本發(fā)明涉及柔性結(jié)構(gòu)的定位和振動(dòng)控制領(lǐng)域,具體涉及一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置及方法。
背景技術(shù):
柔性化、大型化是各類航天結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),輕型結(jié)構(gòu)意味著可以增加有效載荷的重量,大型結(jié)構(gòu)使得航天器設(shè)計(jì)、制造時(shí)更具靈活性。然而,由于大型柔性結(jié)構(gòu)剛度低、柔性大,在無外阻的太空中運(yùn)行時(shí),極易受到外部激勵(lì)作用而產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的低頻大幅值振動(dòng),因此,對(duì)大型柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和控制研究是很有必要的。
現(xiàn)有的技術(shù)中,通常用柔性板結(jié)構(gòu)模擬太空帆板,主要采用壓電片、加速度傳感器、形狀記憶合金、角速率陀螺儀傳感器、光電位置傳感器等傳感器件,來實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量。但是,壓電材料和形狀記憶合金由于自身強(qiáng)度、疲勞壽命及耐溫性能等因素,應(yīng)用受到一定的限制;加速度傳感器和角速率陀螺儀傳感器對(duì)噪聲敏感,且只能測(cè)量物體上某一點(diǎn)的位移信息;光電位置傳感器的測(cè)量范圍較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大、計(jì)算過程繁瑣且成本昂貴。
在大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量及主動(dòng)控制的研究中,利用雙目視覺系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雙目視覺測(cè)量是一種非接觸式測(cè)量,它不改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,因此得到的測(cè)量結(jié)果精確。雙目視覺測(cè)量中要求結(jié)構(gòu)上具有標(biāo)志點(diǎn),實(shí)際中通常采用結(jié)構(gòu)上粘貼標(biāo)志點(diǎn)和結(jié)構(gòu)上投影標(biāo)志點(diǎn)的做法,結(jié)構(gòu)上粘貼標(biāo)志點(diǎn)的做法會(huì)在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng),而投影標(biāo)志點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的非接觸式測(cè)量,但用投影點(diǎn)的振動(dòng)信息來代替板真實(shí)的振動(dòng)信息采用了近似方法,由于板的振動(dòng)是小幅值的,也即說明這種近似方法是可行的。
大型柔性結(jié)構(gòu)如柔性板的振動(dòng)中低頻彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是耦合在一起的,利用相機(jī)對(duì)不同的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠得到不同標(biāo)志點(diǎn)的振動(dòng)信息,從而將振動(dòng)解耦,分別得到板的彎曲振動(dòng)信息和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息,彎曲振動(dòng)信息用來驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器抑制板的彎曲振動(dòng),扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息用來驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器抑制板的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置,以實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性鉸接板振動(dòng)的非接觸、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量,同時(shí)考慮到了以投影點(diǎn)振動(dòng)信息來代替柔性板真實(shí)振動(dòng)信息的近似性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制方法。
本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置,包括柔性鉸接板本體、振動(dòng)檢測(cè)部分、驅(qū)動(dòng)控制部分、信號(hào)處理模塊和計(jì)算機(jī);所述柔性鉸接板本體由兩塊材料相同的柔性板通過鉸鏈連接在一起,構(gòu)成的柔性鉸接板本體一端通過機(jī)械夾緊裝置懸空夾在固定于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅰ的支座上,柔性鉸接板本體與水平面垂直,另一端為自由端;所述振動(dòng)檢測(cè)部分包括相機(jī)檢測(cè)部分和多個(gè)加速度傳感器,相機(jī)檢測(cè)部分包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)和一個(gè)幻燈機(jī),兩個(gè)工業(yè)相機(jī)通過滑軌固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅱ上,構(gòu)成雙目視覺測(cè)量系統(tǒng),幻燈機(jī)也置于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅱ上,將光斑投射至柔性鉸接板本體上,兩個(gè)工業(yè)相機(jī)的鏡頭平面平行于柔性鉸接板本體,對(duì)準(zhǔn)幻燈機(jī)投射在柔性鉸接板本體上的光斑;多個(gè)加速度傳感器安裝在柔性鉸接板本體靠近自由端的邊緣處;所述驅(qū)動(dòng)控制部分包括多個(gè)壓電片驅(qū)動(dòng)器,多個(gè)壓電片驅(qū)動(dòng)器雙面粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板上;振動(dòng)檢測(cè)部分檢測(cè)到柔性鉸接板本體的振動(dòng)信號(hào),通過信號(hào)處理模塊將振動(dòng)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,然后通過信號(hào)處理模塊輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng)。
