CN110702946A - 一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，该方法包括：利用摄像机采集与低频多轴加速度计具有相同位移的特征标志运动序列图像，基于单目视觉方法测量特征标志的位移；通过测量的特征标志位移获取低频多轴加速度计的激励加速度，并采集低频多轴加速度计的输出电压信号；然后基于时空同步技术实现低频多轴加速度计激励加速度信号与其输出信号的空间域对齐；最后基于灵敏度矩阵实现低频多轴加速度计的灵敏度幅值与相位校准。相比于现有的校准方法，本方法在保证校准精度的前提下，可避免重复安装、提高校准效率、实现宽频率范围内的低频多轴加速度计校准。

Description

一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法

技术领域

本发明属于振动计量与测试领域，更为具体地讲，尤其涉及一种低频多轴加速度计灵敏度校准方法。

背景技术

低频加速度计正越来越多地广泛用于风力发电、地震、桥梁及建筑结构安全领域的振动监测。为更好地满足实际环境的振动监测需求，低频多轴加速度计常用于振动监测。低频多轴加速度计的灵敏度在其实际应用中作为已知值，直接影响其振动测量结果的可靠性。因此，研究一种高精度的低频多轴加速度计灵敏度校准方法以保证其振动测量精度变得尤为重要。

目前，常用的低频多轴加速度计校准方包括基于单分量振动台的激光干涉法，基于三分量振动台的激光干涉法以及基于重力发生装置的地球重力法。基于单分量振动台的激光干涉法校准系统简单、方便，可实现频率低频0.1Hz的校准，但其需要重复多次安装低频多轴加速度计，重复安装增加校准时间，且引入额外的校准误差。基于三分量振动台的激光干涉法利用三分量振动台为低频多轴加速度计提供多个轴向的激励加速度，仅需一次即可实现低频多轴加速度计多个轴向的灵敏度校准，但其校准系统复杂、成本高，且只能实现频率高于5Hz的校准。基于重力发生装置的地球重力法通过转台向低频多轴加速度计提供峰值恒定为当地重力加速度的正弦激励，该方法可同时实现低频多轴加速度计两个轴向的灵敏度校准。但受到转台离心加速度的影响，其校准频率通常受限于DC-5Hz。传统的振动校准方法无法满足宽频率范围内高精度的低频多轴加速度计校准需求。基于单目视觉的测量方法因其具有高效、灵活、高精度而广泛用于精密测量领域，故可通过单目视觉方法实现低频多轴加速度计灵敏度的高精度校准。

因此，针对目前振动校准方法对于低频多轴加速度计校准存在重复安装误差、校准时间长，或频率范围有限、无法实现较低频率校准的不足，本发明提出一种可提升校准效率，多个轴向仅需单次安装，且校准频率范围宽、频率低的低频多轴加速度计校准方法。

发明内容

针对目前对低频多轴加速度计的校准存在重复安装误差、校准时间长、或校准频率范围有限、无法适用于低频率校准、系统复杂且成本高等不足，本发明提供一种高效、低频率的低频多轴加速度计校准方法，包括：

基于MV方法的特征标志位移测量：用于确定低频多轴加速度计的激励位移；包括：基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取特征标志运动序列图像的特征边缘，利用最小二乘法拟合特征边缘直线，并计算拟合边缘直线的位移；

低频多轴加速度计激励加速度测量与其输出电压信号的采集：摄像机采集序列图像的同时开始采集低频多轴加速度计的输出电压信号，通过测量的特征标志位移解算低频多轴加速度计的激励加速度；

低频多轴加速度计激励加速度信号与其输出电压信号空间对齐位置的相位解算：利用低频两分量振动台回零位置的激励加速度与该振动台零编码输出脉冲时刻的输出电压信号位置相对应实现激励加速度信号与输出电压信号的空间域对齐，采用SAM拟合激励加速度信号与输出电压信号，计算空间对齐位置的激励加速度信号与输出电压信号的相位；

低频多轴加速度计的灵敏度解算：利用计算的空间对齐位置激励加速度信号与输出电压信号的相位实现基于灵敏度矩阵的低频多轴加速度计灵敏度幅值与相位求解。

一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，所述校准方法包括以下步骤，

S1：低频多轴加速度计与由四个圆围绕一个矩形组成的特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，摄像机采集与低频多轴加速度计具有相同位移的特征标志运动序列图像，基于MV方法实现特征标志的位移测量；

