大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一.摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段.本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括:提出折线光路像机链摄像测量方法与技...     

GPS RTK技术用于滑坡动态实时变形监测的研究

为了研究GPS RTK技术用于滑坡动态变形监测的精度和可靠性,本文结合某类滑坡的大型物理模型试验,在滑坡体上布设了若干监测点,并用GPS RTK技术、全站仪三维测量技术和GPS单历元定位技术实时跟踪监测了该滑坡在自然状态下从稳定到产生破坏的全部过程。通过对监测数据的处理和分析,获得了RTK技术用于滑坡变形监测的可靠性和精度等技术参数,即在基准站和流动站同步观测到的卫星数在7颗以上且RTK系统的数据链能够正常工作的情况下,RTK测量的平面和高程精度就能分别控制在15mm和20mm以内。研究结果表明,RTK技术在一定条件下完全可用于滑坡灾害的动态实时变形监测。     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

大型结构变形实时摄像测量方法

本文对实时测量大型结构静力变形实验中如何应用摄像测量方法展开研究。针对实时摄像测量的两个主要难题研究解决方法,即图像特征点自动提取和多像机图像特征点自动对应。通过在待测结构表面粘贴LED发光灯或使用激光光栅投影做为合作标志点,提出NNLOG(normalnized negative laplacian of gaussian)算子用于图像上合作标志点的实时提取与跟踪;根据多摄像机约束关系,构造对极几何约束代价函数,解决多像机图像特征点之间的对应问题。设计实现了精度实验,表明位移测量误差小于1mm,相对误差小于1%,基于本文方法实现的测量系统已应用于某型飞机静力变形实验。     

摄像测量技术在国防试验与航天器对接中的应用研究

摄像测量技术正在迅速发展和得到广泛应用,在国防试验和航天飞行任务中发挥着不可替代的作用.本文介绍了作者近年来在该领域所做的应用研究,包括在火箭、导弹发射试验,冲击、碰撞等过程中的动态目标运动测量;针对航天航空和力学工程领域的视频图像实时分析;飞行器三维运动测量以及对接航天器位置和姿态的实时测量.在这些应用中都实现了高精度测量.较近期研发并应用于航天器对接光学测量项目中的算法,对相机参数进行平差修正,能有效地抑制像机参数扰动,具有很强的鲁棒性.     

单基线GPS动态航向测量与误差分析

针对GPS天线安装偏差在动态、实时情况下导致测量设备空间参考基准不一致,进而产生GPS航向测量误差的问题,采用空间投影的方法,分析了船体纵横摇、GPS天线高程差、方位偏差、GPS测量基线长和基座高程差等因素对GPS航向的影响,推导了GPS动态航向测量模型的误差补偿方程。仿真结果表明,方位偏差和船体横摇角分别是舰船静态和动态情况下GPS航向测量误差的主要影响因素。以某型高精度INS导航参数为基准,对GPS实测数据进行评估,试验结果表明,误差补偿后的GPS航向与INS航向的差值在均值统计上相差0.001°,证实了补偿模型提高GPS航向测量精度的有效性。     

空间薄膜结构动态测试研究最新进展

空间薄膜结构是一种主要由薄膜材料制成的新型大型轻量化结构,在深空探测中可用于构建大型天线、太阳帆、太阳能集中器等新概念飞行器。它具有超低频率、密集模态、局部模态、几何大变形、高柔性、低密度、强非线性、以及承载能力随充气压力改变等一系列特点,传统的实验模态分析方法已经不满足此类结构的测试要求。同时在地面测试时容易受空气附加质量、地球重力及温度、湿度环境影响,这给动态测试带来很大困难。本文首先总结了适合薄膜空间结构的动态测试技术如新型智能传感器,激光测量和数字图像测量等非接触测试方法最新进展,并比较分析各测试方法优缺点。此外对微重力、真空、交变温度等空间环境对动态测试结果的影响进行总结,存在缺陷对动态测试结果的影响进行评述,最后针对目前空间薄膜结构动态测试中存在的问题进行探讨并指出未来发展方向。     

一种舰船变形测量方法的研究与应用

以舰船船体结构、惯性导航系统、被试导航设备以及天文经纬仪为物理对象，提出了一套利用光学系统原理和计算机图像处理技术对联合基座进行水平变形测量的方法，解决了各设备因安装位置的不同所造成的安装基座间产生的水平变形量问题。     

船体变形的监测方法及其对航向姿态信息的修正

分析了船体变形的原因、种类，以及船体变形对航姿信息的影响；介绍了监测船体变形的四种结构力学方法和包括惯性测量匹配法在内的三种船舶航行实时监测法，以及GPS姿态测量在船体变形监测中的应用。着重讨论了惯性测量匹配法测定船体变形技术在火控系统、舰载飞机和舰载导弹惯导系统传递对准、磁测量船、其它物理测量船等方面的应用。最后针对位于舰船的中心航姿系统和局部基准部位的陀螺和加速度计等测量部件的不同配置，详细给出了用惯性测量匹配法测定并消除船体变形影响的三种实施方案，比较了各方案的特点、计算过程和系统输出数据。这些方案对于在役舰船和现代舰船的船体变形监测和航向姿态修正具有借鉴作用。     

Videometrics Measurement for Dynamic Topography of Large Flexible Cable Net Based on Tiny Light Spot Markers

Background:

Traditional videometric method can not be used in the measurement of large flexible cable-net structure for its large overall size and small partial size.

