[发明专利]一种实时获取振动物体表面四维振动信息的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及振动测量技术领域，特别是一种利用RGB-D摄像机实时获取振动物体表面四维振动信息的测量方法。

背景技术

振动工程作为一门新兴的工程学科，它与工业生产及国民经济紧密相关。合理运用这一学科的理论、技术与方法，可以创造出高效的技术经济效益与社会效益。有害的振动会给机械工业和其他工业部门招致巨大的损失。因此利用振动工程的理论、技术和方法来研究振动特性，制定相应的解决方案，对提高工业生产的效益和安全性具有重要的实际意义。

现代振动研究的基本内容包括：振动设计、系统识别和环境预测三个方面：1、振动设计：在已知激励的情况下，设计系统的振动特性，使它的响应满足所需要求；2、系统识别：在已知系统的激励和响应的条件下研究系统的特性，即用实验数据与数学分析相结合的方法确定振动系统的数学模型。若已知机械结构运动方程的一般形式，系统识别则简化为参数识别，参数识别可以在频域内进行，也可以在时域内进行，有的则需要在频域和时域内同时进行；3、环境预测：在已知系统的特性和响应的条件下研究激励。在机械工程领域内，为确保机械设备安全可靠地运行，机械结构的振动监控和诊断也引起了人们的重视。

现代振动研究的研究方法：振动测试是与理论分析计算结合采用的，在已知机械设备的动力学模型、外部激励和工作条件的基础上采集数据，借助振动理论知识，分析研究测量对象的动态特性、力学特性等。

振动测量的方法有多种，依据测振传感器与被测物接触与否，振动的测量可以分为接触测量和非接触测量。依据振动传感器原理的不同，又可以分为加速度型、速度型和位移变化检测型三种。其中加速度型和速度型属于接触测量型，使用时需将其固定在被测物体上，位移变化检测型既可属于接触测量型也可属于非接触测量型。

1、接触式测量：接触式测量方法将传感器安装在选定的测量位置上，利用传感器的测量原理（如：压电式，电阻式，电动式等测量传感器）完成信号量的转换，获取传感器粘贴位置的振动数据。按照检测频率，加速度型测振传感器主要用于中频到高频范围，速度型测振传感器主要用于中频范围，而位移检测型主要用于直流到低频范围。接触式测量存在以下几点不足：（1）振动测量数据的维度低；（2）无法直接测量无传感器位置振动信息，其他无传感器位置只能借助数学模型进行预测；（3）针对多点测量情况，只能依靠增加放置传感器数量，或者进行多次测量完成，增加了测量成本，降低了测量效率；（4）位移传感器不适合测量大幅度振动，加速度与速度传感器在低频振动测量中误差较大。

2、非接触式测量：非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法如激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。现有的机器视觉测量方法具体包括单目视觉、双目立体视觉等测量方法。非接触式测量存在以下几点不足：（1）激光三角测量法、超声测量法等设备复杂、昂贵，测量成本高；（2）利用可见光图像的单目视觉测量方法受光照变化、阴影物体遮挡以及环境变化等因素的干扰较大；（3）双目立体视觉测量方法需要通过识别标记点才可以获取标记点处的三维振动信息，振动表面上无标记点位置信息将无法直接进行测量。

利用深度相机进行场景深度信息测量是近年来兴起的技术，这主要得益于深度图摄像机的成本降低，特别是微软推出的一款RGB-D摄像机：Kinect，极大地激发了研究者将RGB-D摄像机应用到医学、娱乐、机械等各研究领域。

Kinect 包含3个摄像头，中间的镜头为RGB彩色摄像机，左右两边镜头分别为红外线发射器和红外线COMS摄像机，传感器可以同时获取RGB和深度图像数据。Kinect 深度成像的原理是利用光编码(Light Coding) 技术，其中，红外线发射器与红外线COMS摄像机成一定角度对准目标场景，而不均匀透明介质放置于激光发射器镜头前，红外线发射器发射一束红外线透过不均匀介质后在场景中形成激光散斑，CMOS红外接收器获取散斑图像，并根据Kinect内部参数运用数学三角关系换算成深度值。传感器以每秒30帧的速度生成深度图像流，结合深度图图像坐标和小孔成像原理，实时获取测量视场内的物体表面的三维信息。

与其它传统的接触式传感器、非接触式传感器相比，Kinect 深度相机的优势在于：（1）一次性获取场景中所有点的四维信息；（2）无需借助识别其它标记点即可获取场景点的三维信息；（3）采集数据的实时性好；（4）Kinect拍摄获取的深度图分辨率较高；（5）获取深度信息时受光照影响小；（6）Kinect价格低廉，使用成本低。

发明内容