CN112164021A - 航天器载荷振动的图像测量方法及测量装置 - Google Patents

航天器载荷振动的图像测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航天器载荷振动测量技术，具体涉及一种航天器载荷振动的图像测量方法。本发明所采用的技术方案为：一种航天器载荷振动的图像测量方法，包括以下步骤：步骤一，安装标记片和图像测量装置；步骤二，建立标记片轮廓图像与三维振幅的数据参照库；步骤三，测量待测量对象三维振幅，图像测量装置采集标记片轮廓图像后，图像测量装置根据数据参照库比对，找到与该轮廓图像对应的标记片在三维方向的振幅FX、FY、FZ，同时，图像测量装置根据每秒内标记片振动循环的次数，即可得出标记片的振动频率；本发明还提供了一种航天器载荷振动的图像测量装置。

Description

航天器载荷振动的图像测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及航天器载荷振动测量技术，具体涉及一种航天器载荷振动的图像测量方法及测量装置。
背景技术
目前航天器对于载荷低频振动频率和振幅测量都是采用振动传感器进行测量，该方法为接触式测量，每个传感器只能测量一个方向的响应，如果测量三维振幅需要三个传感器，结构安装复杂，提高了航天器振动测量的成本，并且无法应用于某些特定的航天器飞行环境。
发明内容
本发明提供了一种航天器载荷振动的图像测量方法及测量装置，用以克服现有航天器振动测量成本高、结构复杂且应用领域狭窄的问题。
本发明所采用的技术方案为：一种航天器载荷振动的图像测量方法，包括以下步骤：
1)安装标记片和图像测量装置
将N个标记片均匀分布在待测量对象表面，其中N≥3，图像测量装置安装在航天器壁上，且与N个标记片相对设置，所述图像测量装置先后通过图像的二值化处理和连通域标记，采集到N个标记片的全部轮廓图像。
N个标记片的二值化处理和连通域标记操作如下：
1.1)对N个标记片的图像预处理得到二值化图像，使得每个像素点的像素值只有1和0两种，其中1代表白色图像点，0代表黑色图像点；
1.2)将二值化图像进行遍历处理，找到第一个像素值为1的的点标记为1，并将其8邻域内所有像素值为1的点标记为1；
若将第二个像素值为1的点已经标记过，则跳过该像素点，继续遍历，否则该像素点标记为2，并且像素点标记为2的8邻域区域所有像素为1的点标记为2，以此类推，直到最后一个像素值为1的点，将其标记为n；
1.3)将步骤1.2所有标记过得像素点进行整合，若标记为1的像素点与其它标记(标记为2、3、……n)的像素点有相邻的像素点，则将其它标记的像素点的标记也改为1，以此类推，整合之后标记相同的像素点都是相邻的像素，即可认为是一个联通区域；
1.4)对每个联通区域进行分析，若第一个联通区域内的像素点标记都为1，则取第一个标记为1的四领域进行分析，若四领域内有与第一个标记相同的像素点，且个数大于一个，则对该四领域的每一个像素点的四领域继续分析，若该像素点的四邻域依然有与第一个标记相同的像素点，则删除该像素点的标记，否则保留该像素点标记；以此类推，当对每一个连通区域进行上述处理后，最终保留的就是每个标记片轮廓图像。
2)建立标记片轮廓图像与三维振幅的数据参照库
2.1)在地面模拟待测量对象在三维方向上进行不同幅度振动；
2.2)图像测量装置采集不同幅度振动下对应的N个标记片轮廓图像，并计算N个标记片质心在不同幅度振动下的三维振幅FX、FY、FZ；
图像测量装置计算N个标记片三维振幅FX、FY、FZ的方法如下：
2.2.1)以图像测量装置焦点作为三维坐标系的原点，建立三维直角坐标系；
2.2.2)图像测量装置根据采集的N个标记片轮廓图像，提取每个标记片轮廓图像的像素点坐标和像素点个数；