S2：摄像机采集序列图像的同时开始采集低频多轴加速度计的输出电压信号，通过测量的标志位移求解低频多轴加速度计的激励加速度；

S3：基于时空同步技术实现低频多轴加速度计的激励加速度信及其输出电压信号在空间域的对齐，并采用正弦逼近法SAM拟合激励加速度信号与输出电压信号，进而获取激励加速度信号与输出电压信号的拟合峰值以及空间对齐位置的相位；

S4：基于灵敏度矩阵与获取的拟合峰值及空间对齐位置的相位解算低频多轴加速度计的灵敏度幅值与相位。

基于MV方法的特征标志的位移测量，具体包括：

(1)特征标志运动序列图像的采集；

固定低频多轴加速度计与特征标志于低频两分量振动台的工作台面使特征标志上矩形长边与短边边缘分别沿低频多轴加速度计的X与Y轴向运动，摄像机采集足够帧数的特征标志运动序列图像，采集的帧数能够充分反映特征标志的运动，整个运动周期内的特征标志充满摄像机的视场；

(2)特征标志运动序列图像的特征边缘提取；

对于采集的特征标志运动序列图像F_j(x,y)，其中j＝1,2,…,N，N为采集的序列图像帧数，(x,y)为图像的像素坐标；选用具有三边缘参数d₁、d₂及φ的Zernike矩亚像素边缘检测方法提取特征边缘点的亚像素坐标(x_sub,y_sub)：

其中，(x₀,y₀)为Canny算子提取的特征边缘点像素级坐标，边缘参数d₁、d₂及φ由F_j(x,y)与Zernike矩模板卷积计算的不同阶次正交矩获得，M为Zernike矩的模板尺寸；利用由摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将提取的亚像素坐标转换为相应的世界坐标；基于最小二乘法拟合提取特征边缘的世界坐标点，获取特征标志的矩形长边边缘拟合直线{l_j,X1,l_j,X2}、短边边缘拟合直线{l_j,Y1,l_j,Y2}，l_j,X1与l_j,X2，l_j,Y1与l_j,Y2具有一致的位移；此外，采集振动台工作台面回零位置的特征标志图像F_r(x,y)，获取其特征边缘直线{l_r,X1,l_r,X2}与{l_r,Y1,l_r,Y2}；

(3)特征标志的位移；

选取F_r(x,y)的边缘为参考边缘，计算F_j(x,y)的边缘与F_r(x,y)的边缘之间的距离(d_j,X1,d_j,X2)与(d_j,Y1,d_j,Y2)，取d_j,X1与d_j,X2的平均值

d_j,Y1与d_j,Y2的平均值

分别为F_j(x,y)到F_r(x,y)在X与Y方向的位移。

所述低频多轴加速度计沿X与Y方向的激励加速度a_X与a_Y通过测量位移的二阶微分获得，即：

其中，t_j为特征标志图像的采样时间，ω_v为振动角频率。

对于低频多轴加速度计的激励加速度a_X(t_j)与a_Y(t_j)，以及采集的低频多轴加速度计X与Y轴向的输出电压信号u_X(t_i)与u_Y(t_i)，t_i为输出电压信号的采样时间，i＝1,2,…,K；利用SAM分别拟合激励加速度与输出电压信号：

通过求解由N帧序列图像采样时刻及对应的X与Y方向激励加速度组成如公式(3)的方程组获得正弦参数A_aX、B_aX及C_aX，A_aY、B_aY及C_aY；求解K个采样时刻及对应的X与Y轴向输出电压信号组成如公式(4)的方程组获得正弦参数A_uX、B_uX及C_uX，A_uY、B_uY及C_uY；X与Y方向的拟合激励加速度峰值a_pX与a_pY分别为

与

X与Y轴向的输出电压信号拟合峰值u_pX与u_pY分别为

与

低频两分量振动台回零位置时的低频多轴加速度计的激励加速度信号位置对应于振动台零编码器输出脉冲时刻的输出信号位置；则空间对齐位置的激励加速度信号的相位

与

为：

空间对齐位置的输出电压信号的相位

与

为：

其中，t_Z,X与t_Z,Y分别为低频两分量振动台X与Y方向的零编码器输出脉冲时刻，a(t_Z,X)与a(t_Z,Y)分别为该振动台工作台面回零位置时沿X与Y方向的激励加速度。

