CN1765701A - 一种高扇翅频昆虫飞行运动观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于昆虫飞行运动参数测量技术，涉及一种观测高扇翅频昆虫飞行运动过程的装置。它包括平台1、高速摄像机3、结构光投射器4、背景灯5、计算机6，其特征在于：采用光栅型结构光投射器，在高速摄像机3的正下方有一个内反射镜7，它的两侧各有一个外反射镜8。本发明大大降低了观测装置成本，有效解决了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动变形的同步观测问题。

Description

一种高扇翅频昆虫飞行运动观测装置

技术领域

本发明属于昆虫飞行运动参数测量技术，涉及一种观测高扇翅频昆虫飞行运动过程的装置。

背景技术

昆虫飞行运动参数测量是近些年昆虫飞行运动仿生领域研究的重点。通过测量昆虫飞行过程中翅膀及身体的运动变化，可以对昆虫飞行的运动机制给出最直观的解释，进而完善现有的空气动力学原理，为微型飞行器(MAV)的研制提供新的理论依据。

昆虫飞行运动参数主要包括昆虫翅膀运动的各种角度变化(如扇翅角、扭转角、摆动角)、翅面变形(如弓状变形)及昆虫身体姿态等。从研究对象来看，国际上对低扇翅频昆虫(如蜻蜓)的观测已经取得了重大突破，而对于高扇翅频昆虫(如蜜蜂、苍蝇等)，多是针对固定飞行状态下昆虫单侧翅膀的运动进行观测，而对其双侧翅膀运动的同步观测目前国际上仍没有比较好的解决方案。相对于单翅运动，昆虫的双翅运动具有一定的特殊性，如转弯飞行时，昆虫双侧翅膀的运动是不对称的，却又有其内在规律。此外，相对于低扇翅频昆虫，高扇翅频昆虫形体小、速度快，研究这类昆虫的飞行，无论是对研制高机动性的微小型扑翼式飞行器，还是对完善昆虫飞行的空气动力学原理都是十分必要的。但是，由于高扇翅频昆虫的扇翅频率高、扇翅幅度大，给实际观测带来了较大的困难，这也是目前这一领域研究进展较为缓慢的主要原因。

对于昆虫飞行运动参数的测量，目前国际上通常采用的是以高速摄像机为核心的光学非接触式观测系统。根据具体的系统组成及测量方法不同，又可分为以下几种：

(1)单摄像机系统。1989年，Dudley和Ellington在观测大黄蜂(Bumblebee)时使用的是单摄像机系统，如图1所示。他们在昆虫飞行区的斜上方安装一台高速摄像机，用来记录昆虫飞行的某一段图像序列，从而实现了对平稳飞行状态下大黄蜂单侧翅膀运动参数的测量。该系统的主要缺点是由于大黄蜂扇翅幅度大，系统拍摄盲区问题较为严重，因此在进行翅膀运动参数重构时采用了对称性假设，即假设昆虫双侧翅膀的运动是对称的，在此基础上根据双侧翅膀的观测信息实现单侧翅膀的运动参数重构，其结果具有不合理性。

(2)多结构光传感器系统。2000年，Zeng等人在观测大黄蜂的固定飞行时使用了双结构光传感器系统，如图2所示。该系统主要由两台高速摄像机和两支结构光投射器分别构成两个结构光传感器，从而实现对大黄蜂单侧翅膀运动变形的观测。该系统的优点是利用双传感器结构解决了由大黄蜂扇翅幅度大所造成的观测盲区问题，并根据计算机主动三维视觉中的结构光原理，成功实现了对大黄蜂单侧翅膀运动变形的高精度测量。该系统的缺点是多摄像机的使用不仅大大提高了系统成本，同时还要解决多机的同步问题，给实际观测带来了难度。此外，该系统的双传感器结构只是针对昆虫单侧翅膀的运动观测所设计的，没有完成对大黄蜂双侧翅膀运动变形的同步观测，测量结果不够全面。

综上所述，现有观测系统的不足之处主要是：

第一、单摄像机结构不能有效解决高扇翅频昆虫双侧翅膀运动观测中的盲区问题，一般只能得到单侧翅膀的测量结果。

第二、多传感器结构虽然可以通过多角度观测来解决观测盲区问题，但是一方面系统成本会提高，另一方面还要解决多摄像机同步拍摄和光条识别等相关难题，实验难度较大。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种针对高扇翅频昆虫双侧翅膀运动参数测量的、高精度、低成本、无观测盲区的同步观测装置。

