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.     

昆虫飞行参数测量实验研究进展

在昆虫飞行的实验研究中,可采用活体实验、模型实验和活体模型结合三种方法。活体实验可以客观反映自然界中昆虫的飞行规律,获得真实的实验数据,但可重复性差。模型实验作为机械装置可以重复进行试验,详细描述流场结构并定量各种参数大小,但与真实飞行存在一定差距。单独使用这两种中的任一方法均可对一些现象给出了解释。二者相结合的方法更易于准确描述昆虫的运动特征,通过对比模型与活体的结果来提出机理,尽管需要的实验周期较长,但结论往往更接近真实状态,基于该方法科学家们已提出了几种飞行机理。本文结合近几年文献报道,综述了昆虫飞行参数测量方法,并对以上几种方法在研究昆虫飞行机理中的作用进行了对比分析,认为模型和活体结合的研究方法更容易为一些飞行现象提出合理解释。     

一种单相机测量三维运动轨迹的方法

论文提出了一种基于交汇式双目视觉模型的单个CCD相机三维立体测量方法.在CCD相机前放置两面成一定夹角的平面镜,通过一次拍摄,得到两幅存在视差的图像,该图像相当于相机在平面镜中两个虚拟相机对目标从不同角度拍摄所得到图像,根据双目视觉原理可实现三维立体测量.详细介绍了实验系统的布置方法,建立了三维坐标计算的数学模型,对系统的内外参数进行了标定.测量了静态物体的形态和尺寸,验证了系统的可行性与可靠性.并对运动物体进行了动态测量,通过视频记录物体两个虚像的平面运动图像序列,计算还原了物体空间的三维运动轨迹,并应用误差理论对实验误差进行了分析.     

昆虫是怎样飞行的

 简述昆虫翅的拍动运动及昆虫飞行的控制方式, 介绍昆虫飞行的空气动力学原理和人们对这些原理的认识过程.     

一种扑翼运动的模型实验及流场测量方法

俯旋、下拍、仰旋、上挥是一般昆虫运动的四个典型运动过程 ,本文通过研制三维和二维扑翼流场模拟装置以及相应的运动控制系统 ,实现了对昆虫扑翼飞行的上述过程的模拟。在测量方面 ,流场信息主要是通过自研制的 2D -DPIV(二维粒子速度成像仪 )来获得。该系统装备了高分辨率的高速CCD摄像机能够较为精细地动态量化流场 ,3维和 2维流场的动态流动显示以及量化测量都是通过它来实现。初步实验结果表明 ,模拟装置能成功地刻画昆虫翼的典型运动特征 ,2D -DPIV系统也能捕捉和反映强非定常特性的流场。本文还显示了实验中发现的一些有趣的现象 ,这些现象将作为我们进一步研究的重点     

基于运动散斑的物体三维形貌测量方法

设计了一种基于近红外运动散斑的低成本双目立体视觉系统。该系统将一个低成本散斑投影器安装在一个摇摆运动机构上,向目标表面投射运动的散斑,利用空间-时间立体视觉原理,在立体匹配的时候,不同于传统的立体视觉方法(采用二维的滑动窗口进行对应点查找),它不仅利用图像像素之间的空间信息,还引入了图像的时间信息,可以采用一个三维的滑动窗口进行立体匹配。与传统的立体视觉方法相比,该方法具有更高的重建精度。此外,本文采用金字塔搜索策略、积分图像和GPU对立体匹配算法进行加速,使得立体匹配的计算速度提高了800多倍。     

基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法

为提高静爆试验中破片初速和速度衰减系数解算的可信度,提出了基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法,该方法主要包括高速摄像机数据采集、视觉测量解算破片轨迹、基于运动模型拟合求解三个步骤。试验证明,该方法能够准确获取各破片的初速和速度衰减系数,可信度高,是一种有效的静爆试验破片运动参数测试方法。     

关于飞行和游动的生物力学研究

论述了飞行和游动生物力学的任务和意义,以及重大科学问题和与仿生技术相关的重大需求,并概要地介绍了与生物外部流体力学有关的科学问题、研究现状以及我国现有的研究基础和特色.文中针对如下若干重点科学问题进行了论述,具体包括Gray疑题及鱼类阻力的测定问题、鱼类机动运动的特征和机理、鱼类游动的流-固耦合及整体模化等交叉问题、昆虫运动的非定常流动控制机理和能耗、昆虫翼的柔性变形效应及抗风机制、昆虫和鱼的自由运动的运动学和动力学测量.图0参72      