進(jìn)一步地,所述信號(hào)處理模塊包括適調(diào)放大器、采集控制卡、端子板和電壓放大器,振動(dòng)檢測(cè)部分檢測(cè)到柔性鉸接板本體的振動(dòng)信號(hào),通過適調(diào)放大器調(diào)制后傳輸給端子板,再通過采集控制卡內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,將控制信號(hào)經(jīng)由采集控制卡輸出,通過端子板的傳遞,并經(jīng)由電壓放大器放大信號(hào)后輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng)。
進(jìn)一步地,所述壓電片驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量和具體粘貼位置能夠根據(jù)柔性鉸接板本體的大小以及材質(zhì)自行設(shè)計(jì)。
進(jìn)一步地,所述幻燈機(jī)投射在柔性鉸接板本體上的光斑位置能夠根據(jù)測(cè)量者想要得到的柔性鉸接板本體的振動(dòng)信息來自行設(shè)計(jì)。
進(jìn)一步地,所述驅(qū)動(dòng)控制部分包括多個(gè)壓電片驅(qū)動(dòng)器,其中4片壓電片驅(qū)動(dòng)器粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線的正反面,每面兩片,對(duì)稱粘貼,并聯(lián)連接,用于控制柔性板的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);其中8片壓電片驅(qū)動(dòng)器粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線兩側(cè)的正反面,每面四片,對(duì)稱粘貼,并聯(lián)連接,用于控制柔性板的彎曲振動(dòng);靠近固定端的柔性板的右側(cè)寬度方向中間位置,還粘貼一片壓電片驅(qū)動(dòng)器,作為彎曲振動(dòng)傳感器。
進(jìn)一步地,所述基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置能夠用來模擬太空中太陽能帆板的振動(dòng)情況,在太陽能帆板所處環(huán)境無光源的情況下,使用幻燈機(jī)投影標(biāo)志點(diǎn)結(jié)合相機(jī)檢測(cè)的方式,獲得太陽能帆板的振動(dòng)信息。
本發(fā)明的另一目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制方法,所述方法包括以下步驟:
一、打開幻燈機(jī)將標(biāo)志點(diǎn)光斑投射于柔性鉸接板本體上,利用工業(yè)相機(jī)和加速度傳感器檢測(cè)柔性鉸接板本體的振動(dòng),得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào);
二、將步驟一中加速度傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)通過適調(diào)放大器調(diào)制后傳輸給端子板,再通過采集控制卡內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中,工業(yè)相機(jī)采集到的振動(dòng)信號(hào)直接輸入到計(jì)算機(jī)中;
三、計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,得到的振動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)由采集控制卡的d/a轉(zhuǎn)換模塊輸出,通過端子板的信息傳遞,并經(jīng)由電壓放大器放大信號(hào)后輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng);
四、改變控制參數(shù),反復(fù)試驗(yàn),獲取多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到柔性鉸接板本體的振動(dòng)特性及控制效果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
1、本發(fā)明的基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置采用幻燈機(jī)投影標(biāo)志點(diǎn)結(jié)合相機(jī)檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉸接板振動(dòng)的完全無接觸式測(cè)量,由于測(cè)量不對(duì)板的振動(dòng)特性有任何影響,所以獲得的測(cè)量結(jié)果更精確。
2、本發(fā)明的基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置使用相機(jī)對(duì)投影的不同標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠得到不同標(biāo)志點(diǎn)的振動(dòng)信息,不同標(biāo)志點(diǎn)的振動(dòng)信息能夠反映出柔性板的彎曲振動(dòng)信息和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息,從而實(shí)現(xiàn)了柔性板的振動(dòng)解耦。
