本發(fā)明屬于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于視覺測量技術(shù)針對風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)洞模型振動的抑制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是依據(jù)運(yùn)動的相對性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ诘孛嫒斯きh(huán)境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代飛機(jī)研制和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞模型一般采用尾部支撐方式，模型的尾部連接測力天平和支桿，并將支桿的尾部固定在彎刀上面，風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)形成一個典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)。該種支撐方式對模型周圍流場影響較小，但是由于尾部支撐的支桿長度一般是模型長度的三到五倍，該懸臂梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度較低，在進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時模型受到頻率范圍較寬的氣動載荷激勵，模型-支桿系統(tǒng)會在一階固有振動頻率處產(chǎn)生低頻、大振幅的振動。風(fēng)洞模型的振動幅值會隨著實(shí)驗(yàn)中模型攻角的增大而增大，該種低頻大幅值振動會導(dǎo)致測力天平不能正常工作，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲得的氣動數(shù)據(jù)的精確度降低，嚴(yán)重時甚至對風(fēng)洞模型-天平-支桿支撐系統(tǒng)造成損壞，影響風(fēng)洞運(yùn)行的安全。由于風(fēng)洞流場環(huán)境復(fù)雜，信號相互干擾以及安裝空間有限等條件的限制，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模型振動的抑制仍然是急需解決的世界性難題。

2007年NASA NTF研究所S.Balakrishna等人在《Development of a Wind Tunnel Active Vibration Reduction System》中提出了采用測力天平作為振動信號采集器并將采集的信號作為反饋信號實(shí)現(xiàn)模型振動的主動控制。但是天平信號非常微弱，極易受到高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號的干擾，且風(fēng)洞環(huán)境復(fù)雜，具有強(qiáng)電場與強(qiáng)磁場，影響到振動信號的反饋，進(jìn)而造成高壓壓電陶瓷作動器控制的不準(zhǔn)確，影響振動抑制的效果。2013年南京航空航天大學(xué)涂凡凡、宋靜、陳衛(wèi)東等人在《人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在壓電主動減振系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》和《基于迭代學(xué)習(xí)控制的振動主動控制技術(shù)研究》中采用加速度傳感器采集振動信號并反饋給控制器來實(shí)現(xiàn)模型振動的主動控制。振動加速度信號轉(zhuǎn)化為振動位移信號需要經(jīng)過二次積分，由于積分區(qū)間即振動初始位置和終止位置的不確定，導(dǎo)致振動位移信號不準(zhǔn)確。且加速度傳感器信號同樣存在易受到高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號干擾的問題，信號還需要經(jīng)過濾波器處理，造成反饋信號與控制器輸出信號的遲滯現(xiàn)象，影響作動器控制的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響對風(fēng)洞模型振動進(jìn)行抑制的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種風(fēng)洞模型振動抑制系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field－Programmable Gate Array，以下簡稱為FPGA)的視覺測量技術(shù)將相機(jī)采集得到的圖像信號快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而直接得到風(fēng)洞模型的振動位移信號，利用得到的振動信號作為反饋信號形成對風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)振動的主動控制。由于視覺測量是一種非接觸式的測量技術(shù)，能夠在風(fēng)洞的觀察窗外對風(fēng)洞模型的振動信號進(jìn)行采集，因此采用該種方式能夠有效避免風(fēng)洞復(fù)雜強(qiáng)電磁場環(huán)境和高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號對振動測量信號的干擾，同時基于FPGA的視覺振動測量技術(shù)具有信號處理傳輸速度快的特點(diǎn)，能夠有效避免測量信號遲滯的問題。因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有高可靠性、魯棒性的特點(diǎn)，解決了現(xiàn)有的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模型振動的抑制困難的難題，適合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的應(yīng)用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是基于視覺測量技術(shù)的風(fēng)洞模型振動抑制方法，其特征是，該方法采用工業(yè)相機(jī)拍攝風(fēng)洞模型的振動圖像，并利用FPGA視覺測量系統(tǒng)的圖像高速實(shí)時處理傳輸技術(shù)，解算出振動位移信號并轉(zhuǎn)化為模擬量反饋給控制器，控制器輸出控制信號，并經(jīng)過功率放大，實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷作動器的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動主動抑制的目的；方法的具體步驟如下：

