CN109506583A - 柔性结构全场变形实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性结构全场变形实时测量系统，包括高低温试验箱、结构变形实时测量控制与分析软件的控制终端、测量相机、测量相机固定连接支架和测量相机光学窗口。控制终端位于高低温箱外，通过数据采集线缆与测量相机相连，多台测量相机通过固定连接支架组成测量相机阵列，然后透过安装在高低温试验箱上的测量相机光学窗口对高低温试验箱内安装的柔性结构进行测量；高低温试验箱内还安装有柔性结构待测对象、光源、辅助测点和标定基准板。本发明通过多台测量相机对待测对象进行实时图像采集，并由相应测量控制与分析软件计算，可以实现高低温环境下的柔性结构全场变形测量，具有非接触、精度高、自动化程度高的性能。

Description

柔性结构全场变形实时测量系统

技术领域

本发明涉及测量领域，具体地，涉及一种柔性结构全场变形实时测量系统，尤其涉及一种高低温环境下的柔性结构全场变形实时测量系统。

背景技术

目前，随着卫星高精度高分辨指标的不断发展，在卫星研制过程中对柔性结构的型面要求越来越高，而柔性结构在高低温环境下会受冷热交变和温度梯度影响引起型面的变形，必须解决在柔性结构在高低温试验过程中对热变形的测量问题。在目前的变形测量方法中，目前主要采用千分表、电子经纬仪、激光跟踪仪、数字摄影测量等方式，上述方式均获取的是少量点和离散点的变形测量数据，而数字图像相关测量一种对全场位移和应变进行量化分析的非接触光测实验力学方法，测量精度可以达到微米级，可以实现三维形面的实时测量。

因此，提供一种通过数字图像进行的实时测量系统具有很高的必要性和实际意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性结构全场变形实时测量系统。

根据本发明提供的一种柔性结构全场变形实时测量系统，用于实时测量柔性结构待测对象的全场形变，包括控制部分、采集部分以及试验箱部分；所述柔性结构待测对象设置在试验箱部分中；所述采集部分能够采集柔性结构待测对象的全场形变信息；所述控制部分与采集部分通信连接。

优选地，所述控制部分包括控制与数据采集线缆和控制终端；所述控制终端通过控制与数据采集线缆与采集部分通信连接。

优选地，所述采集部分包括测量相机和固定连接支架；所述控制终端通过控制与数据采集线缆与测量相机相连；多个所述测量相机通过固定连接支架形成测量相机阵列；所述测量相机阵列能够采集柔性结构待测对象的全场形变信息。

优选地，所述试验箱部分包括高低温试验箱、标定基准板、测量相机光学窗口、辅助测点以及光源；所述测量相机阵列能够通过设置在高低温试验箱上的测量相机光学窗口对高低温试验箱内的柔性结构待测对象进行测量；所述标定基准板、辅助测点以及光源均设置在高低温试验箱内。

优选地，所述柔性结构待测对象上设置有斑点图像，测量相机阵列中的测量相机能够捕捉采集斑点图像作为原始采集数据。

优选地，所述测量相机光学窗口采用微晶石英玻璃制成，测量相机光学窗口的玻璃外沿还设置有加热装置。

优选地，所述斑点图像由第一液体通过溅撒或点涂的方法制成，所述第一液体为包括氧化锆、碳粉以及高温无机胶的混合物。

优选地，所述测量相机阵列中的固定连接支架是由碳纤维材料制成的

优选地

-所述加热装置通过控制终端控制，使得测量相机光学窗口的玻璃外沿始终维持在设定的温度；或者

-所述加热装置通过温控仪控制，使得测量相机光学窗口的玻璃外沿始终维持在设定的温度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的柔性结构全场变形实时测量系统，能够通过控制部分实现高自动化的测量，具有高效可靠的优势；

