定出该相机（4）的外参数，即该相机（4）的坐标系与圆形标定板（6）的坐标系之间的转换关系A i ，其中i为圆形标定板（6）的第i个位姿，下同；根据（2-2）激光跟踪仪（8）测得的3个靶球（7）的空间坐标，计算得到靶球（7）的坐标系与激光跟踪仪（8）的坐标系之间的转换关系B i ；
（2-5）圆形标定板（6）摆动两次不同的姿态，即得到等式方程A i XB i =A j XB j ，其中X为圆形标定板（6）与靶球（7）坐标系之间的位置关系，通过多组不同的未知数方程求解X；
（2-6）求解得到X后，即可得到该台相机（4）的坐标系在全局坐标系下位置关系AXB，设R=AXB；
（2-7）重复上述步骤即可得到各相机（4）的坐标系在全局坐标系下的转换关系。
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