徐 超，張一凡，韓曉明，鄧建軍

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院 西安，710072)(2.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院 西安，710051)

基于機(jī)器視覺(jué)的大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量*

徐 超1，張一凡1，韓曉明2，鄧建軍2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院 西安，710072)(2.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院 西安，710051)

針對(duì)空間大柔性結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)后所產(chǎn)生的低頻率、大幅值振動(dòng)變形難以測(cè)量的問(wèn)題，利用基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移進(jìn)行了測(cè)量，并識(shí)別了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。首先，理論分析了傳統(tǒng)的對(duì)加速度信號(hào)直接積分獲得位移的方法存在低頻噪聲被放大的問(wèn)題并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證；然后，研究了基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法，進(jìn)行了方法精確度與有效性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)碼相機(jī)作為視覺(jué)傳感器，對(duì)采集的結(jié)構(gòu)振動(dòng)視頻進(jìn)行圖像處理，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法提取每幀圖像特征點(diǎn)的位置信息，應(yīng)用亞像素定位方法改進(jìn)測(cè)量精度。將視覺(jué)位移測(cè)量方法獲得的結(jié)構(gòu)固有頻率與加速度數(shù)據(jù)求得的結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行比較，驗(yàn)證了基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法在大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量和動(dòng)態(tài)特性識(shí)別方面的應(yīng)用有效性。

機(jī)器視覺(jué)； 大柔性； 數(shù)字圖像相關(guān)； 相機(jī)標(biāo)定； 振動(dòng)位移

引 言

大型航天器結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、大柔性和低阻尼特點(diǎn)日益突出。受到擾動(dòng)后，此類(lèi)結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生低頻率、大幅值且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的振動(dòng)變形，影響柔性航天器結(jié)構(gòu)的定位或指向精度，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致在軌捕獲、裝配等任務(wù)的失敗[1-2]。因此，實(shí)時(shí)測(cè)量柔性空間結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移對(duì)航天器在軌組裝、振動(dòng)控制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等具有重要意義[3]。

工程中對(duì)振動(dòng)位移的測(cè)量主要采用直接法與間接法。直接法采用位移傳感器直接測(cè)量結(jié)構(gòu)位移。常用的位移傳感器在使用時(shí)需要參考基準(zhǔn)點(diǎn)，并需要靠近或接觸待測(cè)點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)信息的非接觸測(cè)量[4]。間接法一般利用加速度傳感器獲得結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，經(jīng)過(guò)積分獲得速度和位移。大柔性航天器結(jié)構(gòu)對(duì)接觸式安裝的傳感器引起的附加質(zhì)量非常敏感，且大柔性結(jié)構(gòu)固有頻率低，加速度測(cè)量信號(hào)中的低頻噪聲很難濾除。低頻噪聲經(jīng)過(guò)積分過(guò)程會(huì)被放大，從而引起位移結(jié)果的偏差[5]。此外，考慮到航天器結(jié)構(gòu)上空間有限，測(cè)量設(shè)備的質(zhì)量、體積都將受到嚴(yán)格限制?？梢?jiàn)，發(fā)展結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高精度、全場(chǎng)式的測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的方法已成為大柔性空間結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新方法，采用數(shù)碼相機(jī)獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)視頻，應(yīng)用圖像處理和數(shù)字圖像相關(guān)等方法從圖像中直接提取結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移信息，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全場(chǎng)測(cè)量、非接觸和精度高的優(yōu)點(diǎn)[6]，在空間大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。目前，該方法已被應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域測(cè)量大型橋梁和風(fēng)機(jī)葉片等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移[7-9]，在大柔性航空航天結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量中的應(yīng)用還很少。文獻(xiàn)[10]研究了利用視覺(jué)傳感器測(cè)量大柔性無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)變形，并進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]利用視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量了柔性壓電懸臂板彎曲與扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)板的振動(dòng)控制。

筆者的主要研究目的是理論分析加速度直接積分方法在低頻結(jié)構(gòu)位移測(cè)量應(yīng)用中的不足，并實(shí)驗(yàn)探究基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法在大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量和動(dòng)特性識(shí)別方面的應(yīng)用潛力。