2.2.3)图像测量装置计算每个标记片的像素点坐标平均值，即N个标记片的像质心坐标；
2.2.4)测量任意两个N个标记片质心之间的实际距离，根据该实际距离以及N个标记片的像质心坐标，通过三点法位姿解算，得到N个标记片质心至焦点的目标距离；
2.2.5)计算待测量对象静止状态目标距离与振动状态目标距离的差值，即可得到待测量对象的振幅。
2.3)建立N个标记片轮廓图像与三维振幅FX、FY、FZ之间的数据参照库；
3)测量待测量对象三维振幅
当待测量对象在运行过程中发生振动时，图像测量装置采集N个标记片轮廓图像后，图像测量装置根据数据参照库比对，找到与该轮廓图像对应的N个标记片质心在三维方向的振幅FX、FY、FZ。
进一步地，步骤3)中，所述图像测量装置在测量待测量对象三维振幅的同时，根据每秒内标记片振动循环的次数，测量并得出待测量对象的振动频率。
进一步地，步骤1)中，所述N个标记片均为圆形，或N个标记片均为矩形，或N个标记片均十字状。
进一步地，所述N个标记片的外表面颜色采用黑色或白色，以获取最佳图像对比度。
进一步地，当标记片设置1个时，可在该标记片上选取3个或3个以上特征点进行振幅测量计算；
本发明还提供了一种航天器载荷振动的图像测量装置，包括N个标记片和图像测量装置，N个标记片均匀分布在待测量对象表面，图像测量装置安装在航天器壁上，且与N个标记片相对设置，所述图像测量装置能够采集到N个标记片的全部轮廓图像。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
一、本发明采用的一种航天器载荷振动的图像测量方法，使用的图像测量装置安全可靠，在地面模拟进行多次试验，得到标记片轮廓图像与待测量对象三维振幅之间的数据参照库，提高了图像测量装置采集数据的准确性和可靠性；图像测量装置在实际飞行中再找到与标记片轮廓图像对应的振幅，实现了对飞行、高温等特殊应用下航天器振幅的测量和分析，具有结构简单、测量成本低、非接触式测量、安全可靠和应用领域广泛等优点。
二、本发明采用的一种航天器载荷振动的图像测量方法，通过图像测量装置测量振幅的同时，还可以采集到标记片单位时间振动循环的次数，完成了对航天器载荷振动频率的测量。
三、本发明采用的一种航天器载荷振动的图像测量方法，使用N个标记片对待测量对象进行标记，避免了单点测量误差大的问题，提高了图像测量装置测量振幅的精确性。
附图说明
图1为本发明一种航天器载荷振动的图像测量装置结构示意图。
图2为本发明一种航天器载荷振动的图像测量装置中标记片的结构示意图。
图3为本发明一种航天器载荷振动的图像测量方法实施例中连通域标记原理图。
图4为本发明一种航天器载荷振动的图像测量方法实施例中三点法位姿解算模型结构示意图。
图中：1-标记片，2-图像测量装置。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
本实施例中的一种航天器载荷振动的图像测量方法，包括以下步骤：
1)安装标记片和图像测量装置
如图1所示，将3个标记片1均匀分布在待测量对象表面，图像测量装置2安装在航天器壁上，且与3个标记片相对设置，所述图像测量装置2先后通过图像的二值化处理和连通域标记，采集到3个标记片1的全部轮廓图像。如图2所示，所述3个标记片1均为圆形，或3个标记片1均为矩形，或3个标记片1均十字状，所述3个标记片1的外表面颜色采用黑色或白色，以获取最佳图像对比度。
3个标记片1的二值化处理和连通域标记操作如下：
1.1)对3个标记片1的图像预处理得到二值化图像，使得每个像素点的像素值只有1和0两种，其中1代表白色图像点，0代表黑色图像点；
1.2)将二值化图像进行遍历处理，找到第一个像素值为1的的点标记为1，并将其8邻域内所有像素值为1的点标记为1；
