Оптико-электронный комплекс измерения деформации поверхности в режиме реального времени
Ключевые слова:
измерения деформации, цифровая обработка изображений, измерения в режиме реального времени
Аннотация
Проблема измерения деформаций характерна для многих отраслей науки и техники. Чаще всего она встречается в автомобильной промышленности, строительстве и авиации. В последнем случае (из-за ряда особенностей отрасли) измерение деформации носит жизненно важный характер. В настоящее время в авиастроении актуальна задача проведения исследований в полетном эксперименте. Разработке подобных методов посвящены международные научно-технические проекты AIM и AIM2. В результате их реализации предложена новая разновидность видеограмметрического метода измерения деформаций — метод корреляции фоновых изображений. Он основан на кросскорреляционной обработке изображений и успешно применен в полетных испытаниях на различных типах летательных аппаратов, начиная Evektor VUT100 Cobra и заканчивая Airbus 380.
Рассмотрен разработанный оптико-электронный комплекс для измерения 3D-деформаций поверхностей в режиме реального времени. Он построен на базе метода корреляции фоновых изображений и позволяет проводить измерения в натурном эксперименте и в режиме реального времени. Приведено детальное описание метода и составляющих частей комплекса. Представлен алгоритм обработки изображений с помощью программного обеспечения DeformVision. Для проверки работоспособности комплекса проведены экспериментальные исследования с помощью имитатора деформирующейся поверхности. Результаты исследований показали, что разработанный комплекс обладает точностью 0,5 мм на площади 900 см2 при амплитуде смещений 10 мм. При этом программное обеспечение позволяет проводить измерения в режиме реального времени со скоростью не менее 5 измерений в секунду.
Литература
1. Boden F., Jentink H., Petit C. IPCT Wing Deformation Measurements on a Large Transport Aircraft // Advanced In-Flight Measurement Techniques. Springer,
2013. Pp. 93—115.
2. Veerman H.P.J., Kannemans H., Jentink H.W. Highly Accurate Aircraft In-flight Wing Deformation Measurements Based on Image Correlation // Advanced In-flight Measurement Techniques. Springer, 2013. Pp. 15—32.
3. Kirmse T. e. a. Fan Blade Deformation Measurements on the DLR Airbus A320-ATRA by Means of IPCT as Part of the Ground Test Campaign in the Frame of the DLR-project SAMURAI // New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. Springer, 2016. Pp. 629—638.
4. Kirmse T. Recalibration of a Stereoscopic Camera System for In-flight Wing Deformation Measurements // Measurement Sci. and Techn. 2016. V. 27. No. 5. P. 054001.
5. AIM — Advanced In-flight Measurement Techniques [Электрон. ресурс] http://aim.dlr.de (дата обращения 14.03.2018).
6. Poroikov A.Yu., Skornyakova N.M. An Analysis of the Image Pattern Correlation Technique for Measuring the Bending of A Metal Surface // Measurement Techniques. 2011. V. 53. No. 10. Pp. 1147—1151.
7. Boden F. e. a. A Accuracy of Measurement of Dynamic Surface Deformations by the Image Pattern Correlation Technique // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2014. V. 50. No. 5. Pp. 474—481.
8. Poroikov A.Yu. Reconstruction of 3D Profile of a Deformed Metallic Plate by Means of the Image Pattern Correlation Technique // Measurement techniques. 2014. V. 57. No. 4. Pp. 390—395.
9. Boden F. e. a. In-flight Measurements of Propeller Blade Deformation on a VUT100 Cobra Aeroplane Using a Co-rotating Camera System // Measurement Sci. and Techn. 2016. V. 27. No. 7. P. 074013.
10. Иншаков С.И. и др. Видеограмметрический метод бесконтактных измерений мгновенной деформации лопастей вращающихся воздушных винтов // Ученые записки ЦАГИ. 2013. Т. 44. № 4. С. 547—558.
11. Satake S. e. a. Special-purpose Computer for Particle Image Velocimetry // Computer Phys. Comm. 2011. V. 182. No. 5. Pp. 1178—1182.