3、本發(fā)明使用幻燈機(jī)投影光斑的方法來獲得板面上的標(biāo)志點(diǎn),解決了無光源環(huán)境下鉸接板的振動(dòng)測(cè)量問題。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中柔性鉸接板本體的示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中工業(yè)相機(jī)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)光斑進(jìn)行標(biāo)定的流程圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中兩個(gè)工業(yè)相機(jī)構(gòu)成的雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量方式的流程圖。
其中,1-工業(yè)相機(jī),2-加速度傳感器,3-鉸鏈,4-壓電片驅(qū)動(dòng)器,5-幻燈機(jī)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1:
如圖1所示,本實(shí)施例提供了一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置,包括柔性鉸接板本體、振動(dòng)檢測(cè)部分、驅(qū)動(dòng)控制部分、信號(hào)處理模塊和計(jì)算機(jī);所述柔性鉸接板本體由兩塊材料相同的柔性板通過鉸鏈(3)連接在一起(如圖2所示),構(gòu)成的柔性鉸接板本體一端通過機(jī)械夾緊裝置懸空夾在固定于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅰ的支座上,柔性鉸接板本體與水平面垂直,另一端為自由端;所述振動(dòng)檢測(cè)部分包括相機(jī)檢測(cè)部分和多個(gè)加速度傳感器(2),相機(jī)檢測(cè)部分包括兩個(gè)工業(yè)相機(jī)(1)和一個(gè)幻燈機(jī)(5),兩個(gè)工業(yè)相機(jī)(1)通過滑軌固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅱ上,構(gòu)成雙目視覺測(cè)量系統(tǒng),幻燈機(jī)(5)也置于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)ⅱ上,將光斑投射至柔性鉸接板本體上,兩個(gè)工業(yè)相機(jī)(1)的鏡頭平面平行于柔性鉸接板本體,對(duì)準(zhǔn)幻燈機(jī)(5)投射在柔性鉸接板本體上的光斑;兩個(gè)加速度傳感器(2)安裝在柔性鉸接板本體靠近自由端的邊緣處;所述驅(qū)動(dòng)控制部分包括多個(gè)壓電片驅(qū)動(dòng)器(4),其中4片壓電片驅(qū)動(dòng)器(4)粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線的正反面,每面兩片,對(duì)稱粘貼,并聯(lián)連接,用于控制柔性板的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);其中8片壓電片驅(qū)動(dòng)器(4)粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線兩側(cè)的正反面,每面四片,對(duì)稱粘貼,并聯(lián)連接,用于控制柔性板的彎曲振動(dòng),靠近固定端的柔性板的右側(cè)寬度方向中間位置,還粘貼一片壓電片驅(qū)動(dòng)器(4),作為彎曲振動(dòng)傳感器;振動(dòng)檢測(cè)部分檢測(cè)到柔性鉸接板本體的振動(dòng)信號(hào),通過信號(hào)處理模塊將振動(dòng)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,然后通過信號(hào)處理模塊輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng)。
其中,所述信號(hào)處理模塊包括適調(diào)放大器、采集控制卡、端子板和電壓放大器,振動(dòng)檢測(cè)部分檢測(cè)到柔性鉸接板本體的振動(dòng)信號(hào),通過適調(diào)放大器調(diào)制后傳輸給端子板,再通過采集控制卡內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,將控制信號(hào)經(jīng)由采集控制卡輸出,通過端子板的傳遞,并經(jīng)由電壓放大器放大信號(hào)后輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng)。
進(jìn)一步地,所述壓電片驅(qū)動(dòng)器(4)的數(shù)量和具體粘貼位置能夠根據(jù)柔性鉸接板本體的大小以及材質(zhì)自行設(shè)計(jì)。所述幻燈機(jī)(5)投射在柔性鉸接板本體上的光斑位置能夠根據(jù)測(cè)量者想要得到的柔性鉸接板本體的振動(dòng)信息來自行設(shè)計(jì)。所述基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制裝置能夠用來模擬太空中太陽能帆板的振動(dòng)情況,在太陽能帆板所處環(huán)境無光源的情況下,使用幻燈機(jī)(5)投影標(biāo)志點(diǎn)結(jié)合相機(jī)檢測(cè)的方式,獲得太陽能帆板的振動(dòng)信息。
本實(shí)施例中,使用的柔性板為環(huán)氧樹脂材料薄板,與固定端連接的即第一塊柔性板的尺寸為550mm×500mm×2mm,第二塊柔性板的尺寸為50mm×500mm×2mm。環(huán)氧樹脂的彈性模量為ep=34.64gpa,密度為ρ=1840kg/m3。工業(yè)相機(jī)(1)選用德國basler公司生產(chǎn)的型號(hào)為aca1600-60gc的gige相機(jī),采用cmos感光芯片,最高幀率60fps,分辨率為1600×1200;選用理光公司的鏡頭,其型號(hào)為fl-hc0614-2m,焦距為6mm,大小為φ32mm×35.7mm,滑軌選用misumi公司生產(chǎn)的型號(hào)為sena33h-400-v10-w70的滑軌,長(zhǎng)度為400mm?;脽魴C(jī)(5)選用德國百靈公司生產(chǎn)的型號(hào)為e130的130af幻燈機(jī),配備24v/150w強(qiáng)光燈。