六自由度平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)空間六自由度運(yùn)動(dòng)模擬，六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)是對(duì)艦船、飛機(jī)、宇航和車載設(shè)備等不同狀態(tài)時(shí)的行動(dòng)進(jìn)行模擬，是對(duì)這些運(yùn)行狀態(tài)可靠性進(jìn)行研究的重要模擬試驗(yàn)裝置。

傳統(tǒng)的接觸式位姿測(cè)量方法中，具有事先確定計(jì)算點(diǎn)的數(shù)量和位置的局限性。三維數(shù)字圖像相關(guān)法（3D-DIC技術(shù)），可獲得被測(cè)物不同時(shí)刻的全場(chǎng)坐標(biāo)信息，根據(jù)提取的相應(yīng)計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合空間向量求解空間目標(biāo)的位姿參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)體在該三維空間中的“位置、運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、角度、加速度、角加速度”等運(yùn)動(dòng)軌跡指標(biāo)。

XTDIC-STROBE系列動(dòng)態(tài)三維位移軌跡測(cè)量

新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）與雙目立體視覺技術(shù)，采用三臺(tái)高速工業(yè)相機(jī)追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變形過(guò)程中物體表面的圖像關(guān)鍵標(biāo)記的動(dòng)態(tài)測(cè)量，針對(duì)不同幅面的測(cè)量范圍，可以快速、方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度標(biāo)定。DIC系統(tǒng)集成了軌跡測(cè)量分析模塊，通過(guò)檢測(cè)靶標(biāo)點(diǎn)空間位置數(shù)據(jù)，得到被測(cè)物位置及角度等數(shù)據(jù)信息。

實(shí)驗(yàn)背景

在海洋科研中，很多科研實(shí)驗(yàn)都需要測(cè)量數(shù)據(jù)支撐，例如模擬海上顛簸狀態(tài)，研究相應(yīng)設(shè)備等實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)和穩(wěn)定性等。

采用新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)高速工業(yè)相機(jī)采集記錄實(shí)驗(yàn)體在該三維空間中的位置姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡等運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，DIC軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行分析，由此獲得在三維空間中的真實(shí)六自由度數(shù)據(jù)。

獲取這些數(shù)據(jù)有何實(shí)際意義？

以海洋船模研究為例，在六自由度測(cè)量建立的三維空間中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)船模的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出船模運(yùn)動(dòng)控制性能缺點(diǎn)并進(jìn)行改造，逐漸提升航行過(guò)程中的穩(wěn)定性、平滑性等性能，為實(shí)際航海科研提供數(shù)據(jù)參考，解決相關(guān)領(lǐng)域中的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制技術(shù)難題。

船舶六自由度圖示

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模翰捎昧杂啥冗\(yùn)動(dòng)平臺(tái)，模擬還原海上顛簸狀態(tài)，研究航海設(shè)備穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：六自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬海浪顛簸狀態(tài)；新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量六自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)標(biāo)定校正，通過(guò)調(diào)整相機(jī)的視野范圍及相機(jī)與實(shí)驗(yàn)試樣之間的距離，使兩臺(tái)相機(jī)的視野范圍基本上一致，調(diào)整鏡頭的焦點(diǎn)，使相機(jī)成像盡量清晰，根據(jù)拍攝視野和景深，同時(shí)保證兩臺(tái)相機(jī)能夠識(shí)別充足有效的標(biāo)記點(diǎn)。

將校正板放在試樣擺放位置進(jìn)行拍攝，用XTDIC軟件對(duì)標(biāo)定圖像進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，DIC軟件將顯示每一張標(biāo)定圖像的評(píng)估分，DIC系統(tǒng)校正得分不大于0.05的要求即可完成標(biāo)定。

采用新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)體進(jìn)行六自由度測(cè)量時(shí)，需要在該實(shí)驗(yàn)體的測(cè)量區(qū)域貼上特制的編碼點(diǎn)，通過(guò)追蹤實(shí)驗(yàn)試件上的編碼點(diǎn)，DIC軟件計(jì)算出實(shí)驗(yàn)體在該空間中的運(yùn)動(dòng)學(xué)六自由度參數(shù)。

圖像采集分為靜態(tài)拍攝階段和動(dòng)態(tài)拍攝階段。六自由度仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)作之前，被測(cè)物處于靜止?fàn)顟B(tài)，手動(dòng)觸發(fā)DIC搭配的高速相機(jī)同步采集一組圖像，并將所得結(jié)果作為參考圖像，以給出每個(gè)圖像子區(qū)中心在變形前的位移原點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，新拓三維XTDIC--STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)分別采集圖像，并將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，利用DIC軟件進(jìn)行計(jì)算，可以得到六自由度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被測(cè)件的位移、運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)角度等測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。

數(shù)據(jù)分析

利用DIC軟件對(duì)兩臺(tái)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行分析處理，并采用數(shù)字圖像相關(guān)算法進(jìn)行計(jì)算，得到被測(cè)物表面關(guān)鍵點(diǎn)位移數(shù)據(jù)。

利用DIC軟件在被測(cè)物表面的設(shè)置4個(gè)單點(diǎn)（P1、P2、P3、P4），并得到這4個(gè)單點(diǎn)在六個(gè)自由度沿Y軸方向的位移曲線。

XTDIC系統(tǒng)基于數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）和三維運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量分析模塊，適用于分析平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（6DoF，6自由度）的位移軌跡測(cè)量。如下是基于全場(chǎng)形貌和基于點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)角度測(cè)量分析，準(zhǔn)確測(cè)量繞軸旋轉(zhuǎn)物體的位移轉(zhuǎn)角。

通過(guò)六自由度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)六根伺服電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，控制上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X、Y、Z、α、β、γ）運(yùn)動(dòng)，從而模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，用于對(duì)各種科研實(shí)驗(yàn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)的采集分析。

對(duì)被測(cè)物運(yùn)動(dòng)六自由度姿態(tài)測(cè)量，采用傳統(tǒng)的慣性傳感器獲取數(shù)據(jù)，往往無(wú)法將測(cè)量精度控制在理想范圍內(nèi)。

新拓三維XTDIC-STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)獲取被測(cè)物不同時(shí)刻的三維空間坐標(biāo)信息，3D-DIC軟件分析三維動(dòng)態(tài)位移軌跡，可在較小的誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)多個(gè)位姿參數(shù)的測(cè)量，為實(shí)際科研六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)測(cè)試提供數(shù)據(jù)參考。