12. Bennis A., Leeser M., Tadmor G. Implementing a Highly Parameterized Digital PIV System on Reconfigurable Hardware // Proc. XX IEEE Intern. Conf. Application-specific Systems, Architectures and Processors. 2009. Pp. 32—37.
13. Lei Z., Zhang F., Li X. FPGA Implementation of 3D-displacement Measurement Based on 2D-DIC and FPP // Intern. Symp. Photonics and Optoelectronics. 2014. P. 923304.
14. Salvi J., Armangué X., Batlle J. A Comparative Review of Camera Calibrating Methods with Accuracy Evaluation // Pattern Recognition. 2002. V. 35. No. 7. Pp. 1617—1635.
15. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2012.
16. Frigo M., Johnson S.G. The Design and Implementation of FFTW3 // Proc. IEEE Special Issue on Program Generation, Optimization, and Platform Adaptation. 2005. V. 93. No. 2. Pp. 216—231.
17. Поройков А.Ю. Комплекс определения погрешности измерения формы гибкой деформируемой поверхности методом корреляции фоновых изображений // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2017. № 6. С. 28—39.
---
Для цитирования: Поройков А.Ю., Лапицкий К.М. Оптико-электронный комплекс измерения деформации поверхности в режиме реального времени // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 101—108. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-101-108.
#
1. Boden F., Jentink H., Petit C. IPCT Wing Deformation Measurements on a Large Transport Aircraft. Advanced In-Flight Measurement Techniques. Springer, 2013:93—115.
2. Veerman H.P.J., Kannemans H., Jentink H.W. Highly Accurate Aircraft In-flight Wing Deformation Measurements Based on Image Correlation. Advanced In-flight Measurement Techniques. Springer, 2013:15—32.
3. Kirmse T. e. a. Fan Blade Deformation Measurements on the DLR Airbus A320-ATRA by Means of IPCT as Part of the Ground Test Campaign in the Frame of the DLR-project SAMURAI. New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. Springer, 2016:629—638.
4. Kirmse T. Recalibration of a Stereoscopic Camera System for In-flight Wing Deformation Measurements. Measurement Sci. and Techn. 2016;27;5:054001.
5. AIM — Advanced In-flight Measurement Techniques [Elektron. Resurs] http://aim.dlr.de (Data Obrashcheniya 14.03.2018).
6. Poroikov A.Yu., Skornyakova N.M. An Analysis of the Image Pattern Correlation Technique for Measuring the Bending of A Metal Surface. Measurement Techniques. 2011;53;10:1147—1151.
7. Boden F. e. a. A Accuracy of Measurement of Dynamic Surface Deformations by the Image Pattern Correlation Technique. Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2014;50;5:474—481.
8. Poroikov A.Yu. Reconstruction of 3D Profile of a Deformed Metallic Plate by Means of the Image Pattern Correlation Technique. Measurement techniques. 2014;57;4:390—395.
9. Boden F. e. a. In-flight Measurements of Propeller Blade Deformation on a VUT100 Cobra Aeroplane Using a Co-rotating Camera System. Measurement Sci. and Techn. 2016;27;7:074013.
10. Inshakov S.I. i dr. Videogrammetricheskiy Metod Beskontaktnykh Izmereniy Mgnovennoy Deformatsii Lopastey Vrashchayushchikhsya Vozdushnykh Vintov.Uchenye Zapiski TSAGI. 2013;44;4:547—558. (in Russian).
11. Satake S. e. a. Special-purpose Computer for Particle Image Velocimetry. Computer Phys. Comm. 2011; 182;5:1178—1182.
12. Bennis A., Leeser M., Tadmor G. Implementing a Highly Parameterized Digital PIV System on Reconfigurable Hardware. Proc. XX IEEE Intern. Conf. Application-specific Systems, Architectures and Processors. 2009: 32—37.
13. Lei Z., Zhang F., Li X. FPGA Implementation of 3D-displacement Measurement Based on 2D-DIC and FPP. Intern. Symp. Photonics and Optoelectronics. 2014: 923304.
14. Salvi J., Armangué X., Batlle J. A Comparative Review of Camera Calibrating Methods with Accuracy Evaluation. Pattern Recognition. 2002;35;7:1617—1635.