固定鸭舵双旋弹全弹道动态稳定性及其影响因素

为研究固定鸭舵双旋弹全弹道飞行时的动态稳定性问题,在小攻角条件下建立复攻角运动的状态空间模型,并应用霍尔维茨方法导出其特征根实部皆负的一般性条件.针对起控前/后前体滚转角的运动特点,利用常规旋转弹的稳定性分析方法,建立固定鸭舵双旋弹在不同飞行状态下的动态稳定性判据,其与常规旋转弹的形式相似,无控飞行时在升力和静力矩项中对应增加了舵面控制力和力矩项;有控飞行时进一步增加了有关项相对增量的影响.据此在后体参数确定的条件下推导舵面参数约束条件,并分析操纵舵控制力系数导数、安装位置和舵偏角对动态稳定性的影响,揭示了该类炮弹动不稳定形成的原因.对复攻角运动在不同条件下的仿真分析结果表明,当舵面引起的有关项相对增量同时位于无控和有控飞行的边界曲线内时,固定鸭舵双旋弹全弹道飞行动态稳定,验证了本文推导的动态稳定性判据和舵面参数约束条件合理,为该类炮弹的研制提供了理论依据与设计参考.     

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。     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

蜻蜓非均匀柔性前翼扑动飞行的气动性能研究

为了探究柔性对于蜻蜓前翼在扑动向前飞行时的气动性能, 本文根据蜻蜓前翼的实际参数建立蜻蜓前翼模型, 提出了两种柔性分布方式即均匀柔性分布和沿蜻蜓前翼弦向的变柔性分布. 本文通过STAR-CCM+软件, 首先采用重叠网格和双向流固耦合技术, 用于实现蜻蜓前翼的扑动流固耦合, 其次通过改变蜻蜓前翼固体区域的杨氏模量函数从而实现蜻蜓前翼的两种不同柔性分布. 结果表明, 在均匀柔性分布条件下, 柔性翼在杨氏模量较小时的升力系数和阻力系数曲线的变化规律滞后于刚性翼半周期并且给飞行增加阻力, 但是随着杨氏模量的逐渐增加即柔性逐渐减小, 蜻蜓前翼受到的阻力减小, 获得的推力增加且推力给予蜻蜓前飞的动量增量、加速度以及时均推力系数先增加后减小. 在合理的非均匀柔性分布条件下, 柔性翼显著提高推力系数峰值和时均推力系数, 在扑动前飞时, 给予蜻蜓前翼较大的动量增量以及加速度. 两种柔性分布方式的蜻蜓前翼与刚性翼对比之下, 蜻蜓前翼在柔性为非均匀柔性分布时可以获得更好的气动性能.      

昆虫飞行的空气动力学

昆虫是最早出现、数量最多和体积最小的飞行者. 它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯, 飞行技巧十分高超. 由于尺寸小, 因而翅膀的相对速度很小, 从而进行上述飞行所需的升力系数很大. 但昆虫翅膀的雷诺数又很低. 它们是如何在低雷诺数下产生高升力的, 是流体力学和生物学工作者都十分关心的问题. 近年来这一领域有了许多研究进展. 该文对这些进展进行综述, 并对今后工作提一些建议. 因2005 年前的工作已在几篇综述文章有了详细介绍, 该文主要介绍2005 年以来的工作. 首先简述昆虫翅的拍动运动及昆虫绕流的基本方程和相似参数; 然后对2005 年之前的工作做一简要回顾. 之后介绍2005 年后的进展, 依次为: 运动学观测; 前缘涡; 翅膀柔性变形及皱褶的影响; 拍动翅的尾涡结构; 翼/身、左右翅气动干扰及地面效应; 微小昆虫; 蝴蝶与蜻蜓; 机动飞行. 最后为对今后工作的建议.      