2、本发明提供的柔性结构全场变形实时测量系统，利用光学测量实现非接触测量，通过多台测量相机对待测对象进行实时图像采集，并由相应测量控制与分析软件计算，可以实现高低温环境下的柔性结构全场变形测量，具有非接触、精度高的优点；

3、本发明提供的柔性结构全场变形实时测量系统，使用散状斑点图像作为测量依据，所以测量范围可根据实际需求进行设定，解决了多相机在安装光学窗口条件下的标定精度问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的柔性结构全场变形实时测量系统的结构示意图。

图中示出：

高低温试验箱 1

标定基准板 2

测量相机 3

控制与数据采集线缆 4

控制终端 5

测量相机光学窗口 6

辅助测点 7

柔性结构待测对象 8

光源 9

固定连接支架 10

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种柔性结构全场变形实时测量系统，用于实时测量柔性结构待测对象8的全场形变，包括控制部分、采集部分以及试验箱部分；所述柔性结构待测对象8设置在试验箱部分中；所述采集部分能够采集柔性结构待测对象8的全场形变信息；所述控制部分与采集部分通信连接。

优选地，所述控制部分包括控制与数据采集线缆4和控制终端5；所述控制终端5通过控制与数据采集线缆4与采集部分通信连接。所述采集部分包括测量相机3和固定连接支架10；所述控制终端5通过控制与数据采集线缆4与测量相机3相连；多个所述测量相机3通过固定连接支架10形成测量相机阵列；所述测量相机阵列能够采集柔性结构待测对象8的全场形变信息。所述试验箱部分包括高低温试验箱1、标定基准板2、测量相机光学窗口6、辅助测点7以及光源9；所述测量相机阵列能够通过设置在高低温试验箱1上的测量相机光学窗口6对高低温试验箱1内的柔性结构待测对象8进行测量；所述标定基准板2、辅助测点7以及光源9均设置在高低温试验箱1内。所述柔性结构待测对象8上设置有斑点图像，测量相机阵列中的测量相机3能够捕捉采集斑点图像作为原始采集数据。所述测量相机光学窗口6采用微晶石英玻璃制成，测量相机光学窗口6的玻璃外沿还设置有加热装置。所述斑点图像由第一液体通过溅撒或点涂的方法制成，所述第一液体为包括氧化锆、碳粉以及高温无机胶的混合物。所述测量相机阵列中的固定连接支架10是由碳纤维材料制成的

具体地

-所述加热装置通过控制终端5控制，使得测量相机光学窗口6的玻璃外沿始终维持在设定的温度；或者

-所述加热装置通过温控仪控制，使得测量相机光学窗口6的玻璃外沿始终维持在设定的温度。

进一步地，以下将结合图1对本发明的优选例作进一步的详细描述。该系统测量相机3固定在高低温试验箱外，在固定位置按照设置图像采集方式对高低温试验箱1内柔性结构待测对象8进行表面散状斑点进行图像采集，系统的变形测量控制与分析软件通过事先获取的相机标定参数解算图像进行计算，可以实时获取柔性结构待测对象8在高低温环境下的变形情况，完成全场变形实时测量；具体的包括高低温试验箱箱1、变形测量控制与分析软件的控制终端5、测量相机3，所述控制终端5位于高低温试验箱1外，通过数据采集线缆4与测量相机3相连，多台测量相机通过固定连接支架10组成测量相机阵列，然后透过安装在高低温试验箱1上的测量相机光学窗口6对高低温试验箱内安装的柔性结构待测对象8进行测量，所述测量相机3用于柔性结构待测对象表面8上的散状斑点图像采集，作为变形测量计算的原始数据；所述高低温试验箱内还安装有光源9、辅助测点7和标定基准板2，所述光源9用来为测量相机3在测量过程中提供良好的光照条件，所述辅助测点7用于对不同测量区域数据的拼接，所述标定基准板2用于在测量前获取相机标定参数，供采集图像数据解算使用。