1 直接積分加速度獲得位移方法的不足

工程中常采用對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行兩次積分的方法獲取待測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移，其過(guò)程可表示為

(1)

(2)

實(shí)際測(cè)量的加速度信號(hào)均為離散時(shí)間信號(hào)。理論上采用數(shù)值積分方法獲得對(duì)應(yīng)的速度和位移信號(hào)。積分過(guò)程在頻域中可視作對(duì)原始信號(hào)乘以不同的離散傳遞函數(shù)[12]。以三階校正積分為例，其積分公式為

(3)

假設(shè)采樣時(shí)間間隔Δt=1 s，即采樣角頻率為2π rad/s。由采樣定律可知，為了使采樣信號(hào)可以無(wú)失真的重建原信號(hào)，采樣頻率必須高于兩倍的奈奎斯特頻率，而奈奎斯特頻率必須高于被采樣信號(hào)最高頻率。只有當(dāng)被采樣信號(hào)的角頻率低于π rad/s時(shí)，采樣值才可能復(fù)現(xiàn)被采樣信號(hào)。

yn=G(z)fn

(4)

其中：G(z)為離散傳遞函數(shù)，即

(5)

令z=eiω，代入式(5)，將離散時(shí)域傳遞函數(shù)G(z)轉(zhuǎn)換為頻域傳遞函數(shù)H(ω)

(6)

(7)

同理，還可寫(xiě)出其余3種數(shù)值積分方法的積分精度量化公式，如圖1所示。由圖1可知，由于不滿足采樣定理，當(dāng)被采樣信號(hào)的頻率接近πrad/s時(shí)，積分誤差急速增大。在小于πrad/s的頻率范圍內(nèi)，只有當(dāng)被采樣信號(hào)頻率低于0.5rad/s時(shí)，積分誤差可忽略不計(jì)，在[0.5，π]的頻率范圍內(nèi)，積分誤差隨頻率增大而增大。

在實(shí)際工程測(cè)量中，測(cè)量噪聲是不可避免的。在每個(gè)采樣時(shí)刻k引入噪聲ηk，則k時(shí)刻估計(jì)的積分信號(hào)ykest可表示為

ykest=G(z)(fk+ηk)=yk+G(z)ηk

(8)

由于噪聲引入的附加積分誤差可表示為

εk=ykest-yk=G(z)ηk

(9)

噪聲的傳遞函數(shù)為

(10)

其中：FT表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換；A為輸出噪聲；B為輸入噪聲。

圖1 幾種積分方案的積分精度傳遞函數(shù)比較Fig.1 A comparison of the accuracy′s transfer functions

圖2 幾種積分方案的噪聲放大情況Fig.2 Noise amplification magnitudes from one integration step

圖2為4種數(shù)值積分方法對(duì)應(yīng)的噪聲傳遞函數(shù)。由圖1可知，不考慮測(cè)量誤差，當(dāng)被采樣信號(hào)的頻率小于0.5 rad/s時(shí)，積分誤差基本可以忽略。當(dāng)考慮測(cè)量噪聲時(shí)，在小于0.5 rad/s的低頻區(qū)間，噪聲傳遞函數(shù)是會(huì)放大的，這將直接影響積分結(jié)果的精度。因此，對(duì)低頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用對(duì)加速度直接積分獲得振動(dòng)位移的方法一般會(huì)造成很大的誤差，迫切需要發(fā)展直接的測(cè)量方法和手段。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法

基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量原理框圖如圖3所示。筆者采用一種基于單目視覺(jué)的測(cè)量方法，有利于在空間應(yīng)用時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度和重量。該方法的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵步驟:a.數(shù)字圖像相關(guān)；b.相機(jī)標(biāo)定。

圖3 基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量流程Fig.3 The flow chart of the vibration displacement measurement method based on machine vision

