mobilepiv presentation v4

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可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發楊耀畬、林聖峰、溫明璋、張文鎰、康仕仲 報告人 : 楊耀畬台大土木所電輔組

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PIV(Particle Image Velocimetry) 質點影像測速法

www.aem.umn.eduDantec Dynamics

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浮標法普萊氏流速儀

聲波都普勒流速儀

接觸式測速法

非接觸式測速法

連續式雷達測速器

脈衝式雷達測速器

質點影像測速法(PIV)

儀器價格( 台幣 )

15~60 萬 約 500 萬 約 1 萬維護難度 中 高 簡單 技術潛力 中 高 高

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質點影像測速法(PIV)

儀器價格( 台幣 )

約 1 萬維護難度 簡單 技術潛力 高

三個困難

1. 設備架設點找尋困難2. 現地參考點找尋困難3. 影像清晰度不穩定

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設備架設點找尋困難 電腦攝影機等設備需置放在適當地點 架設與維護費用不低

圖、宜蘭中山橋觀測用電腦 ( 左 ) 與攝影機 ( 右 )圖、宜蘭牛鬥橋觀測用攝影機

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現地參考點找尋困難 至少需要六個參考點 偵測範圍須在參考點範圍內 參考點測量亦困難

圖、石門大圳渠道 圖、宜蘭中山橋下游方向

圖、宜蘭中山橋上游方向

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影像清晰度不穩定 大尺度觀測易受天候不佳影響影像取樣 攝影機拍攝自由度受架設點與參考點限制

圖、 a. 雨天河面 b. 起霧河面 (Zhen Zhang et. al., 2013)

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智慧型手機 + 雷射平行投影裝置 智慧型手機

消費性電子產品之價格 功能性佳 開發彈性高

雷射投影裝置 自主產生參考點 參考點穩定性佳

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三個困難

1. 設備架設點找尋困難裝置小、成本低可架設於橋梁2. 現地參考點找尋困難主動產生參考點3. 影像清晰度不穩定架設彈性高、可選適當地點多

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方法

開發使用之方法介紹

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開發環境架構 主要使用開放原始碼網路資源多的開發介面

Android 、 OpenCV 、 Arduino

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雷射點搜尋方法雷射紅斑篩選以距離 D 分群歸納

圖、雷射投影狀態

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正交轉換方法原公式為邊界校正，並沒有對邊界內部做校正改為直接線性轉換 (DLT)

[𝑥 𝑦 1 0 0 0 −𝑢𝑥 −𝑢𝑦0 0 0 𝑥 𝑦 1 −𝑣𝑥 −𝑣𝑦 ] [

𝐿1⋮⋮⋮𝐿8

]=[𝑢𝑣 ]

[𝐿1−𝑢𝐿7 𝐿2−𝑢𝐿8𝐿4−𝑣 𝐿7 𝐿5−𝑣 𝐿8] [𝑥𝑦 ]=[𝐿3−𝑢𝐿6−𝑣 ]

𝑢=𝐿1𝑥+𝐿2 𝑦+𝐿3𝐿7 𝑥+𝐿8 𝑦+1𝑣=

𝐿4 𝑥+𝐿5 𝑦+𝐿6𝐿7𝑥+𝐿8 𝑦+1

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正交轉換圖

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質點移動計算FFT 互相關係數計算找尋最大值處即為質點移動之方向

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blog.electricbricks.com

平行機構設計LEGO Tetrix

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結果

測試結果介紹

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主要測試

1. 雷射平行投影測試2. 雷射點搜尋測試3. 模擬流場與水槽螢幕測試

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雷射平行投影測試 螺絲調整 懸臂梁調整

圖、距五公尺雷射光點偏移量 圖、雷射投影裝置原型

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雷射點搜尋測試 側向雷射輸出圖搜尋到六點

圖、單純環境雷射光點搜尋結果 圖、垂向水面環境雷射光點搜尋結果

圖、側向水面環境雷射光點搜尋結果

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垂向雷射輸出細節

圖、垂向雷射輸出水面環境

圖、垂向水面環境雷射光點搜尋放大結果

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流場方向計算測試 使用螢幕作為測試工具 PIV Challenge 模擬渦流與模擬邊界層流 播放水流影片測試

圖、渦流測試結果 圖、邊界層流測試結果

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流場方向計算測試細節

圖、渦流測試結果

圖、邊界層流測試結果

圖、螢幕測試環境

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可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發 主要貢獻

實作 PIV 於智慧型手機上 平行雷射裝置於水利應用之開發與可行性呈現 自製參考點於影像流速偵測法之討論

正在進行的研究 手機擷取影像頻率影響計算精度之問題 可攜式平行雷射裝置改進

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謝謝大家聆聽

可攜式水流表面流速影像偵測裝置之研發報告人 : 楊耀畬 yyben@caece.net