15. Gonsales R., Vuds R. Tsifrovaya Obrabotka Izobrazheniy. M.: Tekhnosfera, 2012. (in Russian).
16. Frigo M., Johnson S.G. The Design and Implementation of FFTW3. Proc. IEEE Special Issue on Program Generation, Optimization, and Platform Adaptation. 2005;93;2:216—231.
17. Poroykov A.Yu. Kompleks Opredeleniya Pogreshnosti Izmereniya Formy Gibkoy Deformiruemoy Poverkhnosti Metodom Korrelyatsii Fonovykh Izobrazheniy. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Priborostroenie». 2017;6:28—39. (in Russian).
---
For citation: Poroykov A.Yu., Lapitskiy K.M. An Optoelectronic System for Real-Time Surface Deformation Measurements. Bulletin of MPEI. 2019;2:101—108. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-101-108.
2013. Pp. 93—115.
2. Veerman H.P.J., Kannemans H., Jentink H.W. Highly Accurate Aircraft In-flight Wing Deformation Measurements Based on Image Correlation // Advanced In-flight Measurement Techniques. Springer, 2013. Pp. 15—32.
3. Kirmse T. e. a. Fan Blade Deformation Measurements on the DLR Airbus A320-ATRA by Means of IPCT as Part of the Ground Test Campaign in the Frame of the DLR-project SAMURAI // New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. Springer, 2016. Pp. 629—638.
4. Kirmse T. Recalibration of a Stereoscopic Camera System for In-flight Wing Deformation Measurements // Measurement Sci. and Techn. 2016. V. 27. No. 5. P. 054001.
5. AIM — Advanced In-flight Measurement Techniques [Электрон. ресурс] http://aim.dlr.de (дата обращения 14.03.2018).
6. Poroikov A.Yu., Skornyakova N.M. An Analysis of the Image Pattern Correlation Technique for Measuring the Bending of A Metal Surface // Measurement Techniques. 2011. V. 53. No. 10. Pp. 1147—1151.
7. Boden F. e. a. A Accuracy of Measurement of Dynamic Surface Deformations by the Image Pattern Correlation Technique // Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2014. V. 50. No. 5. Pp. 474—481.
8. Poroikov A.Yu. Reconstruction of 3D Profile of a Deformed Metallic Plate by Means of the Image Pattern Correlation Technique // Measurement techniques. 2014. V. 57. No. 4. Pp. 390—395.
9. Boden F. e. a. In-flight Measurements of Propeller Blade Deformation on a VUT100 Cobra Aeroplane Using a Co-rotating Camera System // Measurement Sci. and Techn. 2016. V. 27. No. 7. P. 074013.
10. Иншаков С.И. и др. Видеограмметрический метод бесконтактных измерений мгновенной деформации лопастей вращающихся воздушных винтов // Ученые записки ЦАГИ. 2013. Т. 44. № 4. С. 547—558.
11. Satake S. e. a. Special-purpose Computer for Particle Image Velocimetry // Computer Phys. Comm. 2011. V. 182. No. 5. Pp. 1178—1182.
12. Bennis A., Leeser M., Tadmor G. Implementing a Highly Parameterized Digital PIV System on Reconfigurable Hardware // Proc. XX IEEE Intern. Conf. Application-specific Systems, Architectures and Processors. 2009. Pp. 32—37.
13. Lei Z., Zhang F., Li X. FPGA Implementation of 3D-displacement Measurement Based on 2D-DIC and FPP // Intern. Symp. Photonics and Optoelectronics. 2014. P. 923304.
14. Salvi J., Armangué X., Batlle J. A Comparative Review of Camera Calibrating Methods with Accuracy Evaluation // Pattern Recognition. 2002. V. 35. No. 7. Pp. 1617—1635.
15. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2012.
16. Frigo M., Johnson S.G. The Design and Implementation of FFTW3 // Proc. IEEE Special Issue on Program Generation, Optimization, and Platform Adaptation. 2005. V. 93. No. 2. Pp. 216—231.
17. Поройков А.Ю. Комплекс определения погрешности измерения формы гибкой деформируемой поверхности методом корреляции фоновых изображений // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2017. № 6. С. 28—39.
