基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置及方法与流程

本发明涉及柔性结构的定位和振动检测领域，具体涉及一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置及方法。

背景技术：

航天器进入目标轨道后，太阳能帆板展开，板间铰链处于锁定状态，此时两板间的位置关系固定，太阳能帆板可以被近似地看作为薄的矩形板，由于此时太阳能帆板结构尺寸大、刚度低、柔性高，当受到外界扰动作用时会产生强烈而持续的振动，振动可能导致航天器或卫星本体的失稳，因此对太阳能帆板振动特性的研究具有重大意义。

碳纤维、铝蜂窝复合材料以其比强度高、比刚度大、重量轻、隔热抗振、热膨胀系数可设计等优异性能，在航天器舱板结构、设备支架、太阳翼基板等方面得到广泛应用。复合材料蜂窝夹芯结构由三种基本材料组合而成，包括上下面板、芯层以及粘接芯层与面板之间的胶粘剂，上下表面由薄面板构成，提供弯曲刚度、平面拉压及剪切刚度；中间蜂窝芯较厚，密度低，它将上、下面板隔开，为横向剪应力流提供传递路径；粘接层连接蜂窝芯和面板，便于载荷传递。

在大型柔性结构振动测量及主动控制的研究中，利用双目视觉系统测量结构的振动有其独特的优势。双目视觉测量是一种非接触式测量，它不改变结构的振动特性，因此得到的测量结果更精确。数字图像相关方法是根据物体表面随机分布的光斑场在振动前后的统计相关性来确定物体的振动信息，该方法具有实时、非接触、高精度、全景式测量、对被测物体干扰小等优点。传统的二维数字图像相关方法只能测量二维位移和应变，而基于双目立体视觉原理和数字图像相关方法能实现对物体的三维位移测量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺点和不足，提供了一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置，以实现对铰接蜂窝板本体振动的非接触、实时准确测量。

本发明的另一目的在于提供一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置，包括铰接蜂窝板本体部分、投影测量部分、振动激励部分和计算机，所述铰接蜂窝板本体部分包括三块材料、尺寸相同的蜂窝夹芯板，分别为第一蜂窝夹芯板、第二蜂窝夹芯板和第三蜂窝夹芯板，每两块蜂窝夹芯板之间通过上下对称位置的两个板间铰链连接在一起，构成的铰接蜂窝板本体的第一蜂窝夹芯板端通过夹板和钢架机械连接到金属支座上，金属支座垂直固定在水平放置的实验台座上，铰接蜂窝板本体的另一端为自由端，且铰接蜂窝板本体与实验台座的水平面垂直；所述投影测量部分包括投点器和两个工业相机，投点器和两个工业相机都固定在脚架上，投点器的镜面正对铰接蜂窝板本体表面，两个工业相机分别安装在投点器的两侧，保证其视场范围充分包含第二蜂窝夹芯板和第三蜂窝夹芯板；所述振动激励部分包括三个同型号的激振器和配套使用的高压放大器，三个激振器均匀分布在第一蜂窝夹芯板靠近金属支座的宽度方向上，上下两个激振器的位置关于宽度方向中线对称，中间位置的激振器位于宽度方向中线上。

进一步地，所述蜂窝夹芯板由蜂窝芯、粘结层和面板组成，粘结层将上下两层面板与蜂窝芯胶结成为一个整体的刚性结构。

进一步地，所述板间铰链由公铰、母铰、卷簧、销轴、锁定摆杆和偏心螺钉组成，当板间铰链展开时，公铰和母铰在驱动元件卷簧的作用下绕销轴相对转动，在转动过程中锁定摆杆上的柱销先沿着公铰上的展开滑道滑动，在展开过程的末期沿公铰上的锁紧槽的左侧滑入并最终卡在锁紧槽底部；在锁定状态下，蜂窝夹芯板间的位置关系固定，铰接蜂窝板本体充分展开，此状态下的铰接蜂窝板本体能够视作一块整体矩形板。

进一步地，所述基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置能够用来模拟并研究太阳能帆板展开后其本体的振动特性。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算机发出的振动激励信号经a/d转换后传输至高压放大器，信号经高压放大器放大后传输给三个激振器，激振器根据信号的不同组合形式激励铰接蜂窝板本体弯曲或扭转振动；

步骤二、打开投点器，将光斑均匀投射至第二蜂窝夹芯板和第三蜂窝夹芯板表面，形成具有连续特征区域的光斑场，利用两个工业相机组成的双目视觉测量系统对铰接蜂窝板振动本体采集连续的图像，在图像上划分并选取感兴趣的特征子区域，运行相应的数字图像相关算法，获得感兴趣区域的三维坐标信息，从而间接得到铰接蜂窝板本体的振动信息；

步骤三、通过改变激励信号的形式、频率、幅值参数，反复试验，获取多次实验结果，得到铰接蜂窝板本体的振动特性。

进一步地，步骤一中，通过给三个激振器传输同频率、同相位的激励信号，能够激励起铰接蜂窝板本体的弯曲振动；通过给上下两端的激振器传输同频率、反相位的信号，能够激励起铰接蜂窝板本体的扭转振动。

