CN110260845B - 一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置 - Google Patents

一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置，包括整体支撑台和其上设有的横向滑移机构和纵向滑移机构，纵向滑移机构包括角度相对水平轴线可调的可调横梁，可调横梁上设有第一高速摄像机，通过横向滑移机构、纵向滑移机、可调横梁和支撑构件实现纵横向的位置粗调和微调以及水平旋转角度，整体支撑台上安装有第二第三高速摄像机，在三部高速摄像机的拍摄方向相交处设有飞行箱体，从三个不同视图同步捕获多个昆虫飞行周期时的图像序列，获得昆虫形态学数据后与拍摄照片进行图像匹配，通过重构匹配后数据得到昆虫的运动行为。本发明整体结构简单，容易实现并且具有非常好的拍摄效果，确保获得足够的信息来重建昆虫飞行的位置和姿态。

Description

一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置
技术领域
本发明属于航空工程的仿生技术领域，具体是涉及一种关于昆虫运动的观察和采集装置，尤其是涉及一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置。
背景技术
扑翼飞行器(ornithopter)，是指像鸟类或昆虫一样通过机翼主动运动拍打空气的反力作为升力和推力的飞行器，通过机翼及尾翼的位置改变进行机动飞行。其基于仿生学原理设计制造，与固定翼和旋翼相比，扑翼的主要特点是将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，同时，具有较强的机动性。目前扑翼飞行器的发展逐渐向模拟鸟类或者模拟昆虫两个方向发展，其中，模拟昆虫飞行的微型扑翼飞行器在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务，如生化探测与环境监测，以及用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰及进行城市作战等。
目前所研究的仿生微型扑翼飞行器，主要在结构和扑动方式上模仿扑翼昆虫，但其推进效率远远低于实际的扑翼昆虫，而对于实际昆虫扑翼动作及其对空气的扰动作用，目前的研究还不够深入，因此研究昆虫实际的扑翼动作，对微型扑翼飞行器的结构和扑动方式设计上具有重要的参考意义。但因为昆虫翅膀小，在空气中运动，很难观察翅膀在运动过程中周围的空气流动情况，继而得到昆虫飞行过程中的高升力机理。
发明内容
为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置，采用多维高速拍摄局部区域内昆虫的扑翼动作，并对多个周期内的动作进行匹配，实现动作的分解，有效的分析了昆虫的扑翼动作，在得到昆虫飞行过程中的高升力机理方面起到了具有重要的作用。
本发明完整的技术方案包括：
一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置，其特征在于，包括整体支撑台，所述整体支撑台上设有横向滑移机构和纵向滑移机构，所述横向滑移机构包括设置在整体支撑台一侧并水平设置的第一滑动导轨，以及与第一滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第一丝杠螺母副，所述纵向滑移机构包括在整体支撑台一侧并垂直设置的第二滑动导轨，以及与第二滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第二丝杠螺母副，第二滑动导轨和第二丝杠螺母副之间设有可调横梁，所述可调横梁通过横向机构实现横向滑移，通过纵向滑移机构实现纵向滑移，第一滑动导轨设在第一导轨支撑上，第一丝杠螺母副设在丝杠支撑上；
所述的可调横梁包括左角度调节构件、右角度调节构件、中间横梁和高速摄像机支撑构件，所述的左右角度调节构件具有弧形滑槽，横梁可以通过在滑槽中的滑动来调整中间横梁相对于水平轴线的旋转角度，并通过紧固螺丝实现滑槽中的固定，所述高速摄像机支撑构件为L形，包括高速摄像机的安装部和与横梁的连接部，位于上方的安装部开有高速摄像机安装孔，与横梁的连接部开有一排孔，通过螺丝选择不同的孔与横梁相连，可以改变支撑构件的上下高度，从而对高速摄像机高度进行微调；
所述第一丝杠螺母副与第二丝杠螺母副结构相同，均包括减速电机、联轴器、滚珠丝杠、螺母、支撑座A和支撑座B，连接件；其中减速电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，螺母与滚珠丝杠通过螺旋副相连，连接件利用沉头螺丝固定在螺母上，滚珠丝杠与支撑座A和支撑座B相连；