低频多轴加速度计X与Y轴向的激励加速度与其对应输出电压信号之间的关系描述为：

其中S_XX与S_YY分别为低频多轴加速度计X与Y轴向的灵敏度；进一步地，S_XX与S_YY为：

低频多轴加速度计X与Y轴向的灵敏度幅值为u_p,X/a_p,X与u_p,Y/a_p,Y，灵敏度相位为

与

校准不同频率下的灵敏度可确定低频多轴加速度计的频率特性。

低频多轴加速度计灵敏度校准方法的校准装置，该装置包括：低频两分量振动台(1)、特征标志(2)、低频多轴加速度计(3)、照明设备(4)、摄像机固定装置(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、电压信号采集与传输设备(8)和处理与显示单元(9)；

低频两分量振动台(1)为低频多轴加速度计(3)提供激励加速度；特征标志(2)与低频多轴加速度计(3)紧固于低频两分量振动台(1)的工作台面；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定装置(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于低频两分量程振动台(1)的工作台面；采集与成像设备(6)用于采集特征标志(2)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输已采集的运动序列图像；电压信号采集与传输设备(8)用于采集传输低频多轴加速度计的输出电压信号；处理与显示单元(9)处理已采集的运动序列图像与输出电压信号，保存与显示灵敏度校准结果。

本发明低频多轴加速度计校准方法具有如下优势：

⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可同时适用于多个不同型号与尺寸的低频多轴加速度计校准。

⑵本发明方法校准过程简单、灵活、系统成本低，对于低频率范围内多轴加速度计的校准只需一个摄像机。

⑶本发明方法通过在空间域对齐低频多轴加速度计的激励加速度信号与输出电压信号改善其灵敏度校准精度。

⑷本发明方法基于灵敏度矩阵与空间对齐位置的相位解算低频多轴加速度计的灵敏度，只需单次安装即可同时实现低频多轴加速度计多个轴向的灵敏度幅值与相位校准。

⑸本发明方法属于低频振动校准方法，能够在低频率、宽频率范围内实现高精度的低频多轴加速度计校准。

附图说明

附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；

附图2为一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法流程图；

附图3为低频多轴加速度计激励加速度测量流程图；

附图4为基于时空同步技术的低频多轴加速度计灵敏度解算流程图；

附图5-6为本发明方法具体实施实例对低频三轴向加速度计的灵敏度校准结果图。

具体实施方式

为解决现有振动校准方法对低频多轴加速度计校准存在校准频率范围有限、系统复杂且成本高、不适用于低频率高精度校准的问题，本发明提供了一种基于单目视觉的低频多轴加速度计校准方法，本发明方法对于宽频率范围内的低多轴加速度计校准可获得较高的灵敏度幅值与相位校准精度，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。

参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：低频两分量振动台(1)、特征标志(2)、低频多轴加速度计(3)、照明设备(4)、摄像机固定装置(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、电压信号采集与传输设备(8)、处理与显示单元(9)。其特征在于：低频两分量振动台(1)为低频多轴加速度计(3)提供激励加速度；特征标志(2)与低频多轴加速度计(3)紧固于低频两分量振动台(1)的工作台面；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定装置(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于低频两分量程振动台(1)的工作台面；采集与成像设备(6)用于采集特征标志(2)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；电压信号采集与传输设备(8)用于采集传输低频多轴加速度计的输出电压信号；处理与显示单元(9)处理已采集的运动序列图像与输出电压信号，保存与显示灵敏度校准结果。

参考图2为一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法流程图。本发明低频振动校准方法主要包括以下步骤：

步骤S10：采集足够帧数的特征标志运动序列图像，基于MV方法实现特征标志的位移测量；

步骤S20：低频多轴加速度计的激励加速度测量，其包括：摄像机采集特征标志的同时开始采集低频多轴加速度计的输出电压信号，利用测量的特征标志位移求解低频多轴加速度计多个轴向的激励加速度；

步骤S30：低频多轴加速度计激励加速度信号与输出信号空间对齐位置的相位解算，其包括：利用低频两分量振动台回零位置的激励加速度与该振动台零编码输出脉冲时刻的输出电压信号位置相对应实现激励加速度信号与输出电压信号在空间域的对齐，采用SAM拟合激励加速度信号与输出电压信号，并计算空间对齐位置的激励加速度信号与输出电压信号的相位；