步驟一 基于視覺測量的風(fēng)洞模型支桿抑振系統(tǒng)的硬件搭建

在風(fēng)洞模型的支桿8前端粘貼自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)9，并在標(biāo)記點(diǎn)9前方適當(dāng)位置布置工業(yè)相機(jī)1，用于接收光學(xué)信號進(jìn)行圖像采集；圖像采集卡4安裝在計算機(jī)2主板上，用于圖像信號的采集和傳輸；連接工業(yè)相機(jī)1接口和圖像采集卡4，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集卡4安裝在計算機(jī)主板上，用于數(shù)字信號的采集和模擬信號的傳遞；連接輸入輸出卡3與控制器5，輸入輸出卡3安裝在計算機(jī)1上，根據(jù)控制器內(nèi)的控制算法計算，得到控制器的控制信號；功率放大器6的一端與控制器5連接，功率放大器6的另一端與作動器7連接，作動器7和風(fēng)洞模型的支桿8連接，由作動器7產(chǎn)生位移和彎矩，對振動進(jìn)行抑制；

步驟二 視覺振動圖像采集系統(tǒng)標(biāo)定

采用張氏標(biāo)定法以精密二維靶標(biāo)對視覺振動圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；利用靶標(biāo)角點(diǎn)求解坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的偏差函數(shù)對張氏標(biāo)定方法求解出的工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，公式為：

g(x)＝(X_w-X_d)²+(Y_w-Y_d)²+(Z_w-Z_d)² (1)

其中，X_w，Y_w，Z_w為靶標(biāo)角點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，而X_d，Y_d，Z_d為通過工業(yè)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解的各角點(diǎn)坐標(biāo)，則建立目標(biāo)函數(shù)如下：

其中,為所有角點(diǎn)偏離實(shí)際坐標(biāo)距離的平方和，應(yīng)用LM算法求取目標(biāo)函數(shù)G(x)，得到內(nèi)外參數(shù)的全局最優(yōu)解；通過該方法即得到工業(yè)相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系下的對應(yīng)關(guān)系；計算得到表征二者關(guān)系的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣，公式為：

步驟三 進(jìn)行參數(shù)法閾值處理，中值濾波

采用高速工業(yè)相機(jī)對風(fēng)洞模型進(jìn)行拍攝，得到能夠表征支桿振動的圖像信號；對原始圖像進(jìn)行處理，將自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)附近的區(qū)域從背景中分離出來；這里采用參數(shù)法閾值處理；選用均一閾值處理方法，從最低的灰度值開始，計算圖像的直方圖分步,其中t＝0,1,2,…，255，表示圖像的灰度值；整個直方圖中目標(biāo)區(qū)域所占比例為

用公式(5)、(6)計算圖像的閾值T，將大于一個特定閾值的像素設(shè)為白色，小于該閾值的像素設(shè)為黑色，將感興趣區(qū)域從背景中分離出來；

T＝argmin|P₁(t)-P₁| (5)

其中,f(x,y)為灰度圖像的灰度值，T為閾值，g(x,y)為閾值處理后的灰度圖像；

經(jīng)過閾值處理的圖像，還可能存在由圖像傳輸系統(tǒng)中解碼誤差等等原因產(chǎn)生的導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)孤立的白點(diǎn)和黑點(diǎn)的椒鹽噪聲；采用中值濾波，即采用一個含有奇數(shù)個點(diǎn)的滑動窗口，用窗口中各點(diǎn)灰度值的中值來代替中心點(diǎn)的灰度值；運(yùn)用中值濾波去除在保留邊界的同時抑制噪聲信息；

步驟四 連通區(qū)域，提取坐標(biāo)。

以上預(yù)處理之后的圖像是品質(zhì)較好的包含表征自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)位置的灰度圖像，發(fā)光點(diǎn)位置由數(shù)個連通的像素點(diǎn)組成；需要將這些像素點(diǎn)組成的多個連通區(qū)域進(jìn)行識別，運(yùn)用閾值分割的方法對輸入的圖像進(jìn)行基于灰度的相似性聚類；對完成分割后的圖像進(jìn)行連通、區(qū)域腐蝕、再次連通和感興趣區(qū)域膨脹的處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)值排除不符合要求的連通區(qū)域，分析出代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的連通區(qū)域的位置；連通區(qū)域中某個像素點(diǎn)的位置能夠代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)中心的位置，使用灰度重心法確定該位置；灰度重心法是用圖像的灰度值作為權(quán)值的加權(quán)形心法；灰度圖像I(x,y)中目標(biāo)S的灰度重心坐標(biāo)(x₀,y₀)為：

