基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置及方法与流程

本发明涉及柔性结构的定位和振动控制领域，具体涉及一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置及方法。

背景技术：

柔性化、大型化是各类航天结构的一个重要发展趋势，轻型结构意味着可以增加有效载荷的重量，大型结构使得航天器设计、制造时更具灵活性。然而，由于大型柔性结构刚度低、柔性大，在无外阻的太空中运行时，极易受到外部激励作用而产生持续时间较长的低频大幅值振动，因此，对大型柔性结构的振动分析和控制研究是很有必要的。

现有的技术中，通常用柔性板结构模拟太空帆板，主要采用压电片、加速度传感器、形状记忆合金、角速率陀螺仪传感器、光电位置传感器等传感器件，来实现对柔性板结构的振动测量。但是，压电材料和形状记忆合金由于自身强度、疲劳寿命及耐温性能等因素，应用受到一定的限制；加速度传感器和角速率陀螺仪传感器对噪声敏感，且只能测量物体上某一点的位移信息；光电位置传感器的测量范围较小、结构复杂、操作难度大、计算过程繁琐且成本昂贵。

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精确。双目视觉测量中要求结构上具有标志点，实际中通常采用结构上粘贴标志点和结构上投影标志点的做法，结构上粘贴标志点的做法会在一定程度上影响结构的振动，而投影标志点能够实现真正的非接触式测量，但用投影点的振动信息来代替板真实的振动信息采用了近似方法，由于板的振动是小幅值的，也即说明这种近似方法是可行的。

大型柔性结构如柔性板的振动中低频弯曲振动和扭转振动是耦合在一起的，利用相机对不同的标志点进行监测，能够得到不同标志点的振动信息，从而将振动解耦，分别得到板的弯曲振动信息和扭转振动信息，弯曲振动信息用来驱动压电驱动器抑制板的弯曲振动，扭转振动信息用来驱动压电驱动器抑制板的扭转振动。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置，以实现对柔性铰接板振动的非接触、实时准确测量，同时考虑到了以投影点振动信息来代替柔性板真实振动信息的近似性。

本发明的另一目的在于提供一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置，包括柔性铰接板本体、振动检测部分、驱动控制部分、信号处理模块和计算机；所述柔性铰接板本体由两块材料相同的柔性板通过铰链连接在一起，构成的柔性铰接板本体一端通过机械夹紧装置悬空夹在固定于水平实验台ⅰ的支座上，柔性铰接板本体与水平面垂直，另一端为自由端；所述振动检测部分包括相机检测部分和多个加速度传感器，相机检测部分包括两个工业相机和一个幻灯机，两个工业相机通过滑轨固定在水平实验台ⅱ上，构成双目视觉测量系统，幻灯机也置于水平实验台ⅱ上，将光斑投射至柔性铰接板本体上，两个工业相机的镜头平面平行于柔性铰接板本体，对准幻灯机投射在柔性铰接板本体上的光斑；多个加速度传感器安装在柔性铰接板本体靠近自由端的边缘处；所述驱动控制部分包括多个压电片驱动器，多个压电片驱动器双面粘贴于柔性铰接板本体靠近固定端的柔性板上；振动检测部分检测到柔性铰接板本体的振动信号，通过信号处理模块将振动信号输入计算机中，计算机运行相应的主动控制算法，然后通过信号处理模块输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动。

进一步地，所述信号处理模块包括适调放大器、采集控制卡、端子板和电压放大器，振动检测部分检测到柔性铰接板本体的振动信号，通过适调放大器调制后传输给端子板，再通过采集控制卡内部的a/d转换模块将模拟信号转换为数字信号后输入计算机中，计算机运行相应的主动控制算法，将控制信号经由采集控制卡输出，通过端子板的传递，并经由电压放大器放大信号后输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动。

进一步地，所述压电片驱动器的数量和具体粘贴位置能够根据柔性铰接板本体的大小以及材质自行设计。

进一步地，所述幻灯机投射在柔性铰接板本体上的光斑位置能够根据测量者想要得到的柔性铰接板本体的振动信息来自行设计。

进一步地，所述驱动控制部分包括多个压电片驱动器，其中4片压电片驱动器粘贴于柔性铰接板本体靠近固定端的柔性板中线的正反面，每面两片，对称粘贴，并联连接，用于控制柔性板的扭转振动；其中8片压电片驱动器粘贴于柔性铰接板本体靠近固定端的柔性板中线两侧的正反面，每面四片，对称粘贴，并联连接，用于控制柔性板的弯曲振动；靠近固定端的柔性板的右侧宽度方向中间位置，还粘贴一片压电片驱动器，作为弯曲振动传感器。

