高速摄影系统在大型机械件运动轨迹的光学测量方法研究

大型机械件的运动轨迹研究是设计和控制大型机械件的必要步骤。针对大型机械件运动轨迹的测量问题，分析了传统测量方法存在的不足和局限性，提出了基于高速摄影系统的光学测量方法，该方法具有非接触、抗干扰、测量结果直观可见等显著优点，且可一次完成多目标、多参数测量，同时给出了完整的测量方案。

【关键词】大型机械件 运动轨迹 光测法

1 引言

伴随着航空航天、汽车、船舶等领域在大型机械件设计和制造方面的快速发展，如何跟踪这些大型机械件的运动轨迹以便于对运动轨迹进行控制已经成为一个重要的研究课题。在工业现场，大型机械件的运动轨迹是一个非常快速的过程，同时呈现复杂的三维六自由度运动模式。光学测量方法具有非接触、抗干扰、测量结果直观可见等显著优点，且可一次完成多目标、多参数测量。因此，本文采用基于光学测量方法对大型机械件的运动轨迹进行研究。

2 使用位移传感器测量方法及其存在的问题

传统的测量方法是通过在大型机械件表面安装位移传感器，位移传感器采集到的信号再送往信号调理放大器，最后由数据采集仪进行采集和处理分析。这种测量方式属于直接测量，但由于大型机械件运动轨迹测量的特殊性，使得这种测量方法存在如下问题：

2.1 位移传感器安装不便，测量结果重复性差

由于每次测量均需要重新对准安装位置，且安装方法没有形成统一的标准；

2.2 传感器支架自身变形影响测量精度

位移传感器需要安装在固定支架上，才能完成测量，而当大型机械件是通过受到外力作用下产生运动，那么支架在该外力的作用下自身产生变形，并将自身变形附加在测量结果中，从而影响测量结果；

2.3 位移传感器难以跟踪大型机械件的快速移动

大型机械件的迅速移动，导致支架和位移传感器难以快速跟随。

3 运动轨迹的光学测量

运动轨迹的光学测量方法是一种基于高速摄影和运动分析技术的测量方法，它利用轨迹捕捉系统对大型机械件的运动全过程进行运动学分析，并通过运动学参数计算，最终得出大型机械件上各测量点的运动轨迹。

3.1 高速摄影及轨迹捕捉系统

高速摄影及轨迹捕捉系统是利用摄影手段对被测对象进行连续高速拍摄，并据此进行轨迹捕捉和运动参数分析的专用设备。其基本组成是：高速摄影机及其附件、控制分析计算机和轨迹捕捉系统软件，各部分的作用如下：

3.1.1 高速摄影机及其附件

高速摄影机用于将研究对象以一连串图像的方式连续记录下来，并将其存贮在内部存贮器中。高速摄影机的附件包括镜头、接线盒、灯具等，在拍摄时起着辅助作用。

3.1.2 控制和分析计算机

该计算机用于控制数字式高速摄影机设定拍摄参数，并完成拍摄和图像下载、传输和转换。同时，配合轨迹捕捉系统软件，该计算机还可完成被测对象的运动参数分析。

3.1.3 轨迹捕捉系统软件

该软件是一种专业的计算机应用软件，它根据高速摄影机的拍摄结果，利用图像分析技术得到图像上运动目标的运动参数，

3.2 运动轨迹光学测量的方法和步骤

利用高速摄影机和分析软件可以捕捉到大型机械件的运动轨迹并分析得到其运动过程中的位移曲线s（t）（x（t）、y（t）、z（t））。由于单台摄影机通常只能进行平面运动测量，则要测量大型机械件质心处的运动轨迹，高速摄影机必须沿大型机械件 轴向布置和拍摄。由于工业现场使用的大型机械件通常是规则的机械体，因此也必须把用于测量的目标点布置在大型机械件的前后端面，并采用两架摄影机分别从前后同步拍摄。

利用高速摄影方法测量侧向位移的步骤如下：

第一步，粘贴目标点。首先，在大型机械件前端面上布置1点、2点和O点，三点位于通过中心轴的水平线上；大型机械件后端面上布置3点、4点和P点，三点同样位于通过中心轴的水平线上。其中，1点、2点、3点、4点位于端面两侧边缘，O点、P点分别位于前后端面中心处。

第二步，拍摄分离过程。通过两台高速摄影机分别从前、后两个方向同步拍摄，我们就可以得到整个运动过程中前、后共6个目标点的运动轨迹。

第三步，长度标定。测量之前，利用1点、2点对前测量平面进行长度标定，利用3点、4点对后测量平面进行长度标定。

第四步，运动分析。通过轨迹捕捉系统软件分析高速摄影机的拍摄结果，利用图像分析技术得到前、后端面中心O点、P点的 x（t）、y（t）、z（t） 运动轨迹。

通过上述方法和步骤，仅得到了大型机械件前后两端的运动轨迹，要得到大型机械件质心处的运动轨迹，还需要根据大型机械件的外观尺寸等参数建立相应的数学模型，并通过计算得来。

3.3 标定方法的影响及排除方法

长度标定是高速摄影运动分析的基础和精度保证。由于大型机械件的运动轨迹是一个三维六自由度运动模式。为此，在分析过程中，我们采取了动态标定的方法，即在每一帧数据中都使用位于同一平面内的已知距离点进行标定，解决了这一问题。

4 结论

通过对大型机械件运动轨迹光学测量方法的研究和应用，我们可以得出以下结论：

（1）使用高速摄影运动分析方法是大型机械件运动轨迹测量的有效方法，在采取措施消除一些客观因素的影响后，可得到精度较好的测量结果。

（2）通过反复实践和测试，证明这种方法具有较好的可实施性和重复性，并可同时测量大型机械件运动过程中多个位置的侧向位移。

（3）大型机械件运动轨迹光学测量方法也存在一定局限性，比如：在大型机械件为非规则机械体时，对标定点位置的选取存在较大难度。目前，上述问题已有更好的解决方案，但尚需进行进一步探索。

参考文献

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[5]董士崇，王天珍.视频图像的运动分析[D].武汉：武汉理工大学，2005.

作者简介

刘越（1988-），女，河南省周口市人。硕士研究生学历。现供职于中航工业郑州飞机装备有限责任公司弹射技术实验室，主要从事试验与测试方向的研究。

周志卫（1967-），男，河南省平舆县人。大学本科学历。现供职于中航工业郑州飞机装备有限责任公司弹射技术实验室，主要从事试验与测试方向的研究。

张建（1984-），男，四川省成都市人。大学本科学历。现供职于中航工业郑州飞机装备有限责任公司弹射技术实验室，主要从事试验与测试方向的研究。

作者单位

中航工业郑州飞机装备有限责任公司弹射技术实验室 河南省郑州市 450000