2.1 數(shù)字圖像相關(guān)方法

筆者應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法提取結(jié)構(gòu)的像素級(jí)位移，基本原理如圖4所示。選取視頻中的兩幀相鄰圖像，假設(shè)P點(diǎn)為結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量的觀測(cè)點(diǎn)，選取以P為中心的(2M+1)像素×(2M+1)像素大小的正方形為樣本子區(qū)，為了在位移后的圖像中找到與點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)P*，也即找到與樣本子區(qū)a所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)子區(qū)a*，需要建立一個(gè)衡量子區(qū)相似程度的數(shù)學(xué)指標(biāo)，即相關(guān)函數(shù)，而在位移后的圖像中尋找樣本子區(qū)實(shí)際上是一個(gè)相關(guān)搜索的過(guò)程。這樣就把位移測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)字化相關(guān)計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)力學(xué)量的非接觸式測(cè)量。這個(gè)過(guò)程通常是基于圖像灰度值的計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)室條件下，為了保證子區(qū)的識(shí)別精度，通常在結(jié)構(gòu)的待測(cè)點(diǎn)上粘貼容易識(shí)別的標(biāo)識(shí)物，如LED燈和棋盤(pán)圖案等。

圖4 變形前、后子區(qū)的幾何形狀Fig.4 The subsets′ shape before and after deformation

本研究中，相關(guān)搜索采用十字搜索法[13]，子區(qū)大小選擇為31像素×31像素，與標(biāo)識(shí)物在圖像中的大小基本一致。當(dāng)運(yùn)算得到的相關(guān)系數(shù)C取極值時(shí)，可認(rèn)為選取的目標(biāo)子區(qū)與樣本子區(qū)匹配。相關(guān)函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)

C=

(11)

由于相機(jī)采集的圖像為離散化的數(shù)字圖像，而物體某點(diǎn)變形前的位置可能落到攝取的變形后圖像的兩整像素值之間，則該點(diǎn)在變形后的圖像中沒(méi)有相應(yīng)的灰度值信息。為改進(jìn)不足，在整像素搜索完成以后，筆者采用二次曲面擬合的方法進(jìn)行亞像素定位，以提高位移測(cè)量的精度[14]。

2.2 相機(jī)標(biāo)定方法

相機(jī)標(biāo)定是利用物體的二維平面圖像信息獲取其三維信息過(guò)程中的關(guān)鍵步驟[15-16]。標(biāo)定是為了確定相機(jī)的光學(xué)參數(shù)和相機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)的方位，即相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)矩陣。在本研究背景下，標(biāo)定的目的是為了將像素坐標(biāo)系下以像素為單位的位移量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的位移物理量。

描述相機(jī)成像變換過(guò)程需要定義4個(gè)參考坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系。相機(jī)成像變換的過(guò)程實(shí)際上就是世界坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即

(12)

其中：(u,v)為物體在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；(Xw,Yw,Zw)為物體在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；A為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；[R|T]為相機(jī)外參數(shù)矩陣；zc為標(biāo)定參數(shù)。

筆者的相機(jī)標(biāo)定方法采用張正友標(biāo)定法[17]，具有過(guò)程簡(jiǎn)單、標(biāo)定模板[18]簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。張正友標(biāo)定法只需使用相機(jī)在不同方位獲取平面標(biāo)定模板的圖像即可完成標(biāo)定，如圖5所示(實(shí)驗(yàn)中使用9幅圖像進(jìn)行標(biāo)定，此處只展示3幅作為說(shuō)明)。采用的標(biāo)定板尺寸為270 mm×210 mm，棋盤(pán)格大小為30 mm×30 mm。首先，提取模板在圖像上的網(wǎng)格角點(diǎn)，確定圖像和模板上的角點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)并計(jì)算出圖像和模板之間的單應(yīng)矩陣；然后，建立模板與圖像之間的網(wǎng)格角點(diǎn)的線性方程，通過(guò)求解線性方程求解式(12)中的A,R,T等參數(shù)，從而完成相機(jī)標(biāo)定過(guò)程，建立像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)像素位移向?qū)嶋H位移的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)標(biāo)定，本研究中使用相機(jī)的焦比f(wàn)c=[1 108.4,1 120.7]，光心位置為[591.1,344.1]，標(biāo)定誤差為0.4像素。

圖5 從不同位置對(duì)標(biāo)定模板進(jìn)行拍攝Fig.5 Take the pattern′s pictures from different positions