用兩個連續(xù)像素的灰度值代表所需的像素坐標(biāo)值，即將這兩個連續(xù)像素灰度值的二進(jìn)制數(shù)直接合成實(shí)際所需的像素坐標(biāo)的二進(jìn)制數(shù)；將所得的像素坐標(biāo)利用式(2)求得的R、T矩陣帶入如下公式(8)中，求得在世界坐標(biāo)系中標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，該坐標(biāo)以數(shù)字信號的形式寄存和傳遞；

步驟五 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號

上述數(shù)字信號存儲在內(nèi)存當(dāng)中，基于C語言編程讀取內(nèi)存中的坐標(biāo)信息，輸出能夠表征自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)位置的模擬信號，以電壓的形式輸出；

u_x＝f(x)，u_y＝f(y) (9)

利用DA單極性模擬量數(shù)據(jù)輸出格式，輸出振動電壓信號；輸出電壓值與設(shè)備的DA原始碼的換算關(guān)系為：

其中，nDAData表示寫向設(shè)備的DA原始碼，V_out為輸出的電壓值，V是模擬量輸出轉(zhuǎn)換器的輸出量程上限；

步驟六 輸出抑振

上述步驟中生成的振動信號輸入到控制器當(dāng)中，作為振動抑制系統(tǒng)的反饋信號；由控制器控制算法對反饋信號進(jìn)行處理運(yùn)算生成控制信號，經(jīng)由功率放大器將控制信號放大產(chǎn)生驅(qū)動壓電陶瓷工作的控制信號，壓電陶瓷輸出與模型振動方向相反的力和力矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動的抑制。

本發(fā)明的有益效果是在風(fēng)洞環(huán)境下，采用基于FPGA的視覺測量的方式測量風(fēng)洞模型的振動信號作為控制作動器工作的反饋信號，有效避免高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號對振動測量信號的干擾和濾波器產(chǎn)生的輸入信號的遲滯。采用該種方法可使作動器控制穩(wěn)定、精確，進(jìn)而提升對風(fēng)洞模型振動抑制的效果。

附圖說明

圖1為整個基于視覺測量的風(fēng)洞模型支桿抑振硬件系統(tǒng)的搭建示意圖。其中，1-工業(yè)相機(jī)，2-計算機(jī)，3-輸入輸出卡，4-圖像采集卡，5-控制器，6-功率放大器，7-作動器，8-風(fēng)洞模型支桿，9-自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)。

圖2基于視覺測量的風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)抑制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1為整個基于視覺測量的風(fēng)洞模型支桿抑振硬件系統(tǒng)的搭建示意圖，實(shí)施過程中采用在風(fēng)洞模型表面粘貼LED點(diǎn)光源的方式實(shí)現(xiàn)自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的制備，選用德國Mikrotron相機(jī)公司生產(chǎn)的EoSens 25CXP型號工業(yè)相機(jī)對準(zhǔn)自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)，該工業(yè)相機(jī)在4百萬像素下采集幀頻為500fps。采用NikonAF-S Nikkor 24-70mm f/2.8G ED鏡頭連接在工業(yè)相機(jī)上對準(zhǔn)自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行振動圖像的拍攝。FPGA圖像采集卡選擇德國SiliconSoftware GmbH推出的microEnable 5 ironman CXP系列采集卡，型號為MicroEnable 5 ironman VQ8-CXP6D，該采集卡能夠與選定的相機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時處理與傳輸，同時具有VisualApplets編程的功能，從而實(shí)現(xiàn)振動圖像的實(shí)時采集和預(yù)處理功能。選用PCI9602數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號的D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬量電壓信號?？刂破鳛榈聡鴇Space公司生產(chǎn)的實(shí)時仿真控制器。功率放大器即電壓放大驅(qū)動電源為TREK公司生產(chǎn)的PZD700A雙通道電源給高壓壓電陶瓷作動器供電。高壓壓電陶瓷作動器選用芯明天公司生產(chǎn)的型號為20VS12的作動器安裝在支桿中輸出與風(fēng)洞模型振動方向相反的力與力矩，用作抑制風(fēng)洞模型的振動。

