[发明专利]极薄翅翼多方位动态变形测量方法

说明书

本发明公开了一种极薄翅翼多方位动态变形测量方法，采用无附加散斑的多相机数字图像相关方法，测量极薄翅翼的动态构形，对系留飞行蜻蜓翅膀的动力学规律进行实验研究。本发明通过利用极薄翅翼本身纵横交错的翅脉及丰富的皱褶结构作为数字图像相关匹配的特征，解决了在极薄翅翼上附加制作散斑、特征点等造成翅翼质量和飞行行为改变的问题；通过搭建三组高分辨率工业相机及红光光源构成的非接触、多方位动态三维变形全场测量系统，解决了由于翅膀拍动幅度较大导致单组数字图像相关系统无法实现全局观测的问题，从而保证了蜻蜓极薄翅翼多方位动态变形测量结果的可靠性。

技术领域

本发明属于光测力学和仿生微型飞行器技术领域，具体涉及一种适用于蜻蜓活体极薄翅翼变形测量的无附加散斑多相机数字图像相关方法。

背景技术

数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)是一种新型的非接触式光学测量方法，现被应用于多个学科领域。其以附着在被测物体表面随机分布的散斑为载体，通过追踪散斑、分析其变形前后的概率相关性，来确定物体的运动和变形信息。通常情况下，需要在被测物体表面制作人工散斑，使其具有丰富的散斑特征。但是，蜻蜓翅膀极薄，厚度大约在1.58-4.08μm。在类似蜻蜓翅膀这种极薄的生物薄膜测量上，传统的制作人工散斑作为变形信息载体这一方法是很难被接受的，因为附加的散斑质量可能极大的影响结构本身的力学性能。另外，蜻蜓飞行时前后四只翅翼的拍动幅度较大，任意一组三维数字图像相关测量系统都难以实时监测其完整的飞行周期。

因此，有必要提供一种测量方法，其能够从多个不同方位同时观测翅翼的运动和变形。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种极薄翅翼多方位动态变形测量方法，以解决现有技术中极薄翅翼多方位、大幅度动态变形监测的问题。本发明的方法实现了对系留飞行蜻蜓前后翅翼真实运动和变形的实时跟踪。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种极薄翅翼多方位动态变形测量方法，包括步骤如下：

1)搭建非接触、多方位的红光照明多相机测量装置；

蜻蜓飞行中的翅膀拍动幅度较大，单一方位观测难以实现其整个拍动周期的全表面测量，必须在蜻蜓的多个方位架设多组三维数字图像相关测量装置。

其中，本发明中的非接触、多方位的红光照明多相机测量装置包括：三组亚高速相机及镜头，所述镜头前装有红光滤光膜，每组亚高速相机均设有为其照明的红光光源；其中，三组亚高速相机分别从飞行试验箱的三个相邻面照射其内的系留飞行的蜻蜓，保证蜻蜓翅膀的任意拍动幅度皆能被至少一组相机完整捕捉。

2)采用无附加散斑数字图像相关方法追踪蜻蜓翅翼的翅脉及皱褶结构，实现翅翼的三维动态变形测量。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

21)对翅膀图像上各翅脉进行边缘检测，采用多边形估计获得参考图像和目标图像的各特征点集合M和N；

22)利用概率密度估计的方法对非刚性变换的各特征点集合M和N进行配准，给出各特征点的位移向量；

23)将形状上下文方法提取的点集局部空间结构信息作为点集配准的先验条件，从而提高算法的配准性能。

本发明利用翅脉的自身特征，研究形状上下文点集配准技术，实现蜻蜓翅膀无附加散斑的高精度数字图像相关测量。需要说明的是，蜻蜓翅膜本身是透明的、无特征，因此本发明中的点集配准并未包含翅膜本身，而是利用皱褶翅脉上密集的特征点来近似表征翅膀的全表面；基于形状上下文点集配准技术的无附加散斑数字图像相关方法。

本发明的有益效果：