进一步地，所述基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置能够用来模拟太空中太阳能帆板的振动情况，在太阳能帆板所处环境无光源的情况下，使用幻灯机投影标志点结合相机检测的方式，获得太阳能帆板的振动信息。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制方法，所述方法包括以下步骤：

一、打开幻灯机将标志点光斑投射于柔性铰接板本体上，利用工业相机和加速度传感器检测柔性铰接板本体的振动，得到相应的振动信号；

二、将步骤一中加速度传感器采集到的振动信号通过适调放大器调制后传输给端子板，再通过采集控制卡内部的a/d转换模块将模拟信号转换为数字信号后输入计算机中，工业相机采集到的振动信号直接输入到计算机中；

三、计算机运行相应的主动控制算法，得到的振动控制信号经由采集控制卡的d/a转换模块输出，通过端子板的信息传递，并经由电压放大器放大信号后输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动；

四、改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到柔性铰接板本体的振动特性及控制效果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置采用幻灯机投影标志点结合相机检测的方法实现了对铰接板振动的完全无接触式测量，由于测量不对板的振动特性有任何影响，所以获得的测量结果更精确。

2、本发明的基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置使用相机对投影的不同标志点进行监测，能够得到不同标志点的振动信息，不同标志点的振动信息能够反映出柔性板的弯曲振动信息和扭转振动信息，从而实现了柔性板的振动解耦。

3、本发明使用幻灯机投影光斑的方法来获得板面上的标志点，解决了无光源环境下铰接板的振动测量问题。

附图说明

图1为本发明实施例1基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置的总体结构示意图。

图2为本发明实施例1中柔性铰接板本体的示意图。

图3为本发明实施例2中工业相机对标志点光斑进行标定的流程图。

图4为本发明实施例2中两个工业相机构成的双目视觉测量系统测量方式的流程图。

其中，1-工业相机，2-加速度传感器，3-铰链，4-压电片驱动器，5-幻灯机。

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双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置，包括柔性铰接板本体、振动检测部分、驱动控制部分、信号处理模块和计算机；所述柔性铰接板本体由两块材料相同的柔性板通过铰链(3)连接在一起(如图2所示)，构成的柔性铰接板本体一端通过机械夹紧装置悬空夹在固定于水平实验台ⅰ的支座上，柔性铰接板本体与水平面垂直，另一端为自由端；所述振动检测部分包括相机检测部分和多个加速度传感器(2)，相机检测部分包括两个工业相机(1)和一个幻灯机(5)，两个工业相机(1)通过滑轨固定在水平实验台ⅱ上，构成双目视觉测量系统，幻灯机(5)也置于水平实验台ⅱ上，将光斑投射至柔性铰接板本体上，两个工业相机(1)的镜头平面平行于柔性铰接板本体，对准幻灯机(5)投射在柔性铰接板本体上的光斑；两个加速度传感器(2)安装在柔性铰接板本体靠近自由端的边缘处；所述驱动控制部分包括多个压电片驱动器(4)，其中4片压电片驱动器(4)粘贴于柔性铰接板本体靠近固定端的柔性板中线的正反面，每面两片，对称粘贴，并联连接，用于控制柔性板的扭转振动；其中8片压电片驱动器(4)粘贴于柔性铰接板本体靠近固定端的柔性板中线两侧的正反面，每面四片，对称粘贴，并联连接，用于控制柔性板的弯曲振动，靠近固定端的柔性板的右侧宽度方向中间位置，还粘贴一片压电片驱动器(4)，作为弯曲振动传感器；振动检测部分检测到柔性铰接板本体的振动信号，通过信号处理模块将振动信号输入计算机中，计算机运行相应的主动控制算法，然后通过信号处理模块输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动。

其中，所述信号处理模块包括适调放大器、采集控制卡、端子板和电压放大器，振动检测部分检测到柔性铰接板本体的振动信号，通过适调放大器调制后传输给端子板，再通过采集控制卡内部的a/d转换模块将模拟信号转换为数字信号后输入计算机中，计算机运行相应的主动控制算法，将控制信号经由采集控制卡输出，通过端子板的传递，并经由电压放大器放大信号后输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动。

进一步地，所述压电片驱动器(4)的数量和具体粘贴位置能够根据柔性铰接板本体的大小以及材质自行设计。所述幻灯机(5)投射在柔性铰接板本体上的光斑位置能够根据测量者想要得到的柔性铰接板本体的振动信息来自行设计。所述基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制装置能够用来模拟太空中太阳能帆板的振动情况，在太阳能帆板所处环境无光源的情况下，使用幻灯机(5)投影标志点结合相机检测的方式，获得太阳能帆板的振动信息。

