基于视觉测量的工况模态分析与非线性系统辨识

The purpose of this project is to discuss the new dynamic experimental technology and the processing method of experimental data. With respect to rigid-flexible-elastic-mechanism-nonlinear-multi-body coupling dynamics system, the research is based on vibration experiment theory of visual measurement to establish a new experimental system of ‘four-dimensional measurement’ with full scale and high resolution. At the same time, this project solves the theoretical problem and algorithm of breaking through the white noise hypothesis in operational modal analysis, and effectively complements and enhances the experimental capability in the field of dynamics. Considering the almost blank of experiment research in the field of dynamics and control due to the limitation of the existing hardware and software frame, six representative experiments are designed. In the condition of rotation, transmission, collision, friction and superposition of motion and complex vibration, experiments involving nonlinearity, aero-elasticity, self-excited vibration, large flexible deformation, stress concentration can be conducted by visual measurement, where the dynamic experimental data can be extracted from the image information. Therefore, the visual measurement method can provide detailed and original data for experimental modeling, updating of finite element model, structure optimization design, fault diagnosis and damage detection. The experimental design mainly manifests the theoretical significance of the project, indirectly reflects the potential value in application, and solves some typical problems whose experimental data have not been obtained so far.

本课题旨在探讨新的动力学实验技术和实验数据的处理方法，研究基于视觉测量的振动实验理论，建立全尺寸、高分辨率，针对刚-柔-弹-机构-非线性等多体耦合动力学系统的“四维测量”新型实验体系，同时解决工况模态分析研究中突破白噪声假设的理论问题及算法，以期有效地补充和提升现有动力学领域的实验能力。针对现有仪器软、硬件框架的限制导致实验研究几乎空白的动力学与控制领域，设计了六个具有代表性的典型实验，在诸如旋转、传动、碰撞、摩擦以及机构运动与复杂振动叠加的工况下，具有非线性、气动弹性、自激振动、大柔性变形、应力集中等响应特征的实验任务，通过视觉测量，从图像信息中提取动力学实验数据，为实验建模、有限元模型修正、结构优化设计、故障诊断与损伤检测等提供详细的原始数据。实验设计主要体现课题研究的理论意义，间接体现潜在的应用价值，并解决一些迄今为止尚未获得过实验数据的典型问题。

本课题探讨了新的动力学实验技术和实验处理方法，研究了基于视觉的测量技术、数据处理方法以及针对不同对象的参数辨识方法。现有的结构动力学与控制领域的实验研究，针对含有运动副的机构测量有两点不足：①无法直接获取三维位移数据，只能通过测量速度和加速度间接地获得；②测点数目太少。基于高速相机实现的视觉测量技术，在力学学科的实验研究领域而言，具备三点独特的优势：①时间高采样率；②空间高分辨率；③大视野和非接触测量。本课题基于视觉测量技术，主要开展了以下工作：.1.视觉测量实验系统搭建.本课题针对含有运动副的机构，以单自由度的旋转叶片和多自由度的工业机器人为典型代表，搭建了对应的单目、双目和多目测量系统。实现了运动状态下机构测点的连续跟踪。.2.图像处理算法研究.针对机构的运动学和动力学问题，分别发展和提出了数字图像相关算法、点追踪算法和点集匹配算法等图像处理方法。针对高速旋转的叶片，改进了数字图像相关算法，突破了其小位移假设的限制。针对多自由度的工业机器人，实现了针对各个杆件测点的三维位移跟踪，以及末端位姿的连续跟踪。.3.参数辨识方法研究.叶片在高速旋转时会出现动力刚化现象，目前针对这一现象的研究多是通过仿真。本课题从反问题的角度，通过视觉测量揭示了其内在机理。工业机器人的绝对定位精度降低主要是正运动学模型参数不准确引起的。针对这一问题，本课题通过视觉测量从反问题的角度展开对运动学参数的修正，完善了基于旋量理论参数辨识体系，取得了满意的效果。