柔性桁架振动检测装置及方法与流程

本发明涉及一种振动检测装置，尤其是一种柔性桁架振动检测装置及方法，属于空间伸展结构的振动检测领域。

背景技术：

柔性结构在航天及工业生产领域应用广泛，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但柔性结构的固有频率低，低频模态振动易被激起等特点限制了其在航天器天线，帆板上的应用与发展。

近几年以来，人们对航天器结构的研究成为研究重点和热门课题。由于火箭的搭载能力提升有限，对天线等采用柔性结构是首要的选择。该柔性桁架在太空上的应用主要是在航天器的体外伸展机构。电机驱动柔性桁架伸展，桁架的自由端连接另一个信号发射及接收装置。另外，也可以通过这种柔性伸展桁架在两侧展开反射薄膜。实际应用中，由于桁架结构为柔性，质量轻，太空中阻尼小，桁架易激起振动，对探测系统的精度产生更大的偏差。为了提高航天器的精度，对空间柔性结构的振动研究愈加迫切。由于桁架结构本身固有频率分布十分复杂，因此对振动检测的方法要求较高。加速度传感器具有频带宽，结构简单，质量轻，易于安装等优点，利用加速度传感器合理分布可以实时处理柔性桁架的振动反馈信号，实际应用比较方便。

视觉检测是近年来新型的检测手段，由于其对原本柔性桁架系统的动力学性能影响非常小，适合应用于对空间柔性伸展结构的振动检测。

一般在地面模拟实验时，除了重力对桁架结构的特性产生影响之外，实验室的硬件条件也是其中影响因素之一。需要对实际天线结构进行模型代替，采取合理的结构设计。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性桁架振动检测装置，该装置采用视觉和加速度传感器对柔性桁架进行检测，通过将两种检测方式的优势结合，既弥补了视觉检测在光照条件不足的情况下图像对比度不足的缺点，又展示了视觉检测的灵活性和良好的适应性。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的柔性桁架振动检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

柔性桁架振动检测装置，包括柔性桁架、压电驱动机构和振动检测机构，所述压电驱动机构与柔性桁架连接，用于驱动柔性桁架产生振动，所述振动检测机构包括双目视觉系统、工作平台、加速度传感器和处理设备，所述双目视觉系统设置在工作平台上，用于检测柔性桁架上的标志点区域，所述加速度传感器设置在柔性桁架上，所述处理设备分别与双目视觉系统、加速度传感器连接。

进一步的，所述柔性桁架具有多层结构，每层结构由十六根柔性杆相互连接而成，最底层结构与压电驱动机构连接。

进一步的，所述柔性桁架的每层结构中，十六根柔性杆包括八根水平柔性杆、四根竖直柔性杆以及四根倾斜柔性杆，其中四根水平柔性杆与另外四根水平柔性杆上下对称设置，四根竖直柔性杆与八根水平柔性杆构成一个立方体，四根倾斜柔性杆分别设置在立方体的四个侧面上。

进一步的，所述柔性桁架的最底层结构中，两根柔性杆分别与压电驱动机构连接，柔性桁架除这两根柔性杆外的每根柔性杆上均匀分布有多圈标志点。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述柔性桁架的最底层结构固定在支撑平台上。

进一步的，所述双目视觉系统包括两台工业相机、一条导轨、两个滑块和两个云台，所述两个滑块滑动设置在导轨上，所述导轨固定在工作平台上，所述两台工业相机、两个滑块和两个云台均为一一对应，每台工业相机设置在对应的云台上，每个云台固定在对应的滑块上。

进一步的，所述振动驱动机构包括压电陶瓷促动器和信号处理模块，所述压电陶瓷促动器与柔性桁架连接，所述信号处理模块与电陶瓷促动器连接。

进一步的，所述信号处理模块包括信号发生器和功率放大器，所述信号发生器、功率放大器和压电陶瓷促动器依次连接。

进一步的，所述处理设备包括计算机、a/d采集卡和滤波放大电路，所述计算机与双目视觉系统连接，并依次通过a/d采集卡、滤波放大电路与加速度传感器连接。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的柔性桁架振动检测方法，所述方法包括：

信号发生器提供一定频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器的作用下将电压放大到一定程度的驱动电压，从而驱动压电陶瓷促动器控制柔性桁架振动；

加速度传感器将x、y、z三个方向的振动信号反馈，滤波放大电路排除干扰频率的作用，a/d采集卡将模拟信号转换成数字信号输入计算机的主机实时处理；

双目视觉系统的两台工业相机与柔性桁架之间设置适当的距离，通过云台的粗调旋钮和微调旋钮对两台工业相机进行适当的角度调整，以及通过滑块对两台工业相机的水平位置进行固定，根据工业相机的立体标定得到柔性桁架的统一坐标值；