VISCOELASTIC CONSTITUTIVE MODEL RELATED TO DEFORMATION OF INSECT WING UNDER LOADING IN FLAPPING MOTION

Flexible insect wings deform passively under the periodic loading during napping flight. The wing flexibility is considered as one of the specific mechanisms on improving insect flight performance. The constitutive relation of the insect wing material plays a key role on the wing deformation, but has not been clearly understood yet. A viscoelastic constitutive relation model was established based on the stress relaxation experiment of a dragonfly wing (in vitro). This model was examined by the finite element analysis of the dynamic deformation response for a model insect wing under the action of the periodical inertial force in flapping. It is revealed that the viscoelastic constitutive relation is rational to characterize the biomaterial property of insect wings in contrast to the elastic one. The amplitude and form of the passive viscoelastic deformation of the wing is evidently dependent on the viscous parameters in the constitutive relation.     

Diffraction Assisted Image Correlation: A Novel Method for Measuring Three-Dimensional Deformation using Two-Dimensional Digital Image Correlation

Digital Image Correlation (DIC) provides a full-field non-contact optical method for accurate deformation measurement of materials, devices and structures. The measurement of three-dimensional (3D) deformation using DIC in general requires imaging with two cameras and a 3D-DIC code. In the present work, a new experimental technique, namely, Diffraction Assisted Image Correlation (DAIC) for 3D displacement measurement using a single camera and 2D-DIC algorithm is presented. A transmission diffraction grating is placed between the specimen and the camera, resulting in multiple images which are then used to obtain apparent in-plane displacements using 2D-DIC. The true in-plane and out-of-plane displacements of the specimen are obtained from the apparent in-plane displacements and the diffraction angle of the grating. The validity and accuracy of the DAIC method are demonstrated through 3D displacement measurement of a small thin membrane. This technique provides new avenues for performing 3D deformation measurements at small length scales and/or dynamic loading conditions.     

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。     

扑翼柔性及其对气动特性的影响

以往对扑翼气动特性的研究基本上都是基于简单的匀速刚性模型,但是通过大量观察不同飞鸟的扑翼动作发现,该模型与鸟翼的实际扑动还有很大差别。鸟翼不但上扑段和下扑段所需时间不同,而且在扑动过程中,鸟翼的形状无论沿弦向或展向都存在着相当大的柔性变形。本文在原有匀速刚性模型的基础上,加入了扑动速率变化和形状变化的影响,得出新的变速柔性扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动的真实情况。通过对比计算发现,柔性变形对扑翼的升力与推力都有着显著影响,如果控制得当,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。     

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.     

成像光路布置对数字相机热致测量误差影响规律的研究

研究了数字相机成像系统中物距和成像系统固定方式两个因素对相机自发热导致的图像变形误差的影响规律,通过分析得到了热致图像"虚变形"与物距的倒数关系并进行了实验检验。推导了固定位置位于镜头上时图像"虚变形"的表达式并进行了实验验证。研究表明,无论是成像系统的固定点位于相机上还是镜头上,自发热都会使得图像发生一个虚的膨胀变形,其大小与镜头接口的热膨胀参数和像距有关。本研究得到的模型和规律为指导实际光测力学应用中的光路布置以减小数字相机自发热导致的测量误差提供了理论依据。     

Numerical simulation of a flapping four-wing micro-aerial vehicle

A three-dimensional numerical simulation of a four-wing (two wings on each side, one on top of another) flapping micro-aerial vehicle (FMAV), known as the Delfly micro, is performed using an immersed boundary method Navier–Stokes finite volume solver at Reynolds numbers of 5500 (forward flight condition). The objective of the present investigation is to gain an insight to the aerodynamics of flapping wing biplane configuration, by making an analysis on a geometry that is simplified, yet captures the major aspects of the wing behavior. The fractional step method is used to solve the Navier–Stokes equations. Results show that in comparison to the Delfly II flapping kinematics (a similar FMAV configuration but smaller flapping stroke angles), the Delfly-Micro flapping kinematics provides more thrust while maintaining the same efficiency. The Delfly-Micro biplane configuration generates more lift than expected when the inclination angle increases, due to the formation of a uniform leading edge vortex. Estimates of the lift produced in the forward flight conditions confirm that in the current design, the MAV is able to sustain forward flight. The potential effect of wing flexibility on the aerodynamic performance in the biplane configuration context is investigated through prescribed flexibility in the simulations. Increasing the wing׳ spanwise flexibility increases thrust but increasing chordwise flexibility causes thrust to first increase and then decrease. Moreover, combining both spanwise and chordwise flexibility outperforms cases with only either spanwise or chordwise flexibility.