所述第一滑动导轨与第二滑动导轨结构相同，均包括轨道和滑块，轨道与滑块通过滑动副相连；
所述整体支撑台与第一导轨支撑通过螺丝相连。
所述整体支撑台上安装有第二高速摄像机支撑架和第三高速摄像机支撑架，所述高速摄像机支撑构件上安装有第一高速摄像机，第二高速摄像机支撑架上安装有第二高速摄像机，第三高速摄像机支撑架安装有第三高速摄像机，第二高速摄像机支撑架和第三高速摄像机支撑架通过万向接头与整体支撑台连接；三部高速摄像机的拍摄方向相互垂直，对应笛卡尔坐标系的三轴，在三部高速摄像机的拍摄方向相交处设有飞行箱体。
在本发明的一些实施方式中，所述的可调横梁中的右角度调节构件通过螺丝与第二滚珠丝杠副中的连接件相连，左角度调节构件通过螺丝与第二滑动导轨的滑块相连；
在本发明的一些实施方式中，所述的第二滚珠丝杠副中的A支撑座和B支撑座通过沉头螺丝与丝杠支撑相连，所述的丝杠支撑通过螺丝与第一滚珠丝杠副中的连接件相连；
在本发明的一些实施方式中，所述的第二滑动导轨中的轨道通过沉头螺丝与第二导轨支撑相连。所述的第二导轨支撑通过螺丝与第一滑动导轨相连。
在本发明的一些实施方式中，所述的第一滑动导轨通过螺丝与整体支撑台上的第一导轨支撑相连；
在本发明的一些实施方式中，所述的第一滚珠丝杠副通过螺丝与整体支撑台相连。
在本发明的一些实施方式中，所述的昆虫运动采集方法，包括如下步骤：
(1)三台高速摄像机正交布置，其视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄，从三个不同视图同步捕获多个昆虫飞行周期时的图像序列。
(2)昆虫形态学数据的测量，通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描昆虫身体和翅膀的尺寸信息以获得昆虫轮廓信息。
(3)图像匹配，依次加载五个周期以上的拍摄照片与昆虫轮廓，通过对昆虫轮廓进行笛卡尔坐标系三轴方向上的平动，以及转动和扭转的耦合操作，与拍摄照片进行匹配，分别计算得到出昆虫运动的欧拉角；
(4)通过匹配后的各照片的欧拉角数据进行重构，得到昆虫的运动轨迹。
在本发明的一些实施方式中，欧拉角的计算方法为：
θ＝arcsin(-E(1,3)) (1)
Figure BDA0002089260360000041
Figure BDA0002089260360000042
θ为翅膀相对于拍动平面坐标系的俯仰角，
Figure BDA0002089260360000043
为翅膀相对于拍动平面坐标系的偏航角，φ为翅膀相对于拍动平面坐标系的翻滚角，其中E是坐标转换矩阵。
通过使用本发明的昆虫运动采集装置，获得了如下有利的技术效果：
1.通三台摄像机的布置有效地防止了昆虫身体对翅膀的遮挡，确保昆虫在做任意动作时都至少有两台摄像机拍摄到同一翅膀，获得足够的信息来重建其位置和姿态。
2.横向滑移机构实现了高速摄像机的横向自由移动，纵向滑移机构实现了高速摄像机的纵向自由移动，可调横梁实现了高速摄像机的角度转动，支撑构件实现了摄像机在纵向的位置微调，万向接头的采用可以使第二摄像机和第三摄像机能够自由转动，多自由度的设计使高速摄像机的拍摄方向更为灵活，适应不同大小和运动轨迹的昆虫运动数据采集，整体结构简单，容易实现并且具有非常好的拍摄效果。
3.通过拍摄、昆虫形态学数据的测量，图像匹配，重构，得到了参数化的昆虫运动行为细节描述，并从多个运动的维度描述昆虫的运动行为。对微型扑翼飞行器的结构和扑动方式设计上具有重要的参考和借鉴意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的昆虫运动采集装置整体结构示意图；
图2为昆虫运动采集装置整体局部示意图；
图3为角度调节构件示意图；图4为支撑构件示意图；
图5为丝杠螺母副结构示意图；
图6为滑动导轨结构示意图；
图7为实际拍摄到的昆虫翅膀图；
图8为昆虫翅膀轮廓的形态学数据测量结果；
图9为昆虫翅膀轮廓与拍摄照片的匹配结果。