Objective

A videometrics technique was proposed in this work to measure the topography and deformation of a large cable net structure.

Methods

Tiny spots with high brightness (and large gray gradient) are used to mark the cable net nodes. By arranging the imaging light path properly, the light spot markers can be enlarged and accurately identified in the captured images.

Results

The relationship between the imaging parameters and the gray distribution of the light spot markers were derived and verified. And a topographical measurement experiment of a cable net structure was carried out with the proposed videometrics technique.

Conclusions

The topography/deformation of the cable net can be measured with tiny-light spot markers, and the effectiveness and robustness of the technique on topography and deformation measurement of large cable-net structures are demonstrated.

     

基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展

挠度是评估桥梁承载能力和健康状态最直观的指标。近20年来,基于计算机视觉的桥梁挠度测量方法凭借其非接触式、快速简易安装等优点,被逐步应用于实际测量中。本文从测量原理、测量方式和影响因素3个方面出发,介绍了当前基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展。在测量原理方面,从相机标定、三维立体视觉、摄影测量、特征检测与匹配4个方面进行了介绍。在测量方式方面,介绍了单相机二维测量、双相机三维测量、基于摄影测量的准静态测量和位移传递串联相机网络多点动态测量。在影响因素方面,介绍了相机自身因素、标定因素、算法因素和环境因素4个方面对测量结果的影响,并总结了目前国内外的研究成果。最后对基于视觉的桥梁挠度测量技术的未来发展趋势做出了展望。     

Dynamic Thermal Deformation Measurement of Large-Scale, High-Temperature Piping in Thermal Power Plants Utilizing the Sampling Moiré Method and Grating Magnets

Fast and accurate deformation measuring techniques show promising potential for monitoring high-temperature piping and other machinery in the energy sector, such as in thermal, steam, or nuclear power plants. Optics-based, nonintrusive, and real-time monitoring systems are critical for preventing high-temperature steam leaks, unexpected accidents, explosions, and other failures that can have catastrophic consequences for the power supply, the workers, and the public. In this study, a dynamic thermal deformation measurement technique utilizing the sampling Moiré method and grating magnets is developed for large-scale, high-temperature piping in a thermal power plant. Because of the high temperature of the piping of nearly 300 °C several 100 mm by 100 mm ferrite magnets were placed to select locations of the high-temperature piping. In each ferrite magnet, a regular, two-dimensional binary grating pattern with a pitch of 15 mm was painted on the surface, and the grating magnets were used as the reference grating to analyze the small in-plane displacement distribution using the sampling Moiré method. A compensation method of misalignment angle is also proposed to improve the measurement accuracy. The effect on vibration remove, mirage due to conversion in air, wide angle of camera lens, and compensation of misalignment angle, are discussed. The experimental results showed that our measurement technique is suitable for evaluation of high-temperature, large-scale infrastructure.     

DEEP-LEARNING-BASED INTELLIGENT FORCE MEASUREMENT SYSTEM USING IN A SHOCK TUNNEL 1)

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.     

基于深度学习技术的激波风洞智能测力系统研究

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.      

Assessment of Digital Image Correlation as a method of obtaining deformations of a structure under fluid load

Digital Image Correlation (DIC) is employed for the measurement of full-field deformation during fluid–structure interaction experiments in a wind tunnel. The methodology developed for the wind tunnel environment is quantitatively assessed. The static deformation error of the system is shown to be less than 0.8% when applied to a curved aerofoil specimen moved through known displacements using a micrometre. Enclosed camera fairings were shown to be required to minimise error due to wind induced camera vibration under aerodynamic loading. The methodology was demonstrated using a high performance curved foil, from a NACRA F20 sailing catamaran, tested within the University of Southampton RJ Mitchell, 3.5 mx2.4 m, wind tunnel. The aerodynamic forces induced in the wind tunnel are relatively small, compared with typical hydrodynamic loading, resulting in small deformations. The coupled deflection and blade twist is evaluated over the tip region (80–100% Span, measured from the root) for a range of wind speeds and angles of attack. Steady deformations at low angles of attack were shown to be well captured however unsteady deformations at higher angles of attack were observed as an increase in variability due to hardware limitations in the current DIC system. It is concluded that higher DIC sample rates are required to assess unsteady deformations in the future. The full field deformation data reveals limited blade twist for low angles of attack, below the stall angle. For larger angles, however, there is a tendency to reduce the effective angle of attack at the tip of the structure, combined with an unsteady structural response. This capability highlights the benefits of the presented methodology over fixed-point measurements as the three dimensional foil deflections can be assessed over a large tip region. In addition, the methodology demonstrates that very small deformations and twist angles can be resolved.