本发明的技术方案是：一种高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，包括一个平台1；一个固定在平台上的摄影支架2和安装在该支架上的高速摄像机3，高速摄像机3的镜头垂直朝向昆虫飞行区；两个由支架固定的结构光投射器4，其输出的结构光朝向昆虫飞行区；两个固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯5；一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机6；其特征在于：

(1)所说的结构光投射器4是光栅型结构光投射器，两个投射器4位于昆虫飞行区两侧，每个投射器4与昆虫飞行区的水平角度和俯仰角度为45°±10°；

(2)在高速摄像机3的正下方有一个固定在摄影支架2上的内反射镜7，它是一个截面为等腰直角三角形的三棱柱反射镜，三棱柱的两个侧面为反射面，其底面保持水平，高速摄像机3的镜头中心线正对内反射镜7的直角侧边；在内反射镜7的两侧各有一个通过支架固定的外反射镜8，分别与内反射镜7的两个反射面对应形成两个反射光路，使昆虫飞行区的景象通过两个外反射镜和相应的内反射镜的反射面所形成的两个反射光路，同时摄入高速摄像机3的镜头。

本发明的优点是：本发明建立了以光栅型结构光为基础的虚拟式多视觉传感器结构，成功的将双目系统与结构光结合在一起，在大大降低观测装置成本的同时，有效解决了高扇翅频昆虫双侧翅膀运动变形的同步观测问题。

附图说明

图1是目前单摄像机系统结构示意图。

图2是目前多结构光传感器系统结构示意图。

图3是光栅型结构光测量原理图示意图。

图4是单摄像机拍摄出现盲区示意图。

图5是双结构光传感器结构示意图。

图6是本发明观测装置结构示意图。

图7是本发明双虚拟摄像机结构示意图。

图8是本发明中摄影支架2一种实施例的结构图，其中左边为主视图，右边为左侧视图。

图9是本发明中外反射镜支架一种实施例的结构图，其中左边为主视图，右边为左侧视图。

图10是本发明中内反射镜一种实施例的结构图，其中左边为主视图，右边为左侧视图。

图11是本发明中外反射镜一种实施例的结构图，其中左边为主视图，右边为左侧视图。

图12是激光器安放位置关系示意图。其中左边为主视图，右边为A向视图。

图13是激光器支架一种实施例的结构图，其中左边为主视图，右边为左侧视图。

图14是利用本发明装置所拍摄的部分蜜蜂翅膀运动图像及相应的三维重构结果。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明主要是基于结构光三维视觉原理，利用分光光路，建立以光栅型结构光为基础的虚拟式多视觉传感器结构。

首先，简要介绍光栅型结构光三维视觉原理。光栅型结构光的基本原理就是主动视觉中的结构光三角法原理，即根据由被测物体、结构光光源、摄像机所构成的三角结构对被测物体进行三维形貌测量。图3为该结构的简单示意图，图中的结构光是由投射器发出的一系列光平面，与被测物体表面相交后形成一系列光条，并在摄像机像平面上形成相应的图像。对于光条上的每一点，可以看成是该点所对应的投影线与结构光光平面的交点，根据所标定的结构光平面及摄像机成像模型，就可以确定出该点的空间位置。

本发明解决高扇翅频昆虫观测盲区问题的思路如下：结构光法是目前昆虫飞行运动参数测量方法中精细程度最高的，但是在对高扇翅频昆虫的飞行运动进行观测时盲区问题较为严重，这里的盲区主要指摄像机的拍摄盲区和结构光投射器的投射盲区。图4是传统的单摄像机观测系统结构示意图，由于高扇翅频昆虫的扇翅幅度大，当昆虫双翅处于上扇极限位置附近时，翅面与摄像机投影线之间的夹角很小，除了较窄的轮廓信息外，摄像机很难拍到翅面图像，重构难度较大。图5是针对双侧翅膀运动同步观测所设计的双结构光传感器示意图，实际观测时，若有两台摄像机分别从不同角度对两侧翅膀的不同运动范围进行拍摄，就可有效的解决摄像机的拍摄盲区问题。对于结构光投射器也存在类似的投射盲区问题，即当采用单投射器时，昆虫某些运动时刻的翅面与结构光光平面之间的夹角很小，使得翅膀表面几乎没有反射的光条，进而导致光条信息的丢失，而采用双投射器结构，则可以使其投射角度得到有效的补偿。两支投射器与两台摄像机即构成了双结构光传感器结构，从而可以实现对高扇翅频昆虫双侧翅膀运动的同步观测。