附图标记：1-整体支撑台，2-第一丝杠螺母副2，3-第二丝杠螺母副，4-第一滑动导轨，5-第二滑动导轨，6-中间可调横梁，7-第一导轨支撑，8-丝杠支撑，9-角度调节构件，10-支撑构件，11-减速电机，12-连接件，13-滚珠丝杠，14-联轴器，15-支座A，16-支座B，17-螺母，18-轨道，19-滑块，20-第二高速摄像机支架，21-第三高速摄像机支架，22-飞行箱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行描述，且只适用于对发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明进行作一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本发明的一种昆虫运动采集装置，包括整体支撑台1，整体支撑台上设有横向滑移机构和纵向滑移机构，所述横向滑移机构包括设置在整体支撑台一侧并水平设置的第一滑动导轨4，以及与第一滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第一丝杠螺母副2，所述纵向滑移机构包括在整体支撑台一侧并垂直设置的第二滑动导轨5，以及与第二滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第二丝杠螺母副3，第二滑动导轨和第二丝杠螺母副之间设有可调横梁6，第一滑动导轨设在第一导轨支撑7上，第一丝杠螺母副设在丝杠支撑8上。
如图2-4所示，所述的可调横梁包括四部分，左、右角度调节构件9，中间横梁，高速摄像机支撑构件10，所述的左右角度调节构件具有弧形滑槽，横梁可以调整紧固螺丝在滑槽位置，并通过在滑槽中的滑动来调整中间横梁的角度，所述高速摄像机支撑构件为L形，包括高速摄像机的安装部和与横梁的连接部，位于上方的安装部开有高速摄像机安装孔，与横梁的连接部开有一排孔，通过螺丝选择不同的孔与横梁相连，可以改变支撑构件的上下高度，从而改变高速摄像机高度。
如图5所示，所述第一丝杠螺母副与第二丝杠螺母副结构相同，均包括减速电机11、联轴器14、滚珠丝杠13、螺母17、支撑座A15和支撑座B16，连接件12。其中减速电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，螺母与滚珠丝杠通过螺旋副相连，连接件利用沉头螺丝固定在螺母上，滚珠丝杠与支撑座A和支撑座B相连。
如图6所示，所述第一滑动导轨与第二滑动导轨结构相同，均包括轨道18和滑块19，轨道与滑块通过滑动副相连。
所述整体支撑台包括支撑台与导轨增高支撑部分，两部分通过螺丝相连。
所述的可调横梁中的右角度调节构件通过螺丝与第二滚珠丝杠副中的连接件相连，左角度调节构件通过螺丝与第二滑动导轨的滑块相连；
所述的第二滚珠丝杠副中的AB支撑座通过沉头螺丝与丝杠支撑相连，所述的丝杠支撑通过螺丝与第一滚珠丝杠副中的连接件相连；
所述的第二滑动导轨中的轨道通过沉头螺丝与第二导轨支撑相连。所述的第二导轨支撑通过螺丝与第一滑动导轨相连。
所述的第一滑动导轨通过螺丝与整体支撑台上的第一导轨支撑相连；
所述的第一滚珠丝杠副通过螺丝与整体支撑台相连。
所述整体支撑台上安装有第二高速摄像机支撑架20和第三高速摄像机支撑架21，所述高速摄像机支撑构件上安装有第一高速摄像机，第二高速摄像机支撑架上安装有第二高速摄像机，第三高速摄像机支撑架安装有第三高速摄像机，第二高速摄像机支撑架和第三高速摄像机支撑架通过万向接头与整体支撑台连接；三部高速摄像机的拍摄方向相互垂直，对应笛卡尔坐标系的三轴，在三部高速摄像机的拍摄方向相交处设有飞行箱体23。
本发明的昆虫运动采集方法为：通过三台高速摄像机的正交布置，从三个不同视图同步捕获昆虫飞行时的图像序列。三台高速摄像机的视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄。三台摄像机的布置有效地防止了昆虫身体对翅膀的遮挡，确保昆虫在做任意动作时都至少有两台摄像机拍摄到同一翅膀，拥有足够的信息来重建其位置和姿态。如图7所示，为本发明实际拍摄到的昆虫翅膀图。
形态学数据的测量主要通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描身体和翅膀的轮廓来获得尺寸信息，如图8所示。
在后处理软件中，通过把五个周期以上的拍摄照片与昆虫轮廓加载进去，通过对昆虫轮廓进行笛卡尔坐标系三轴方向上的平动，以及转动和扭转的耦合操作，与各拍摄照片依次匹配，算出昆虫运动的三个欧拉角，为后期的样机制作，仿真研究做铺垫，如图9所示，欧拉角的计算公式为：
θ＝arcsin(-E(1,3)) (1)
Figure BDA0002089260360000071
Figure BDA0002089260360000072
θ为翅膀相对于拍动平面坐标系的俯仰角，
Figure BDA0002089260360000073
为翅膀相对于拍动平面坐标系的偏航角，φ为翅膀相对于拍动平面坐标系的翻滚角，其中E是坐标转换矩阵。