步骤S40：低频多轴加速度计的灵敏度求解：基于灵敏度矩阵与计算的空间对齐位置的相位解算低频多轴加速度计的灵敏度幅值与相位。

参考图3为低频多轴加速度计激励加速度测量流程图。本发明低频多轴加速度计激励加速度测量包括如下步骤：

步骤S11：读入采集的特征标志运动序列图像；

步骤S12：基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取特征标志图像上特征边缘点的亚像素坐标；

步骤S13：利用摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标之间的对应关系将提取的亚像素坐标点转换为相应的世界坐标；

步骤S14：基于最小二乘法拟合特征边缘的世界坐标点，以得到其拟合的边缘直线；

步骤S15：选择低频两分量振动台回零位置时的特征标志上的特征边缘为参考边缘，计算序列图像的特征边缘与参考边缘的位移；

步骤S16：通过对获取的特征标志的位移二阶微分求解低频多轴加速度计的激励加速度。

参考图4为基于时空同步技术的低频多轴加速度计灵敏度解算流程图。本发明基于时空同步技术的低频多轴加速度计灵敏度解算包括如下步骤：

步骤S21：读入计算的低频多轴加速度计的激励加速度信号与采集的对应轴向输出电压信号；

步骤S22：利用低频两分量振动台回零位置的激励加速度与该振动台零编码器输出脉冲时刻的输出电压信号位置相对应实现激励加速信号与输出信号在空间域的对齐；

步骤S23：采用SAM拟合激励加速度信号与输出电压信号，以获得相应的拟合峰值；

步骤S24：求解空间对齐位置激励加速信号与输出信号的相位；

步骤S25：基于灵敏度矩阵与求解的空间对齐位置的相位解算低频多轴加速度计的灵敏度；

步骤S26：显示、保存低频多轴加速度计的灵敏度幅值与相位。

本实施实例装置的具体参数为：频率范围为0.01-100Hz、最大峰-峰值位移为200mm的低频两分量振动台，高对比度特征标志选用由四个半径为15mm的圆围绕一个尺寸为60mmx40mm矩形的金属板，被校低频多轴加速度计选用MSV3100A-02三轴向加速度计，选用最大分辨率为9百万像素、最大帧率为1000fps的IDTOS10-V3-4K工业摄像机，镜头焦距为25mm，照明设备选用60W的白炽灯，电压信号采集与传输设备选用采样频率范围为1Hz-216kHz的INV3062C。

为验证本发明低频多轴加速度计灵敏度校准方法的校准精度，利用本发明校准方法实现了0.5-10Hz频率范围内的三轴向加速度计的灵敏度幅值与相位校准。参考图5-6分别为本发明方法具体实施实例对三轴向加速度计的X、Y轴向的灵敏度幅值与相位校准结果图，本次校准的低频两分量振动台提供的最大峰-峰位移为180mm。校准的灵敏度幅值与相位结果与加速度计出厂证书提供的灵敏度数值相似。

上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，其特征在于：所述校准方法包括以下步骤，

S1：低频多轴加速度计与由四个圆围绕一个矩形组成的特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，摄像机采集与低频多轴加速度计具有相同位移的特征标志运动序列图像，基于MV方法实现特征标志的位移测量；

S2：摄像机采集序列图像的同时开始采集低频多轴加速度计的输出电压信号，通过测量的标志位移求解低频多轴加速度计的激励加速度；

S3：基于时空同步技术实现低频多轴加速度计的激励加速度信及其输出电压信号在空间域的对齐，并采用正弦逼近法SAM拟合激励加速度信号与输出电压信号，进而获取激励加速度信号与输出电压信号的拟合峰值以及空间对齐位置的相位；

S4：基于灵敏度矩阵与获取的拟合峰值及空间对齐位置的相位解算低频多轴加速度计的灵敏度幅值与相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，其特征在于：

基于MV方法的特征标志的位移测量，具体包括：

(1)特征标志运动序列图像的采集；

固定低频多轴加速度计与特征标志于低频两分量振动台的工作台面使特征标志上矩形长边与短边边缘分别沿低频多轴加速度计的X与Y轴向运动，摄像机采集足够帧数的特征标志运动序列图像，采集的帧数能够充分反映特征标志的运动，整个运动周期内的特征标志充满摄像机的视场；

(2)特征标志运动序列图像的特征边缘提取；

对于采集的特征标志运动序列图像F_j(x,y)，其中j＝1,2,…,N，N为采集的序列图像帧数，(x,y)为图像的像素坐标；选用具有三边缘参数d₁、d₂及φ的Zernike矩亚像素边缘检测方法提取特征边缘点的亚像素坐标(x_sub,y_sub)：