测量相机3和固定连接支架10布置在高低温试验箱1外对柔性结构待测对象8进行非接触变形测量，根据测量系统的测量范围布置测量相机3，测量相机3为工业级的数字黑白CCD摄像机，配备定焦工业镜头。测量相机3固定安装在由碳纤维材材料制作的固定连接支架10上，将多台测量相机3组成测量相机阵列，测量相机3光轴之间的交会角保证相机视场存在重合区域，作为测量计算区域，保证布置的辅助测点7也在相机视场内，通过固定连接支架10可以实现多台测量相机3在测量过程中相互位置关系不发生改变，即相机之间交会角保持一致，同时固定连接支架10安装在高低温试验箱1外地面上，避免测量相机3与测量对象之间发生相对刚性位移。

测量相机光学窗口6采用微晶石英玻璃材料，为减少光学窗口对测量精度的影响，光学窗口玻璃厚度应控制在10mm以内，安装在高低温试验箱1侧壁合理位置，以满足测量相机3布置需求，光学窗口留有测量相机镜头安装固定接口，实现光学窗口与测量相机镜头的相对位置固定锁死，同时测量相机镜头与光学窗口玻璃表面贴近，控制在1～3mm范围内；为避免光学窗口玻璃在低温环境下发生结露影响采集图像效果，在光学窗口玻璃外沿布置一圈加热丝或其他加热装置，并通过温控仪将光学窗口玻璃温度控制在室温范围下。

辅助测点7采用适应于工业数字摄影测量的耐高低温编码标志点，可在±80℃的温度条件下保持特性不变，并且不发生变形和脱落，应均匀地将辅助测点粘贴在物体表面较平坦的区域，粘贴时保证辅助测点7不能重叠或遮挡；辅助测点7使用环型编码策略，可以提高测量精度，每一个辅助测点7有一个确定的ID，无需进行两测量相机3图像间的匹配计算；辅助测点7适应于大测量范围下测量数据拼接，当两台测量相机3的测量范围满足试验需求时，可以不使用辅助测点7。

在测量前，通过移动标定基准板2多个位置来建立大尺寸虚拟三维控制点集的外部参数标定场，以此来现场标定多部相机立体视觉测量系统中相机外部参数，供采集图像解算使用，具体标定过程：1)利用已知三维坐标的标定板在公共视场空间内自由移动，拍摄多张高质量的标定图像；2)图像处理得到相应的像点坐标，通过采用基于四元数的空间后方交会算法获得两两相机的相对定向初值和通过标定板上特定两点的已知长度实现绝对定向；3)多组标定相片采用光束法整体平差进行迭代优化解算相机外部参数的精确值；为保证标定结果有效性，标定时测量相机状态即为最终试验过程状态，标定结束后测量相机与测量相机光学窗口相对位置不能发生改变，否则需要重新进行标定。

散状斑点采用氧化锆、碳粉与高温无机胶按合适比例搅拌混合制作成黑色液状物，用该黑色液状物可在待测对象上通过溅撒或点涂的方法制作可耐受高低温的人工散状斑点。

光源9采用高低温环境下可用冷光源，在测量前合理设置光源9在高低温环境下的安装位置，为测量相机提供良好照明条件，保证图像中散状斑点对比度满足图像解算精度要求。

变形测量控制与分析软件通过控制与数据采集线缆4传输控制信号可以对测量相机3采集过程中相机曝光值、快门、采集频率等参数进行设置，实现整个测量过程中的自动化图像采集，软件具有同时进行工业数字摄影测量编码点解算和数字图像相关方法图像解算功能，自动利用工业数字摄影测量编码点解算结果将数字图像相关方法解算变形测量结果进行数据拼接，实时显示测量过程结果，满足大尺寸范围下变形实时测量需求。