若将第二个像素值为1的点已经标记过，则跳过该像素点，继续遍历，否则该像素点标记为2，并且像素点标记为2的8邻域区域所有像素为1的点标记为2，以此类推，直到最后一个像素值为1的点，将其标记为n；
1.3)将步骤1.2所有标记过得像素点进行整合，如图3所示，若标记为1的像素点与其它标记(标记为2、3、……n)的像素点有相邻的像素点，则将其它标记的像素点的标记也改为1，以此类推，整合之后标记相同的像素点都是相邻的像素，即可认为是一个联通区域；
1.4)对每个联通区域进行分析，若第一个联通区域内的像素点标记都为1，则取第一个标记为1的四领域进行分析，若四领域内有与第一个标记相同的像素点，且个数大于一个，则对该四领域的每一个像素点的四领域继续分析，若该像素点的四邻域依然有与第一个标记相同的像素点，则删除该像素点的标记，否则保留该像素点标记；以此类推，当对每一个连通区域进行上述处理后，最终保留的就是每个标记片轮廓图像。
2)建立标记片轮廓图像与三维振幅的数据参照库
2.1)在地面模拟待测量对象在三维方向上进行不同幅度振动；
2.2)图像测量装置2采集不同幅度振动下对应的3个标记片1轮廓图像，并计算3个标记片1在不同幅度振动下的三维振幅FX、FY、FZ；
图像测量装置2计算3个标记片1三维振幅的方法如下：
2.2.1)以图像测量装置2焦点作为三维坐标系的原点，建立三维直角坐标系；
2.2.2)图像测量装置2根据采集的3个标记片1轮廓图像，提取每个标记片(1)轮廓图像的像素点坐标和像素点个数；
2.2.3)图像测量装置2计算每个标记片1的像素点坐标平均值，即3个标记片(1)的像质心坐标；
2.2.4)测量任意两个3个标记片1质心之间的实际距离，根据该实际距离以及3个标记片1的像质心坐标，通过三点法位姿解算，得到3个标记片1质心至焦点的目标距离；
2.2.5)计算待测量对象静止状态目标距离与振动状态目标距离的差值，即可得到待测量对象的振幅。
2.3)建立3个标记片1轮廓图像与三维振幅FX、FY、FZ之间的数据参照库；
3)测量待测量对象三维振幅
当待测量对象在运行过程中发生振动时，图像测量装置2采集3个标记片1轮廓图像后，图像测量装置2根据数据参照库比对，找到与该轮廓图像对应的3个标记片1在三维方向的振幅FX、FY、FZ。
步骤3)中，所述图像测量装置2在测量待测量对象三维振幅的同时，根据每秒内标记片1振动循环的次数，测量并得出待测量对象的振动频率。
三点法位姿解算如图4所示，三点法位姿解算计算3个质心的三维坐标具体如下：
A、B、C表示3个标记片1载荷振动的质心，由步骤2.2)可以得到AB、AC、BC的长度；
3个质心在图像测量装置2内部的像质心设定为A’、B’、C’，其中A’、B’、C’的像坐标已知，同时设定焦点为O，则O点到像平面A’B’C’的距离为相机焦距；
由上述数据参数可以得到A’B’、B’C’、A’C’的长度，OA’、OB’、OC’的长度，进而可根据下式求得∠A’OC’、∠A’OB’、∠B’OC’的值：
Figure BDA0002629913470000071
Figure BDA0002629913470000072
Figure BDA0002629913470000073
通过计算得到∠A’OC’、∠A’OB’、∠B’OC’的值，由于AB、AC、BC的长度已知,则可以利用∠A’OC’、∠A’OB’、∠B’OC’、AB、AC、BC计算OC、OB、OA的长度，为了公式简洁，令α＝∠A’OB’、β＝∠A’OC’、γ＝∠B’OC’、a＝BC、b＝AC、c＝AB、x＝OA、y＝OB、z＝OC，则可以将a、b、c、α、β、γ、x、y、z表示成下式的形式：
Figure BDA0002629913470000081
其中a、b、c、α、β、γ为已知量，x、y、z为待求量,通过上式即可解算出3个质心的三维坐标。