其中，(x₀,y₀)为Canny算子提取的特征边缘点像素级坐标，边缘参数d₁、d₂及φ由F_j(x,y)与Zernike矩模板卷积计算的不同阶次正交矩获得，M为Zernike矩的模板尺寸；利用由摄像机标定确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将提取的亚像素坐标转换为相应的世界坐标；基于最小二乘法拟合提取特征边缘的世界坐标点，获取特征标志的矩形长边边缘拟合直线{l_j,X1,l_j,X2}、短边边缘拟合直线{l_j,Y1,l_j,Y2}，l_j,X1与l_j,X2，l_j,Y1与l_j,Y2具有一致的位移；此外，采集振动台工作台面回零位置的特征标志图像F_r(x,y)，获取其特征边缘直线{l_r,X1,l_r,X2}与{l_r,Y1,l_r,Y2}；

(3)特征标志的位移；

选取F_r(x,y)的边缘为参考边缘，计算F_j(x,y)的边缘与F_r(x,y)的边缘之间的距离(d_j,X1,d_j,X2)与(d_j,Y1,d_j,Y2)，取d_j,X1与d_j,X2的平均值

d_j,Y1与d_j,Y2的平均值

分别为F_j(x,y)到F_r(x,y)在X与Y方向的位移。

3.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，其特征在于：

所述低频多轴加速度计沿X与Y方向的激励加速度a_X与a_Y通过测量位移的二阶微分获得，即：

其中，t_j为特征标志图像的采样时间，ω_v为振动角频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，其特征在于：

对于低频多轴加速度计的激励加速度a_X(t_j)与a_Y(t_j)，以及采集的低频多轴加速度计X与Y轴向的输出电压信号u_X(t_i)与u_Y(t_i)，t_i为输出电压信号的采样时间，i＝1,2,…,K；利用SAM分别拟合激励加速度与输出电压信号：

通过求解由N帧序列图像采样时刻及对应的X与Y方向激励加速度组成如公式(3)的方程组获得正弦参数A_aX、B_aX及C_aX，A_aY、B_aY及C_aY；求解K个采样时刻及对应的X与Y轴向输出电压信号组成如公式(4)的方程组获得正弦参数A_uX、B_uX及C_uX，A_uY、B_uY及C_uY；X与Y方向的拟合激励加速度峰值a_pX与a_pY分别为

与

X与Y轴向的输出电压信号拟合峰值u_pX与u_pY分别为

与

低频两分量振动台回零位置时的低频多轴加速度计的激励加速度信号位置对应于振动台零编码器输出脉冲时刻的输出信号位置；则空间对齐位置的激励加速度信号的相位

与

为：

空间对齐位置的输出电压信号的相位

与为：

其中，t_Z,X与t_Z,Y分别为低频两分量振动台X与Y方向的零编码器输出脉冲时刻，a(t_Z,X)与a(t_Z,Y)分别为该振动台工作台面回零位置时沿X与Y方向的激励加速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的低频多轴加速度计灵敏度校准方法，其特征在于：

低频多轴加速度计X与Y轴向的激励加速度与其对应输出电压信号之间的关系描述为：

其中S_XX与S_YY分别为低频多轴加速度计X与Y轴向的灵敏度；进一步地，S_XX与S_YY为：

低频多轴加速度计X与Y轴向的灵敏度幅值为u_p,X/a_p,X与u_p,Y/a_p,Y，灵敏度相位为

与

校准不同频率下的灵敏度可确定低频多轴加速度计的频率特性。

6.根据权利要求1所述低频多轴加速度计灵敏度校准方法的校准装置，其特征在于：

该装置包括：低频两分量振动台(1)、特征标志(2)、低频多轴加速度计(3)、照明设备(4)、摄像机固定装置(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、电压信号采集与传输设备(8)和处理与显示单元(9)；

低频两分量振动台(1)为低频多轴加速度计(3)提供激励加速度；特征标志(2)与低频多轴加速度计(3)紧固于低频两分量振动台(1)的工作台面；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定装置(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于低频两分量程振动台(1)的工作台面；采集与成像设备(6)用于采集特征标志(2)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输已采集的运动序列图像；电压信号采集与传输设备(8)用于采集传输低频多轴加速度计的输出电压信号；处理与显示单元(9)处理已采集的运动序列图像与输出电压信号，保存与显示灵敏度校准结果。

Images