通过以上设计，本发明优选例即可完成柔性结构在高低温环境下的全场变形实时测量。

更进一步地，本优选例使用时，所述测量系统在测量前，首先在高低温试验箱1上安装好测量相机光学窗口6及其加热装置，确认其温控仪工作正常，将测量相机3分别固定安装在测量相机光学窗口6上，然后再将测量相机3统一安装在固定连接支架10上，固定约束相机相互位置，将固定连接支架10在地面上固定，用控制与数据采集线缆4连接各台测量相机3与控制终端5相应端口，在柔性结构待测对象8的目标测量区域喷涂散状斑点，并粘贴安装辅助测点7，在高低温试验箱内合适位置安装光源9，调节光源至合适光照角度，在多个姿态位置移动标定基准板2对整个测量系统进行相机标定，标定参数结果作为变形测量控制与分析软件进行计算时所需的相机参数。标定结束后，若不满足需重新进行标定，若标定精度满足要求，可以高低温环境下的测量。一种高低温环境下的柔性结构全场变形实时测量系统布置与安装参看图1。在高低温试验箱1关闭开始试验前，通过变形测量控制与分析软件验证测量相机图像采集效果，通过在室温环境下静态条件下对变形测量结果分析，若测量结果满足精度要求，则可以保存当前测量相机位置。若测量结果不满足试验要求，需重新进行选择合适的测量相机采集参数、调节编码点布置位置和光源位置，直至满足测量结果满足试验要求。

完成以上步骤后，在高低温试验箱1可以开始调节温度，开始对柔性结构待测对象8进行高低温变形试验，通过变形测量控制与分析软件控制设置测量相机3自动采集图像，经软件解算出柔性结构待测对象8表面变形测量结果，并在软件界面实时可视化显示，并将测量数据保存到控制终端5数据存储介质上，供试验过程和试验结束后分析。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种柔性结构全场变形实时测量系统，用于实时测量柔性结构待测对象(8)的全场形变，其特征在于，包括控制部分、采集部分以及试验箱部分；所述柔性结构待测对象(8)设置在试验箱部分中；所述采集部分能够采集柔性结构待测对象(8)的全场形变信息；所述控制部分与采集部分通信连接。

2.根据权利要求1所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述控制部分包括控制与数据采集线缆(4)和控制终端(5)；所述控制终端(5)通过控制与数据采集线缆(4)与采集部分通信连接。

3.根据权利要求2所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述采集部分包括测量相机(3)和固定连接支架(10)；所述控制终端(5)通过控制与数据采集线缆(4)与测量相机(3)相连；多个所述测量相机(3)通过固定连接支架(10)形成测量相机阵列；所述测量相机阵列能够采集柔性结构待测对象(8)的全场形变信息。

4.根据权利要求3所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述试验箱部分包括高低温试验箱(1)、标定基准板(2)、测量相机光学窗口(6)、辅助测点(7)以及光源(9)；所述测量相机阵列能够通过设置在高低温试验箱(1)上的测量相机光学窗口(6)对高低温试验箱(1)内的柔性结构待测对象(8)进行测量；所述标定基准板(2)、辅助测点(7)以及光源(9)均设置在高低温试验箱(1)内。

5.根据权利要求4所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述柔性结构待测对象(8)上设置有斑点图像，测量相机阵列中的测量相机(3)能够捕捉采集斑点图像作为原始采集数据。

6.根据权利要求5所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述测量相机光学窗口(6)采用微晶石英玻璃制成，测量相机光学窗口(6)的玻璃外沿还设置有加热装置。

7.根据权利要求5所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述斑点图像由第一液体通过溅撒或点涂的方法制成，所述第一液体为包括氧化锆、碳粉以及高温无机胶的混合物。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于，所述测量相机阵列中的固定连接支架(10)是由碳纤维材料制成的

9.根据权利要求6所述的柔性结构全场变形实时测量系统，其特征在于

-所述加热装置通过控制终端(5)控制，使得测量相机光学窗口(6)的玻璃外沿始终维持在设定的温度；或者

-所述加热装置通过温控仪控制，使得测量相机光学窗口(6)的玻璃外沿始终维持在设定的温度。