基于機(jī)器視覺的無標(biāo)記圖像低頻加速度計(jì)動態(tài)校準(zhǔn)方法

摘 要： 針對現(xiàn)有的低頻加速度計(jì)校準(zhǔn)方法存在系統(tǒng)復(fù)雜、精度有限和校準(zhǔn)類型限制的問題，難以滿足日益增長的高性能低頻加速度計(jì)動態(tài)校準(zhǔn)需求。因此，提出一種基于機(jī)器視覺的無標(biāo)記圖像低頻加速度計(jì)校準(zhǔn)方法，通過高精度攝像機(jī)拍攝運(yùn)動序列圖像，并建立參考圖像與目標(biāo)圖像的感興趣區(qū)域，使用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行振動臺激勵的高精度復(fù)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)低頻加速度計(jì)的校準(zhǔn)。為驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性，與激光干涉法在0.1～10 Hz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，靈敏度幅值校準(zhǔn)平均誤差為0.769 6%，最大相對誤差為1.536%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器視覺法可實(shí)現(xiàn)在0.1～10 Hz 范圍內(nèi)的靈敏度幅值高精度校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 振動校準(zhǔn); 低頻加速度計(jì); 機(jī)器視覺法; 激光干涉法

中圖分類號： TB9; TH711 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0107–07

0 引 言

近年來，低頻加速度計(jì)被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、地震預(yù)警和橋梁健康監(jiān)測等振動監(jiān)測領(lǐng)域[1-4]。然而，由于加速度計(jì)的長期使用和機(jī)械部件老化可能產(chǎn)生誤差累積，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，為保障檢測系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，需要定期對其進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。目前，最常用的低頻校準(zhǔn)方法包括激光干涉法[5] 和地球重力法[6]。激光干涉法基于多普勒測速與激光干涉原理，能夠在寬頻域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度測量，但由于其系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、靈活性差，使得其難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。地球重力法是一種簡單、成本低廉且易于操作的低頻加速度計(jì)校準(zhǔn)方法，具有廣泛的適用性和實(shí)用性，但其只能進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，無法用于靈敏度幅值的動態(tài)校準(zhǔn)。

因機(jī)器視覺技術(shù)具有非接觸、高精度、靈活性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域的高精度位移測量[7-10]。Yang 等[11-13] 提出一種基于機(jī)器視覺的高精度位移測量方法，實(shí)現(xiàn)了0.01～10 Hz頻率范圍內(nèi)振動傳感器線角振動量值復(fù)現(xiàn)，并成功應(yīng)用于振動傳感器校準(zhǔn)，驗(yàn)證了機(jī)器視覺法在低頻范圍內(nèi)有著較高的校準(zhǔn)精度。Zhong 等[14] 提出一種新型的基于視覺的條紋投影振動測量系統(tǒng)來監(jiān)測旋轉(zhuǎn)軸的徑向位移，所提方法可實(shí)現(xiàn)單目視覺的多維振動測量，且系統(tǒng)具有簡單、方便、精度高等特點(diǎn)，但是需要額外配置投影設(shè)備。由于現(xiàn)場環(huán)境難以布置標(biāo)志物或額外設(shè)備，Xu 等[15] 開發(fā)的基于視覺的多點(diǎn)位移監(jiān)測系統(tǒng)，擺脫了人工設(shè)置靶標(biāo)的限制，利用物體本身的紋理特征作為天然靶標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)位移的同步測量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，該系統(tǒng)取得了±0.037 mm 的測量精度。針對低頻加速度計(jì)校準(zhǔn)能力和效率提升的需求，本文提出一種基于機(jī)器視覺的無標(biāo)記圖像低頻加速度計(jì)校準(zhǔn)方法，所提出的校準(zhǔn)系統(tǒng)僅需低成本相機(jī)和筆記本電腦即可構(gòu)建，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。與傳統(tǒng)方法相比，該方法不僅可有效降低校準(zhǔn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且能顯著提高低頻振動測量的靈活性和適用性。