柔性桁架产生振动时由工业相机进行图像采集，将数据输入计算机的主机实时处理得出柔性桁架的各种振动参数，并在计算机的显示器显示3d重构画面。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用视觉和加速度传感器对柔性桁架进行检测，通过将两种检测方式的优势结合，既弥补了视觉检测在光照条件不足的情况下图像对比度不足的缺点，又展示了视觉检测的灵活性和良好的适应性，可以在实验室条件不足的情况下提供更可行的解决办法，实现降低实验成本以及搭建难度的目的。

2、本发明的柔性桁架具有多层结构，每层结构由十六根柔性杆相互连接而成，其中四根水平柔性杆与另外四根水平柔性杆上下对称设置，四根竖直柔性杆与八根水平柔性杆构成一个立方体，四根倾斜柔性杆分别设置在立方体的四个侧面上，通过合理的机械结构设计，基于实际应用的柔性桁架天线进行合适的建模，设计出合适的可应用于现有实验室条件的结构，尽可能的达到实际效果。

3、本发明采用压电陶瓷促动器驱动柔性桁架最底层的两根柔性杆，利用逆压电效应主动激励柔性桁架产生振动，驱动柔性桁架发生x、y、z各向的振动，从而进行一系列的检测试验，振动结果分析。

4、本发明的双目视觉系统设有两台工业相机，通过移动导轨上的两个滑块，可以调节两台工业相机的水平位置，从而改变两台工业相机之间的位置关系，确保标志点均在两台工业相机的视觉检测的视野范围内，从而采集视野范围内所有标志点的空间坐标，可采集完整图像，通过两个云台的粗调旋钮和微调旋钮，可以调整两台工业相机的俯仰角度和水平角度。

5、本发明采用视觉检测手段对柔性桁架进行检测，由于非接触的测量方式，可以达到最小限度影响柔性桁架的固有频率及模态频率，为后续的实验及应用提供更加真实精确的数据。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性桁架振动检测装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的柔性桁架振动检测装置的主视图。

图3为本发明实施例1的柔性桁架振动检测装置的俯视图。

图4为本发明实施例1的柔性桁架振动检测装置的右视图。

图5为本发明实施例1的柔性桁架的结构示意图。

图6为本发明实施例1的双目视觉系统设置在工作平台上的结构示意图。

图7为本发明实施例1的柔性桁架振动检测方法流程图。

其中，1-柔性桁架，101-水平柔性杆，102-竖直柔性杆，103-倾斜柔性杆，104-单轴万向节，105-链接球，106-固定脚架，2-标志点，3-支撑平台，301-基板，302-支撑脚，303-横向支撑杆，4-压电陶瓷促动器，5-信号发生器，6-功率放大器，7-双目视觉系统，701-第一工业相机，702-第二工业相机，703-导轨，704-第一滑块，705-第二滑块，706-第一云台，707-第二云台，8-工作平台，801-竖向支撑杆，802-上层板，803-中层板，804-下层板，9-加速度传感器，10-传感器供电电源，11-a/d采集卡，12-滤波放大电路，13-主机，14-显示器。

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～图4所示，本实施例提供了一种柔性桁架振动检测装置，该装置包括柔性桁架1、压电驱动机构和振动检测机构。

如图1～图5所示，所述柔性桁架1由八十八根材料相同，尺寸不完全一样的柔性杆拼装而成，其截面为矩形，具有七层结构，具体地，每层结构由十六根柔性杆相互连接而成，十六根柔性杆包括八根水平柔性杆101、四根竖直柔性杆102以及四根倾斜柔性杆103，其中四根水平柔性杆101与另外四根水平柔性杆102上下对称设置，四根竖直柔性杆102与八根水平柔性杆101构成一个立方体，四根倾斜柔性杆103分别设置在立方体的四个侧面上，上一层结构下方的四根水平柔性杆102作为下一层结构上方的四根水平柔性杆102，以此类推，直到最下面的一层结构。

进一步地，每层结构的十六根柔性杆两端均由外螺纹，每根柔性杆的两端均通过螺纹连接单轴万向节104，各根柔性杆通过单轴万向节104与链接球105固定连接，从而使各根柔性杆相互连接；最底层结构中的两根柔性杆分别与压电驱动机构连接，本实施例选取一根竖直柔性杆102和一根倾斜柔性杆103，柔性桁架1除这两根柔性杆外的每根柔性杆上均匀分布有三圈标志点2，所有水平柔性杆101和竖直柔性杆102上的标志点2分布位置完全相同，所有倾斜柔性杆103上的标志点2分布位置也完全相同。