---
Для цитирования: Поройков А.Ю., Лапицкий К.М. Оптико-электронный комплекс измерения деформации поверхности в режиме реального времени // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 101—108. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-101-108.
#
1. Boden F., Jentink H., Petit C. IPCT Wing Deformation Measurements on a Large Transport Aircraft. Advanced In-Flight Measurement Techniques. Springer, 2013:93—115.
2. Veerman H.P.J., Kannemans H., Jentink H.W. Highly Accurate Aircraft In-flight Wing Deformation Measurements Based on Image Correlation. Advanced In-flight Measurement Techniques. Springer, 2013:15—32.
3. Kirmse T. e. a. Fan Blade Deformation Measurements on the DLR Airbus A320-ATRA by Means of IPCT as Part of the Ground Test Campaign in the Frame of the DLR-project SAMURAI. New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X. Springer, 2016:629—638.
4. Kirmse T. Recalibration of a Stereoscopic Camera System for In-flight Wing Deformation Measurements. Measurement Sci. and Techn. 2016;27;5:054001.
5. AIM — Advanced In-flight Measurement Techniques [Elektron. Resurs] http://aim.dlr.de (Data Obrashcheniya 14.03.2018).
6. Poroikov A.Yu., Skornyakova N.M. An Analysis of the Image Pattern Correlation Technique for Measuring the Bending of A Metal Surface. Measurement Techniques. 2011;53;10:1147—1151.
7. Boden F. e. a. A Accuracy of Measurement of Dynamic Surface Deformations by the Image Pattern Correlation Technique. Optoelectronics, Instrumentation and Data Proc. 2014;50;5:474—481.
8. Poroikov A.Yu. Reconstruction of 3D Profile of a Deformed Metallic Plate by Means of the Image Pattern Correlation Technique. Measurement techniques. 2014;57;4:390—395.
9. Boden F. e. a. In-flight Measurements of Propeller Blade Deformation on a VUT100 Cobra Aeroplane Using a Co-rotating Camera System. Measurement Sci. and Techn. 2016;27;7:074013.
10. Inshakov S.I. i dr. Videogrammetricheskiy Metod Beskontaktnykh Izmereniy Mgnovennoy Deformatsii Lopastey Vrashchayushchikhsya Vozdushnykh Vintov.Uchenye Zapiski TSAGI. 2013;44;4:547—558. (in Russian).
11. Satake S. e. a. Special-purpose Computer for Particle Image Velocimetry. Computer Phys. Comm. 2011; 182;5:1178—1182.
12. Bennis A., Leeser M., Tadmor G. Implementing a Highly Parameterized Digital PIV System on Reconfigurable Hardware. Proc. XX IEEE Intern. Conf. Application-specific Systems, Architectures and Processors. 2009: 32—37.
13. Lei Z., Zhang F., Li X. FPGA Implementation of 3D-displacement Measurement Based on 2D-DIC and FPP. Intern. Symp. Photonics and Optoelectronics. 2014: 923304.
14. Salvi J., Armangué X., Batlle J. A Comparative Review of Camera Calibrating Methods with Accuracy Evaluation. Pattern Recognition. 2002;35;7:1617—1635.
15. Gonsales R., Vuds R. Tsifrovaya Obrabotka Izobrazheniy. M.: Tekhnosfera, 2012. (in Russian).
16. Frigo M., Johnson S.G. The Design and Implementation of FFTW3. Proc. IEEE Special Issue on Program Generation, Optimization, and Platform Adaptation. 2005;93;2:216—231.
17. Poroykov A.Yu. Kompleks Opredeleniya Pogreshnosti Izmereniya Formy Gibkoy Deformiruemoy Poverkhnosti Metodom Korrelyatsii Fonovykh Izobrazheniy. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Priborostroenie». 2017;6:28—39. (in Russian).
---
For citation: Poroykov A.Yu., Lapitskiy K.M. An Optoelectronic System for Real-Time Surface Deformation Measurements. Bulletin of MPEI. 2019;2:101—108. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-101-108.
Опубликован
2018-03-15
Выпуск
Раздел
Матем. и программное обеспеч. вычислит. машин, комплексов и компьютерных сетей (05.13.11)