本实施例中，使用的柔性板为环氧树脂材料薄板，与固定端连接的即第一块柔性板的尺寸为550mm×500mm×2mm，第二块柔性板的尺寸为50mm×500mm×2mm。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，滑轨选用misumi公司生产的型号为sena33h-400-v10-w70的滑轨，长度为400mm。幻灯机(5)选用德国百灵公司生产的型号为e130的130af幻灯机，配备24v/150w强光灯。压电片驱动器(4)由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为45mm×15mm×1mm，成片状粘贴在柔性板上，距离固定端230mm或20mm，距离板宽度方向上下边缘45mm，压电陶瓷材料的弹性模量为ep＝63gpa，d31＝-166pm/v。加速度传感器(2)选用kistler公司的型号为8310b10的电容式传感器，其标称灵敏度为200mv/g，测量频率范围为0-180hz。采集控制卡选用美国galil公司生产的dmc-2x00数字运动控制器，提供标准的pci总线接口；选用的计算机的cpu型号为core76650u2.2ghz，内存4g，主板中有pci-e插槽，可安装采集控制卡。电压放大器可选用型号为apex-pa241dw或apex-pa240cx的压电放大器等零件组成，放大倍数可达到52倍，即将-5v～+5v放大到-260～+260v。

实施例2：

本实施例提供了一种基于双目视觉测量的柔性铰接板振动控制方法，包括以下步骤：

一、打开幻灯机(5)将标志点光斑投射于柔性铰接板本体上，利用工业相机(1)和加速度传感器(2)检测柔性铰接板本体的振动，得到相应的振动信号；

本步骤中，工业相机(1)对标志点光斑进行标定的流程图如图3所示，包括以下步骤：

第一步、建立坐标系：以第二块柔性板前表面的中点ow为坐标原点，建立世界坐标系ow-xwywzw；以相机的光心oc为原点，建立相机坐标系oc-xcyczc；以图像左上角第一个像素为原点o0，建立图像坐标系o0-uv；以图像的中心点o1为原点，建立成像平面坐标系o1-xy。

第二步、空间中任意一点(如p点)的世界坐标系坐标与相机坐标系坐标的变换，可以用旋转矩阵r和平移向量t来描述：

其中，(xcyczc)、(xwywzw)分别为p点在相机坐标系和世界坐标系中的坐标。r是正交单位矩阵，t为三维平移向量。

第三步、在此标定中，相机使用的模型为针孔模型，故成像过程存在如下坐标变换：

其中，(xy)为图像中p点的坐标，(xcyczc)为该点在相机坐标系中的坐标，f为相机镜头焦距。上式用矩阵形式表示为：

综合上述，得到成像平面坐标系坐标与世界坐标系坐标的变换关系：

第四步、图像坐标系的原点o0位于图像平面的左上角第一个像素处，u轴和v轴分别沿图像的宽度和高度方向，坐标点(uv)表示图像中第u列、第v行的像素点。相机光轴与图像平面的交点为o1(u0v0)，此点为图像的中心，以该点为原点，x轴和y轴分别沿图像的宽度和高度方向，建立成像平面坐标系o1-xy。设每一个像素在x轴、y轴方向上的物理尺寸分别是dx、dy，则图像上任意一个像素在两个坐标系下有如下关系：

表达为矩阵形式：

综上所述，可得任一点p的图像坐标系坐标与世界坐标系坐标的变换关系：

式中，u0、v0四个参数只与相机内部结构有关，称为相机内部参数；而矩阵r和向量t与相机的位置及姿态有关，而与相机结构无关，称为相机外部参数。确定相机内、外部参数的过程，就是相机标定。实验中相机标定方法采用基于棋盘格标定板的张正友标定法，即通过提取拍摄的黑白棋盘标定板图像的特征点的坐标，利用极大似然估计法解得相机模型的内、外参数，实际操作中可以使用opencv或者matlab标定工具箱。

两个工业相机(1)构成的双目视觉测量系统测量方式的流程图如图4所示；

二、将步骤一中加速度传感器(2)采集到的振动信号通过适调放大器调制后传输给端子板，再通过采集控制卡内部的a/d转换模块将模拟信号转换为数字信号后输入计算机中，工业相机(1)采集到的振动信号直接输入到计算机中；

三、计算机运行相应的主动控制算法，得到的振动控制信号经由采集控制卡的d/a转换模块输出，通过端子板的信息传递，并经由电压放大器放大信号后输出给驱动控制部分，来抑制柔性铰接板本体的振动；

四、改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到柔性铰接板本体的振动特性及控制效果。

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。