本发明还提供了一种航天器载荷振动的图像测量装置，包括3个标记片1和图像测量装置2，3个标记片1均匀分布在待测量对象表面，图像测量装置2安装在航天器壁上，且与3个标记片1相对设置，所述图像测量装置2能够采集到3个标记片1的全部轮廓图像。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)安装标记片和图像测量装置
将标记片(1)固连在待测量对象表面，图像测量装置(2)安装在航天器壁上，且与标记片(1)相对设置，所述图像测量装置(2)能够采集到标记片(1)的全部轮廓图像；
2)建立标记片轮廓图像与三维振幅的数据参照库
2.1)在地面模拟待测量对象在三维方向上进行不同幅度振动；
2.2)图像测量装置(2)采集不同幅度振动下对应的标记片(1)轮廓图像，并计算标记片(1)质心在不同幅度振动下的三维振幅FX、FY、FZ；
2.3)建立标记片(1)轮廓图像与三维振幅FX、FY、FZ之间的数据参照库；
3)测量待测量对象三维振幅
当待测量对象在运行过程中发生振动时，图像测量装置(2)采集标记片(1)轮廓图像后，图像测量装置(2)根据数据参照库比对，找到与该轮廓图像对应的标记片(1)质心在三维方向的振幅FX、FY、FZ。
2.根据权利要求1所述的一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于：步骤3)中，所述图像测量装置(2)在测量待测量对象三维振幅的同时，根据每秒内标记片(1)振动循环的次数，测量并得出待测量对象的振动频率。
3.根据权利要求2所述的一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述标记片(1)为圆形、矩形或十字形。
4.根据权利要求2或3所述的一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述标记片(1)设置有N个，其中N≥3，N个标记片(1)的外表面颜色均采用黑色或白色，以获取最佳图像对比度。
5.根据权利要求4所述的一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于：步骤2.2)中，图像测量装置(2)计算标记片(1)三维振幅FX、FY、FZ的方法如下：
2.2.1)以图像测量装置(2)焦点作为三维坐标系的原点，建立三维直角坐标系；
2.2.2)图像测量装置(2)根据采集的N个标记片(1)轮廓图像，提取每个标记片(1)轮廓图像的像素点坐标和像素点个数；
2.2.3)图像测量装置(2)计算每个标记片(1)的像素点坐标平均值，即N个标记片(1)的像质心坐标；
2.2.4)测量任意两个N个标记片(1)质心之间的实际距离，根据该实际距离以及N个标记片(1)的像质心坐标，通过三点法位姿解算，得到N个标记片(1)质心至焦点的目标距离；
2.2.5)计算待测量对象静止状态目标距离与振动状态目标距离的差值，即可得到待测量对象的振幅。
6.根据权利要求5所述的一种航天器载荷振动的图像测量方法，其特征在于：步骤2.2)中，图像测量装置(2)先后通过图像的二值化处理和连通域标记方法，采集标记片(1)的全部轮廓图像。
7.一种航天器载荷振动的图像测量装置，其特征在于：包括标记片(1)和图像测量装置(2)，标记片(1)设置在待测量对象表面，图像测量装置(2)安装在航天器壁上，且与标记片(1)相对设置，所述图像测量装置(2)能够采集到标记片(1)的全部轮廓图像。
8.根据权利要求7所述的一种航天器载荷振动的图像测量装置，其特征在于：所述标记片(1)设置有N个，其中N≥3，且N个标记片(1)均匀分布在待测量对象表面。
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