圖2基于視覺測量的風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)抑制方法的流程圖，方法的具體步驟如下：

步驟一 先搭建視覺測量的風(fēng)洞模型支桿抑振系統(tǒng)的硬件設(shè)備，如圖1所示。

步驟二 視覺振動圖像采集系統(tǒng)標(biāo)定

本發(fā)明采用以張正友等人提出的基于二維靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行標(biāo)定得到高速相機(jī)的內(nèi)參數(shù)K以及采用歸一化8點(diǎn)算法優(yōu)化得到基本矩陣F，在應(yīng)用Levenberg－Marquardt(LM)方法對公式(1)、(2)進(jìn)行優(yōu)化，可得到該拍攝相機(jī)內(nèi)外參數(shù)全局最優(yōu)解。根據(jù)公式(3)得到標(biāo)定結(jié)果。

步驟三 進(jìn)行參數(shù)法閾值處理，中值濾波

采用高速工業(yè)相機(jī)對風(fēng)洞模型進(jìn)行拍攝，得到能夠表征支桿振動的圖像信號。采用參數(shù)法閾值處理對原始圖像進(jìn)行處理。根據(jù)公式(4)計算整個直方圖中目標(biāo)區(qū)域所占比例，根據(jù)公式(5)(6)圖像像素坐標(biāo)針對閾值T進(jìn)行感知，將自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)附近的區(qū)域從背景中分離出來。將大于一個特定閾值的像素設(shè)為白色，小于該閾值的像素設(shè)為黑色，實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域的分離。

運(yùn)用中值濾波去除存在由圖像傳輸系統(tǒng)中解碼誤差等等原因產(chǎn)生的導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)孤立的白點(diǎn)和黑點(diǎn)的椒鹽噪聲，在保留邊界的同時抑制噪聲信息。

步驟四 連通區(qū)域，提取坐標(biāo)。

運(yùn)用閾值分割的方法對輸入的圖像進(jìn)行基于灰度的相似性聚類。對完成分割后的圖像進(jìn)行連通、區(qū)域腐蝕、再次連通和感興趣區(qū)域膨脹的處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)值排除不符合要求的連通區(qū)域，分析出代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的連通區(qū)域的位置。

利用公式(7)，使用灰度重心法確定連通區(qū)域中某個能夠代表自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)中心位置的像素點(diǎn)的坐標(biāo)(x₀,y₀)。用兩個連續(xù)像素的灰度值代表所需的像素坐標(biāo)值，利用公式(8)求得在世界坐標(biāo)系中標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，該坐標(biāo)以數(shù)字信號的形式寄存和傳遞。

步驟五 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號

數(shù)字信號存儲在內(nèi)存當(dāng)中，基于C語言編程讀取內(nèi)存中的坐標(biāo)信息，輸出能夠表征自發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)位置的模擬信號，利用公式(9)(10)計算輸出電壓u_x、u_y。

步驟六 輸出抑振

將代表振動信息的電壓信號輸入到控制器當(dāng)中，作為振動抑制系統(tǒng)的反饋信號。由控制器控制算法對反饋信號進(jìn)行處理運(yùn)算生成控制信號，經(jīng)由功率放大器將控制信號放大產(chǎn)生驅(qū)動壓電陶瓷工作的控制信號，壓電陶瓷輸出與模型振動方向相反的力和力矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型振動的抑制。

本發(fā)明采用視覺測量技術(shù)將相機(jī)采集得到的圖像信號快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而得到風(fēng)洞模型的振動信號，利用得到的振動信號作為反饋信號形成對風(fēng)洞模型-天平-支桿系統(tǒng)振動的主動控制。由于視覺測量是一種非接觸式的測量技術(shù)，因此采用該種方式能夠有效避免高壓壓電陶瓷驅(qū)動信號對振動測量信號的干擾，同時基于FPGA的視覺振動測量技術(shù)具有信號處理傳輸速度快的特點(diǎn)，能夠有效避免測量信號遲滯的問題。該系統(tǒng)具有高可靠性和魯棒性。