进一步地，步骤二中，在采集的连续图像上划分并选取感兴趣的特征子区域，以此作为振动检测的参考位置，通过匹配振动前后包含该子区域的图像，分析该位置振动前后的统计相关性来确定、提取出铰接蜂窝板振动本体的振动位移信息，通过改变感兴趣区域的数量及其在铰接蜂窝板振动本体上的位置，检测过程中能够同时采集得到铰接蜂窝板本体不同部位的振动信息，以此能够用来测量铰接蜂窝板的多阶模态耦合振动，实现振动的解耦。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用投点器投射标志点结合相机检测的方式，一方面能够实现对铰接蜂窝板振动的完全无接触式测量，测量结果具有较高的准确性；另一方面相比于在振动本体表面涂敷斑点，投射光斑的方式高效、易行，并且投射出来的光斑形状规则、抑制性好，能够充分简化后续的图像分析及处理的操作，为数字图像相关的振动检测方法提供了良好的基础。

2、本发明的基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置能够用来研究铰链连接处的非线性特性对振动系统的影响，板间铰链的零部件连接处由于存在摩擦等非线性因素，会给铰接蜂窝板的振动带来影响，本装置中同时检测第二块铰接蜂窝板和第三块铰接蜂窝板的振动情况，采集得到的数据能够用来研究铰链本身的动力学特性。本装置模拟了铰链处非线性特性影响下的太阳能帆板的振动，为深入研究其振动特性提供了良好的基础。

3、本发明所述振动检测装置采用铰接蜂窝板和轴销式铰链结构来模拟太阳能帆板结构，能更真实地还原其在太空中的振动情况，通过测量分析得到的振动特性也对航天器太阳能帆板结构的设计、制造有指导作用。

4、本发明采用数字图像相关的方法对实验对象进行振动检测，图像处理和分析时根据感兴趣区域的统计特性来提取振动信息，相比于传统的对单个标志点进行信息提取，该方法利用了更多的图像信息，使得测量获得的振动信号更精确。

附图说明

图1为本发明实施例1基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1板间铰链的结构示意图。

图3为本发明实施例1蜂窝夹芯板的结构示意图。

图4为本发明实施例2投射点形成的光斑场示意图。

图5为本发明实施例2数字图像相关算法匹配振动前后包含子区域图像的原理示意图。

其中，1-脚架，2-工业相机，3-投点器，4-第三蜂窝夹芯板(4-1-蜂窝芯，4-2-粘结层，4-3-面板)，5-板间铰链(5-1-公铰，5-2-卷簧，5-3-滑道，5-4-母铰，5-5-偏心螺钉，5-6-销轴，5-7-锁定摆杆，5-8-柱销)，6-第二蜂窝夹芯板，7-第一蜂窝夹芯板，8-激振器，9-钢架，10-金属支座，11-实验台座，12-高压放大器，13-计算机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置，包括铰接蜂窝板本体部分、投影测量部分、振动激励部分和计算机(13)，所述铰接蜂窝板本体部分包括三块材料、尺寸相同的蜂窝夹芯板，分别为第一蜂窝夹芯板(7)、第二蜂窝夹芯板(6)和第三蜂窝夹芯板(4)，每两块蜂窝夹芯板之间通过上下对称位置的两个板间铰链(5)连接在一起，构成的铰接蜂窝板本体的第一蜂窝夹芯板端通过夹板和钢架(9)机械连接到金属支座(10)上，金属支座(10)垂直固定在水平放置的实验台座(11)上，铰接蜂窝板本体的另一端为自由端，且铰接蜂窝板本体与实验台座(11)的水平面垂直；所述投影测量部分包括投点器(3)和两个工业相机(2)，投点器(3)和两个工业相机(2)都固定在脚架(1)上，投点器(3)的镜面正对铰接蜂窝板本体表面，两个工业相机(2)分别安装在投点器(3)的两侧，保证其视场范围充分包含第二蜂窝夹芯板(6)和第三蜂窝夹芯板(4)；所述振动激励部分包括三个同型号的激振器(8)和配套使用的高压放大器(12)，三个激振器(8)均匀分布在第一蜂窝夹芯板(7)靠近金属支座(10)的宽度方向上，上下两个激振器(8)的位置关于宽度方向中线对称，中间位置的激振器(8)位于宽度方向中线上。

所述蜂窝夹芯板的结构图如图3所示，由蜂窝芯(4-1)、粘结层(4-2)和面板(4-3)组成，粘结层(4-2)将上下两层面板(4-3)与蜂窝芯(4-1)胶结成为一个整体的刚性结构。所述板间铰链(5)的结构图如图2所示，由公铰(5-1)、母铰(5-4)、卷簧(5-2)、销轴(5-6)、锁定摆杆(5-7)和偏心螺钉(5-5)组成，当板间铰链(5)展开时，公铰(5-1)和母铰(5-4)在驱动元件卷簧(5-2)的作用下绕销轴(5-6)相对转动，在转动过程中锁定摆杆(5-7)上的柱销(5-8)先沿着公铰(5-1)上的展开滑道(5-3)滑动，在展开过程的末期沿公铰(5-1)上的锁紧槽的左侧滑入并最终卡在锁紧槽底部；在锁定状态下，蜂窝夹芯板间的位置关系固定，铰接蜂窝板本体充分展开，此状态下的铰接蜂窝板本体能够视作一块整体矩形板。