基于上述发明构思，本观测系统采用以光栅型结构光为核心的双虚拟传感器结构，由高速摄像机、分光光路、光栅型结构光投射器、照明光源构成，各部件均通过支架固定在光学平台上，如图6所示。本发明高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，包括一个平台1；一个固定在平台上的摄影支架2和安装在该支架上的高速摄像机3，高速摄像机3的镜头垂直朝向昆虫飞行区；两个由支架固定的结构光投射器4，其输出的结构光朝向昆虫飞行区；两个固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯5；一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机6；其特征在于：

(1)所说的结构光投射器4是光栅型结构光投射器，两个投射器4位于昆虫飞行区两侧，每个投射器4与昆虫飞行区的水平角度和俯仰角度为45°±10°；

(2)在高速摄像机3的正下方有一个固定在摄影支架2上的内反射镜7，它是一个截面为等腰直角三角形的三棱柱反射镜，三棱柱的两个侧面为反射面，其底面保持水平，高速摄像机3的镜头中心线正对内反射镜7的直角侧边；在内反射镜7的两侧各有一个通过支架固定的外反射镜8，分别与内反射镜7的两个反射面对应形成两个反射光路，使昆虫飞行区的景象通过两个外反射镜和相应的内反射镜的反射面所形成的两个反射光路，同时摄入高速摄像机3的镜头。

高速摄像机与分光光路构成如图7所示的双虚拟摄像机结构。其中，高速摄像机通过分光光路的反射成像，分别在左右两侧形成两台虚拟摄像机。高速摄像机选用美国Red Lake公司生产的MotionPro Model 10000数字式摄像机，最高采集频率为10000帧/s，摄像机镜头选用AVENIR 50mm长焦镜头。分光光路由一个截面为等腰直角三角形的内反射镜7和两片外反射镜8构成。摄像机与内反射镜通过螺纹连接固定在摄像机支架上，昆虫的飞行区位于镜头中心线的正下方。参见图8，这是所说的摄影支架2的一个实施例。它是一个门形架，两个门框的底端有垫脚，通过螺钉固定在平台1上；高速摄像机3垂直固定在门梁的中央；门梁的中央有一个向下伸出的短臂，内反射镜7固定在该短臂的下端。参见图10，这是所说的内反射镜7的一个实施例。内反射镜7的端面与其三棱柱体垂直，在一个端面中心有螺纹孔，在摄影支架2中央的短臂中心有孔，固定螺钉穿过该孔将内反射镜7固定在该短臂上。

参见图9给出的实施例，所说的固定外反射镜8的支架由纵杆9、横杆10和支杆夹11组成，纵杆9的下端与一个磁性垫脚12连接，支杆夹11上有纵向和横向两个开口夹持孔，在每个夹持孔的开口端有紧固螺钉13，纵杆9穿在纵向夹持孔中，横杆10穿在横向夹持孔中，在横杆10的一端有螺纹。所说的外反射镜是平面镜，其一个侧面上有螺纹孔，与横杆10的螺纹结合；两个外反射镜支架对称放置于内反射镜两侧，两外反射镜间距约300mm±30mm，反射面倾角为60°±5°。两个外反射镜支架通过磁片吸附在光学平台上，并可自由移动，支架的横杆可以通过支杆夹绕纵杆旋转和升降，横杆本身可以绕其中心轴旋转，从而满足外反射镜的升降和旋转要求。图11为外反射镜零件图，两种反射镜均采用不锈钢材质加工而成。

结构光投射器4选用加拿大stokerYale公司生产的MAG-533L型激光器，该激光器的出射功率为350mW，出射片光33片，片光夹角0.24度，工作距离30cm。两支激光器通过激光器支架分别固定于昆虫飞行区两侧，从而与双虚拟摄像机构成了双虚拟结构光传感器结构。图12是激光器与昆虫飞行区的位置关系图，两支激光器分别于飞行区的左前上方和右前上方以斜45°方向向飞行区投射光条，从而有效地解决了投射器的投射盲区问题。图13是激光器支架图，它由纵杆14、支架板15和底板16组成，激光器通过螺钉连接固定在底板16上，底板16可通过支架板15上的划槽上下旋转，同时，支架板15也可以绕纵杆14旋转和升降，从而满足激光器投射距离和投射角度的调节要求。

使用本发明装置，以蜜蜂为研究对象，对其双侧翅膀的运动变化进行了同步观测。系统主要参数设置如下：高速摄像机采集频率设置为2000帧/s，对蜜蜂每个扇翅周期可采集图像12～15帧；激光器投射距离为30cm，投射到蜜蜂表面的光条数最大为15根左右，光条间距1.25mm，可以满足对蜜蜂双侧翅膀运动变化的同步观测。具体实验过程如下：