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 柔性框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法的精度和所編寫(xiě)程序工具箱的有效性，筆者進(jìn)行了柔性框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在初始瞬態(tài)激勵(lì)作用下做自由振動(dòng)，與此同時(shí)，一方面使用視覺(jué)傳感器記錄結(jié)構(gòu)上指定點(diǎn)的振動(dòng)視頻進(jìn)而提取振動(dòng)位移，另一方面利用直線位移傳感器采集指定點(diǎn)的振動(dòng)位移，將兩者進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證視覺(jué)測(cè)量方法的精確度。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。為了同時(shí)驗(yàn)證低成本商業(yè)數(shù)碼相機(jī)在大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量中的應(yīng)用能力，視覺(jué)傳感器采用Nikon COOLPIX L110型相機(jī)，該相機(jī)為普通家用相機(jī)，市場(chǎng)價(jià)低于2 000元。

選取框架結(jié)構(gòu)第1層層板的中心厚度處為位移待測(cè)點(diǎn)，使用兩種方法測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的平面位移。為了方便識(shí)別，在待測(cè)點(diǎn)上粘貼圓形標(biāo)識(shí)物，標(biāo)識(shí)圓從內(nèi)到外的半徑為7，15和25 mm。實(shí)驗(yàn)中相機(jī)與柔性框架結(jié)構(gòu)的距離是任意的，相機(jī)的幀頻為30幀/s，分辨率為1 280×720，位移傳感器的采樣頻率為150 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可得，使用基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法得到的位移時(shí)程曲線與位移傳感器測(cè)得的位移時(shí)程曲線基本吻合。經(jīng)過(guò)計(jì)算，利用視覺(jué)方法測(cè)得的位移與位移傳感器測(cè)得的位移的相對(duì)誤差小于1%，均方根誤差為0.168 mm，充分驗(yàn)證了基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法的精度以及筆者編寫(xiě)Matlab程序的有效性。

基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法的誤差來(lái)源主要有相機(jī)的極限誤差、數(shù)字圖像相關(guān)的誤差和相機(jī)標(biāo)定的誤差。相機(jī)的極限誤差與制造過(guò)程中的工藝水平有關(guān)，通常在μm的量級(jí)，可以忽略不計(jì)。由于采用二次曲面擬合的亞像素定位方法，定位精度可以達(dá)到0.02像素[14]，所以數(shù)字圖像相關(guān)的誤差可忽略不計(jì)。方法誤差的主要來(lái)源為相機(jī)標(biāo)定的誤差。實(shí)驗(yàn)可得，相機(jī)標(biāo)定誤差為0.4像素，單位像素位移對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移為0.414 mm，所以相機(jī)標(biāo)定的誤差約為0.166 mm。

由于實(shí)驗(yàn)使用白色背景，所以不考慮背景環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響，影響測(cè)量精度的因素主要為光照條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弱光照條件會(huì)使圖像中標(biāo)志物與背景環(huán)境的灰度值接近，這增加了辨識(shí)標(biāo)志物的難度。為了盡可能地保證測(cè)量精確度，需要保證一定的光照條件使標(biāo)志物易于辨識(shí)。通常情況下，在保證標(biāo)志物易于區(qū)別于背景環(huán)境的基礎(chǔ)上，使用白光光源照射可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 柔性板振動(dòng)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)

利用基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法進(jìn)行柔性板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法在結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)位移測(cè)量和動(dòng)態(tài)特性識(shí)別方面的應(yīng)用能力。為了實(shí)驗(yàn)證明直接對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分獲得位移方法的不足，同時(shí)使用加速度傳感器采集加速度信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖8所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一端懸臂安裝的鋼制柔性板，長(zhǎng)為700 mm，截面尺寸為30.8 mm×1.2 mm，在自由端粘貼標(biāo)識(shí)物以及加速度傳感器。視頻采集時(shí)采用640×480的分辨率，幀頻為30幀/s。加速度傳感器型號(hào)為CA-YD-1182，靈敏度為10.12 mV/m·s-2。光源采用直流供電的白光燈。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先對(duì)標(biāo)定模板進(jìn)行不同角度的拍攝以標(biāo)定相機(jī)參數(shù)；然后，向柔性板施加初始條件，使柔性板發(fā)生自由振動(dòng)，同時(shí)使用加速度傳感器與數(shù)碼相機(jī)記錄結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)，最終使用基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法計(jì)算端部振動(dòng)位移。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental equipment