所述基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测装置能够用来模拟并研究太阳能帆板展开后其本体的振动特性。

本实施例中使用的三块蜂窝板夹芯板的尺寸均为500mm×500mm×16.3mm，其中蜂窝芯的每一个胞元的形状均为规则的正六边形，边长6mm，壁厚0.07mm，高15mm，材料牌号为a3003-h19，面板厚度为0.5mm，采用环氧树脂材料。环氧树脂的弹性模量为ep＝34.64gpa，密度为ρ＝1840kg/m³。工业相机(1)选用德国basler公司生产的型号为aca1600-60gc的gige相机，采用cmos感光芯片，最高帧率60fps，分辨率为1600×1200；选用理光公司的镜头，其型号为fl-hc0614-2m，焦距为6mm，大小为φ32mm×35.7mm。投点器(3)选用geodeticsystem公司生产的型号为pro-spot/a的投点器，单次可投射600-2300个点，精度可达10μm。激振器(8)选用cedrattechnologies公司生产的型号为apa1000xl的激振器，无载荷情况下其能产生的最大位移量为1297um，激励力最大为471.21n，精度可达10.99nm；高压放大器(12)选用tegam公司生产的型号为2350的双通道放大器，峰值最大400vp-p。

实施例2：

本实施例提供了一种基于数字图像相关算法的铰接蜂窝板振动检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算机(13)发出的振动激励信号经a/d转换后传输至高压放大器(12)，信号经高压放大器(12)放大后传输给三个激振器(8)，激振器(8)根据信号的不同组合形式激励铰接蜂窝板本体弯曲或扭转振动；

本步骤中，通过给三个激振器(8)传输同频率、同相位的激励信号，能够激励起铰接蜂窝板本体的弯曲振动；通过给上下两端的激振器(8)传输同频率、反相位的信号，能够激励起铰接蜂窝板本体的扭转振动。

步骤二、打开投点器(3)，将光斑均匀投射至第二蜂窝夹芯板(6)和第三蜂窝夹芯板(4)表面，投射点形成的光斑场示意图如图4所示，形成具有连续特征区域的光斑场，利用两个工业相机(2)组成的双目视觉测量系统对铰接蜂窝板振动本体采集连续的图像，在图像上划分并选取感兴趣的特征子区域，运行相应的数字图像相关算法，获得感兴趣区域的三维坐标信息，从而间接得到铰接蜂窝板本体的振动信息；

本步骤中，在采集的连续图像上划分并选取感兴趣的特征子区域，以此作为振动检测的参考位置，通过匹配振动前后包含该子区域的图像，分析该位置振动前后的统计相关性来确定、提取出铰接蜂窝板振动本体的振动位移信息，通过改变感兴趣区域的数量及其在铰接蜂窝板振动本体上的位置，检测过程中能够同时采集得到铰接蜂窝板本体不同部位的振动信息，以此能够用来测量铰接蜂窝板的多阶模态耦合振动，实现振动的解耦。

其中，数字图像相关算法匹配振动前后包含子区域图像的原理示意图如图5所示，其中一幅图像作为参考图像，表示为f(x,y)，另一幅作为待匹配图像，表示为g(x,y)，二维数字相关方法通过相关运算来匹配两幅图像，获得位移场。在参考图像f(x,y)中选一个以m(x0,y0)为中心的(2n+1)×(2n+1)的子区，利用子区中的灰度信息，通过一定的相关匹配算法，在待匹配图像g(x,y)中的待匹配区域进行逐行扫描操作，找到以m′(x0′,y0′)为中心的目标图像子区，图像子区可根据要提取的振动信息自行划分和选择。

三维数字相关方法将二维数字相关方法与双目立体视觉测量相结合，在三维数字相关方法的测量过程中匹配包含两个环节：二维匹配和立体匹配。二维匹配指同一相机采集的物体振动前后图像的匹配，立体匹配指同一时刻左右图像的匹配，其中立体匹配过程也可采用图5所示的匹配方法。

本实施例中采用的相似度判别准则为归一化互相关(ncc)，计算公式为：

该算法计算得到的相关系数矩阵的ncc(x,y)的范围为[-1,1]，系数为1的位置表示完全匹配，-1表示糟糕的匹配，0表示无相关性。考虑到干扰噪声等因素的影响，最佳匹配位置的相关系数通常取0.8。

步骤三、通过改变激励信号的形式、频率、幅值参数，反复试验，获取多次实验结果，得到铰接蜂窝板本体的振动特性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。