(1)先将蜜蜂置于0～5℃的低温环境中10～15分钟，使其处于休眠状态。

(2)将通过冷冻麻醉好的蜜蜂固定好，待蜜蜂恢复正常状态后进行下一步实验。

(3)启动高速摄像机及结构光投射器，人工诱导蜜蜂进行持续扇翅运动，并对其飞行过程进行拍摄。

(4)进行系统标定，主要包括摄像机内部参数、外部参数、结构光光平面参数。

(5)提取结构光光条中心点。

(6)利用双目系统进行光条识别，使所拍摄的光条与所标定的结构光平面一一对应。

(7)根据所提取的光条中心点的图像坐标及系统参数，确定蜜蜂翅膀表面光条中心点的空间坐标，对蜜蜂翅膀的运动变形进行三维重构。

图14是利用该系统所拍摄的部分蜜蜂翅膀运动图像及相应的三维重构结果。其中，图14-1是蜜蜂翅膀扇动到上极限位置附近时的拍摄结果，图14-2蜜蜂翅膀扇动到下极限位置附近时的拍摄结果。从具体的重构结果来看，虽然蜜蜂的扇翅幅度较大，但是由于双结构光传感器分别在两个不同角度对左右两翅的运动过程进行观测，从而有效地解决了其双侧翅膀运动变形的观测盲区问题。此外，由于双虚拟摄像机的拍摄图像均来自于同一摄像机，在大大降低了观测系统成本的同时，不需要解决多机同步问题，从而降低了实验难度。

Claims (4)

1、一种高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，包括一个平台[1]；一个固定在平台上的摄影支架[2]和安装在该支架上的高速摄像机[3]，高速摄像机[3]的镜头垂直朝向昆虫飞行区；两个由支架固定的结构光投射器[4]，其输出的结构光朝向昆虫飞行区；两个固定在平台上、位于昆虫飞行区下方的背景灯[5]；一个接收处理高速摄像机输出数据的计算机[6]；其特征在于：

(1)所说的结构光投射器[4]是光栅型结构光投射器，两个投射器[4]位于昆虫飞行区两侧，每个投射器[4]与昆虫飞行区的水平角度和俯仰角度为45°±10°；

(2)在高速摄像机[3]的正下方有一个固定在摄影支架[2]上的内反射镜[7]，它是一个截面为等腰直角三角形的三棱柱反射镜，三棱柱的两个侧面为反射面，其底面保持水平，高速摄像机[3]的镜头中心线正对内反射镜[7]的直角侧边；在内反射镜[7]的两侧各有一个通过支架固定的外反射镜[8]，分别与内反射镜[7]的两个反射面对应形成两个反射光路，使昆虫飞行区的景象通过两个外反射镜和相应的内反射镜的反射面所形成的两个反射光路，同时摄入高速摄像机[3]的镜头。

2、根据权利要求1所述的高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，其特征在于：所说的摄影支架[2]是一个门形架，两个门框的底端有垫脚，通过螺钉固定在平台[1]上；高速摄像机[3]垂直固定在门梁的中央；门梁的中央有一个向下伸出的短臂，内反射镜[7]固定在该短臂的下端；所说的内反射镜[7]的端面与其三棱柱体垂直，在一个端面中心有螺纹孔，在摄影支架[2]中央的短臂中心有孔，固定螺钉穿过该孔将内反射镜[7]固定在该短臂上。

3、根据权利要求1所述的高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，其特征在于：所说的固定外反射镜[8]的支架由纵杆[9]、横杆[10]和支杆夹[11]组成，纵杆[9]的下端与一个磁性垫脚[12]连接，支杆夹[11]上有纵向和横向两个开口夹持孔，在每个夹持孔的开口端有紧固螺钉[13]，纵杆[9]穿在纵向夹持孔中，横杆[10]穿在横向夹持孔中，在横杆[10]的一端有螺纹；所说的外反射镜是平面镜，其一个侧面上有螺纹孔，与横杆[10]的螺纹结合；两个外反射镜支架对称放置于内反射镜两侧，两外反射镜间距约300mm±30mm，反射面倾角为60°±5°。

4、根据权利要求1或2或3所述的高扇翅频昆虫飞行运动观测装置，其特征在于：所说的内反射镜和外反射镜均采用不锈钢材质加工而成。

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