壓電片驅(qū)動(dòng)器(4)由壓電陶瓷材料制成,幾何尺寸為45mm×15mm×1mm,成片狀粘貼在柔性板上,距離固定端230mm或20mm,距離板寬度方向上下邊緣45mm,壓電陶瓷材料的彈性模量為ep=63gpa,d31=-166pm/v。加速度傳感器(2)選用kistler公司的型號(hào)為8310b10的電容式傳感器,其標(biāo)稱靈敏度為200mv/g,測(cè)量頻率范圍為0-180hz。采集控制卡選用美國galil公司生產(chǎn)的dmc-2x00數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器,提供標(biāo)準(zhǔn)的pci總線接口;選用的計(jì)算機(jī)的cpu型號(hào)為core76650u2.2ghz,內(nèi)存4g,主板中有pci-e插槽,可安裝采集控制卡。電壓放大器可選用型號(hào)為apex-pa241dw或apex-pa240cx的壓電放大器等零件組成,放大倍數(shù)可達(dá)到52倍,即將-5v~+5v放大到-260~+260v。
實(shí)施例2:
本實(shí)施例提供了一種基于雙目視覺測(cè)量的柔性鉸接板振動(dòng)控制方法,包括以下步驟:
一、打開幻燈機(jī)(5)將標(biāo)志點(diǎn)光斑投射于柔性鉸接板本體上,利用工業(yè)相機(jī)(1)和加速度傳感器(2)檢測(cè)柔性鉸接板本體的振動(dòng),得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào);
本步驟中,工業(yè)相機(jī)(1)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)光斑進(jìn)行標(biāo)定的流程圖如圖3所示,包括以下步驟:
第一步、建立坐標(biāo)系:以第二塊柔性板前表面的中點(diǎn)ow為坐標(biāo)原點(diǎn),建立世界坐標(biāo)系ow-xwywzw;以相機(jī)的光心oc為原點(diǎn),建立相機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc;以圖像左上角第一個(gè)像素為原點(diǎn)o0,建立圖像坐標(biāo)系o0-uv;以圖像的中心點(diǎn)o1為原點(diǎn),建立成像平面坐標(biāo)系o1-xy。
第二步、空間中任意一點(diǎn)(如p點(diǎn))的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)的變換,可以用旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量t來描述:
其中,(xcyczc)、(xwywzw)分別為p點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。r是正交單位矩陣,t為三維平移向量。
第三步、在此標(biāo)定中,相機(jī)使用的模型為針孔模型,故成像過程存在如下坐標(biāo)變換:
其中,(xy)為圖像中p點(diǎn)的坐標(biāo),(xcyczc)為該點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo),f為相機(jī)鏡頭焦距。上式用矩陣形式表示為:
綜合上述,得到成像平面坐標(biāo)系坐標(biāo)與世界坐標(biāo)系坐標(biāo)的變換關(guān)系:
第四步、圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)o0位于圖像平面的左上角第一個(gè)像素處,u軸和v軸分別沿圖像的寬度和高度方向,坐標(biāo)點(diǎn)(uv)表示圖像中第u列、第v行的像素點(diǎn)。相機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)為o1(u0v0),此點(diǎn)為圖像的中心,以該點(diǎn)為原點(diǎn),x軸和y軸分別沿圖像的寬度和高度方向,建立成像平面坐標(biāo)系o1-xy。設(shè)每一個(gè)像素在x軸、y軸方向上的物理尺寸分別是dx、dy,則圖像上任意一個(gè)像素在兩個(gè)坐標(biāo)系下有如下關(guān)系:
表達(dá)為矩陣形式:
綜上所述,可得任一點(diǎn)p的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)與世界坐標(biāo)系坐標(biāo)的變換關(guān)系:
式中,
兩個(gè)工業(yè)相機(jī)(1)構(gòu)成的雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量方式的流程圖如圖4所示;
二、將步驟一中加速度傳感器(2)采集到的振動(dòng)信號(hào)通過適調(diào)放大器調(diào)制后傳輸給端子板,再通過采集控制卡內(nèi)部的a/d轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中,工業(yè)相機(jī)(1)采集到的振動(dòng)信號(hào)直接輸入到計(jì)算機(jī)中;
三、計(jì)算機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的主動(dòng)控制算法,得到的振動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)由采集控制卡的d/a轉(zhuǎn)換模塊輸出,通過端子板的信息傳遞,并經(jīng)由電壓放大器放大信號(hào)后輸出給驅(qū)動(dòng)控制部分,來抑制柔性鉸接板本體的振動(dòng);
四、改變控制參數(shù),反復(fù)試驗(yàn),獲取多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到柔性鉸接板本體的振動(dòng)特性及控制效果。
以上所述,僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例,但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi),根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變,都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。