將視覺(jué)傳感器測(cè)得的位移時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，與加速度信號(hào)快速傅里葉變換的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9，10所示?？梢?jiàn)，兩種方法測(cè)得結(jié)構(gòu)的低頻共振峰值頻率較為接近，其中一階峰值頻率為1.9 Hz，二階峰值頻率為12.2 Hz。加速度信號(hào)由于包含噪聲的影響，頻響結(jié)果毛刺較多。從結(jié)構(gòu)低頻共振頻率識(shí)別方面看，兩種方法得到的結(jié)果差別不大，都能識(shí)別出反映結(jié)構(gòu)低頻動(dòng)特性的主要頻率。

由于采用加速度信號(hào)直接積分獲得振動(dòng)位移的方法存在很大不足，利用實(shí)驗(yàn)獲得的加速度直接積分無(wú)法獲得有效的結(jié)構(gòu)位移信號(hào)(有很大的趨勢(shì)項(xiàng))，為此筆者采用文獻(xiàn)[4]提出的一種改進(jìn)的加速度直接積分方法獲取振動(dòng)位移。首先，對(duì)測(cè)量的加速度信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，積分獲得速度信號(hào)后，再一次對(duì)速度信號(hào)濾波，最后積分獲得位移信號(hào)。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，帶通濾波的截止頻率取為0.7 Hz(下限)與30 Hz(上限)。圖11為使用視覺(jué)測(cè)量方法得到的位移與文獻(xiàn)[4]的復(fù)雜積分方法得到的位移結(jié)果對(duì)比。

圖9 位移數(shù)據(jù)傅里葉變換結(jié)果Fig.9 FFT of displacement data

圖10 加速度數(shù)據(jù)傅里葉變換結(jié)果Fig.10 FFT of acceleration data

圖11 基于機(jī)器視覺(jué)的振動(dòng)位移測(cè)量方法測(cè)得的位移與對(duì)加速度積分并濾波得到的位移的比較Fig.11 Comparison of the displacement through vision-based vibration displacement measurement method and the displacement of acceleration integral and filtering

由圖11可知，采用文獻(xiàn)[4]改進(jìn)的加速度直接積分方法得到的振動(dòng)位移的幅值較視覺(jué)測(cè)量方法得到的位移結(jié)果幅值低很多，這主要由于大柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率較低，結(jié)構(gòu)固有頻率與低頻噪聲的頻譜重合，采用濾波的方法濾除噪聲的同時(shí)也會(huì)濾除掉一部分真實(shí)信號(hào)，因而采用文獻(xiàn)[4]方法獲得的振動(dòng)位移要遠(yuǎn)低于視覺(jué)傳感器測(cè)量值，這充分證明了對(duì)加速度結(jié)果進(jìn)行積分獲取位移的方法存在很大誤差。

4 結(jié) 論

1) 由于大柔性結(jié)構(gòu)低頻率、大幅值的振動(dòng)特點(diǎn)，加速度測(cè)量信號(hào)中的低頻噪聲很難濾除。采用對(duì)加速度信號(hào)直接積分間接獲取位移的方法存在低頻噪聲被放大、積分位移結(jié)果誤差較大的不足。

2) 對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的濾波操作，然后再積分獲得位移的方法，由于濾除噪聲的同時(shí)也濾波了信號(hào)有效成分，因此造成位移幅值誤差較大。

3) 采用基于機(jī)器視覺(jué)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量方法能夠直接獲得大柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移，測(cè)量信號(hào)中能夠識(shí)別出結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)討B(tài)特性，具有直接、成本低和精度好等優(yōu)點(diǎn)。

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11372246)；西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)意創(chuàng)新種子基金資助項(xiàng)目(Z2016049)

2016-05-20；

2016-08-12

TP391;TB532;TH741

徐超，男，1979年9月生，博士、教授。主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)等。曾發(fā)表《Mixed integer multi-objective optimization of composite structures with frequency-dependent interleaved viscoelastic damping layers》(《Computers &Structures》2016,No.172)等論文。 E-mail:chao_xu@nwpu.edu.cn