通过匹配后的各照片的欧拉角数据进行重构，得到昆虫的运动轨迹。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三台高速摄像机的昆虫运动采集装置进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所用的昆虫运动采集装置包括整体支撑台，所述整体支撑台上设有横向滑移机构和纵向滑移机构，所述横向滑移机构包括设置在整体支撑台一侧并水平设置的第一滑动导轨，以及与第一滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第一丝杠螺母副，所述纵向滑移机构包括在整体支撑台一侧并垂直设置的第二滑动导轨，以及与第二滑动导轨平行，位于整体支撑台另一侧的第二丝杠螺母副，第二滑动导轨和第二丝杠螺母副之间设有可调横梁，所述可调横梁通过横向滑移机构实现横向滑移，通过纵向滑移机构实现纵向滑移，第一滑动导轨设在第一导轨支撑上，第一丝杠螺母副设在丝杠支撑上；
所述的可调横梁包括左角度调节构件、右角度调节构件、中间横梁和高速摄像机支撑构件，所述的左右角度调节构件具有弧形滑槽，横梁可以通过在滑槽中的滑动来调整中间横梁相对于水平轴线的旋转角度，并通过紧固螺丝实现滑槽中的固定，所述高速摄像机支撑构件为L形，包括高速摄像机的安装部和与横梁的连接部，位于上方的安装部开有高速摄像机安装孔，与横梁的连接部开有一排孔，通过螺丝选择不同的孔与横梁相连，可以改变支撑构件的上下高度，从而对高速摄像机高度进行微调；
所述第一丝杠螺母副与第二丝杠螺母副结构相同，均包括减速电机、联轴器、滚珠丝杠、螺母、支撑座A和支撑座B，连接件；其中减速电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，螺母与滚珠丝杠通过螺旋副相连，连接件利用沉头螺丝固定在螺母上，滚珠丝杠与支撑座A和支撑座B相连；
所述第一滑动导轨与第二滑动导轨结构相同，均包括轨道和滑块，轨道与滑块通过滑动副相连；
所述整体支撑台与第一导轨支撑通过螺丝相连；
所述整体支撑台上安装有第二高速摄像机支撑架和第三高速摄像机支撑架，所述高速摄像机支撑构件上安装有第一高速摄像机，第二高速摄像机支撑架上安装有第二高速摄像机，第三高速摄像机支撑架安装有第三高速摄像机，第二高速摄像机支撑架和第三高速摄像机支撑架通过万向接头与整体支撑台连接；在三部高速摄像机的拍摄方向相交处设有飞行箱体；
进行昆虫运动采集的方法包括如下步骤：
(1)使三部高速摄像机的拍摄方向相互垂直正交布置，对应笛卡尔坐标系的三轴，其视场相交于飞行箱体的中部一小块飞行区域内，当昆虫飞入这一区域后触发拍摄，从三个不同视图同步捕获多个昆虫飞行周期时的图像序列；
(2)昆虫形态学数据的测量，通过高精度天平称量昆虫身体及翅膀的质量，并扫描昆虫身体和翅膀的尺寸信息以获得昆虫轮廓信息；
(3)图像匹配，依次加载五个周期以上的拍摄照片与昆虫轮廓，通过对昆虫轮廓进行笛卡尔坐标系三轴方向上的平动，以及转动和扭转的耦合操作，与拍摄照片进行匹配，分别计算得到出昆虫运动的欧拉角；
(4)通过重构匹配后的各照片的欧拉角数据，得到昆虫的运动行为；
所述欧拉角的计算方法为：
θ＝arcsin(-E(1,3)) (1)
Figure FDA0002614241950000021
Figure FDA0002614241950000022
式中，θ为翅膀相对于拍动平面坐标系的俯仰角，
Figure FDA0002614241950000023
为翅膀相对于拍动平面坐标系的偏航角，φ为翅膀相对于拍动平面坐标系的翻滚角，E是坐标转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所述的可调横梁中的右角度调节构件通过螺丝与第二滚珠丝杠副中的连接件相连，左角度调节构件通过螺丝与第二滑动导轨的滑块相连。
3.根据权利要求2所述的一种进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所述的第二滚珠丝杠副中的A支撑座和B支撑座通过沉头螺丝与丝杠支撑相连，所述的丝杠支撑通过螺丝与第一滚珠丝杠副中的连接件相连。
4.根据权利要求3所述的一种进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所述的第二滑动导轨中的轨道通过沉头螺丝与第二导轨支撑相连；所述的第二导轨支撑通过螺丝与第一滑动导轨相连。
5.根据权利要求4所述的一种进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所述的第一滑动导轨通过螺丝与整体支撑台上的第一导轨支撑相连。
6.根据权利要求5所述的一种进行昆虫运动采集的方法，其特征在于，所述的第一滚珠丝杠副通过螺丝与整体支撑台相连。
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