为了稳定支撑柔性桁架1，本实施例的柔性桁架振动检测装置还包括支撑平台3，柔性桁架1的最底层结构固定在支撑平台3上；进一步地，支撑平台3包括基板301和四根支撑脚302，柔性桁架1的最底层结构下方的四根水平柔性杆102的两端面同轴安装了固定脚架106，共有八个，通过紧固螺栓将固定脚架106固定在基板301的上表面，四根支撑脚302分别与基板301的下表面固定连接，相邻的两根支撑脚302之间设有横向支撑杆303，使得整个支撑平台3更稳固。

在本实施例中，柔性桁架1为密频三维七层空间柔性桁架结构，该柔性桁架结构尺寸为0.4m×0.4m×2.8m，各柔性杆的材料完全相同，均为碳纤维管，几何尺寸分别是φ20×0.4m，φ20×0.4m，φ20×0.606m，弹性模量为207gpa，密度为1.8x10³kg/m³。底部四个节点完全固定的支撑平台3上，以模拟航天器天线固定一端，另一端为自由端，节点处采用球状节点，均匀加工切除成相同大小的平面，并钻有φ8×8大小的螺纹孔若干个，保证各柔性杆之间能正确组合；支撑平台3由三种尺寸分别为480mm、500mm、680mm的铝制型材组装而成，基板301是一块600mm×800mm×8m的不锈钢板，通过螺栓与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

所述压电驱动机构用于驱动柔性桁架产生振动，其包括压电陶瓷促动器4和信号处理模块，信号处理模块包括信号发生器5和功率放大器6，本实施例的压电陶瓷促动器4为机械压电陶瓷促动器，共有四个，其中两个压电陶瓷促动器4分别螺纹连接在最底层结构中的一根竖直柔性杆102两端，该竖直柔性杆102连接压电陶瓷促动器4后，再通过单轴万向节104与链接球105固定连接，另外两个压电陶瓷促动器4分别螺纹连接在最底层结构中的一根倾斜柔性杆103两端，该倾斜柔性杆103连接压电陶瓷促动器4后，再通过单轴万向节104与链接球105固定连接，信号发生器5、功率放大器6和每个压电陶瓷促动器4依次连接，信号发生器5提供一定频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器6的作用下将电压放大到一定程度的驱动电压，从而驱动压电陶瓷促动器4控制柔性桁架1振动，具体驱动柔性桁架发生xyz各向的振动，从而进行一系列的检测试验，振动结果分析，同一根柔性杆上的压电陶瓷促动器4型号参数相同，但其自由端机械运动方向不同，力的方向均沿着杆的轴线方向且相反。

在本实施例中，压电陶瓷促动器4采用哈尔滨芯明天公司开发pst150/7/100vs12型号的产品，该压电陶瓷促动器选用外螺纹转接头，标称行程为95+10％μm，标称推力1200n，谐振频率为10khz,刚度为10+20％n/μm；信号发生器5选用型号为angilent-33220a，制造单位为安捷伦仪器有限公司，可以提供-15-+15v的正弦波信号；功率放大器6选用型号为ye5872，从江苏联能电子技术有限公司购入，可以将信号放大至-120-+120v。

如图1～图6所示，振动检测机构包括双目视觉系统7、工作平台8、加速度传感器9和处理设备，双目视觉系统7设置在工作平台8上，用于检测柔性桁架1上的标志点2区域，具体地，工作平台8包括三层层板和四根竖向支撑杆801，三块层板分别为上层板802、中层板803和下层板804，四根竖向支撑杆801的上端分别与上层板802的四个角固定连接，四根竖向支撑杆801的中部分别与中层板803的四个角固定连接，四根竖向支撑杆801的下端分别与下层板804的四个角固定连接，本实施例的双目视觉系统7设置在上层板802的上表面。

进一步地，双目视觉系统7包括包括第一工业相机701、第二工业相机702、导轨703、第一滑块704、第二滑块705、第一云台706和第二云台707，导轨703固定在上层板802的上表面，第一滑块704和第二滑块705滑动设置在导轨703上，即第一滑块704和第二滑块705能够在导轨703上移动，第一工业相机701和第二工业相机702对称安装，第一云台706和第二云台707均采用球形平台，第一工业相机701设置在第一云台706上，具体通过1/4螺丝连接第一云台706，第二工业相机702设置在第二云台707上，具体通过1/4螺丝连接第二云台707，第一云台706固定在第一滑块704上，第二云台707固定在第二滑块705上，通过移动第一滑块704和第二滑块705，可以调节第一工业相机701和第二工业相机702的水平位置，从而改变第一工业相机701和第二工业相机702之间的位置关系，确保标志点2均在第一工业相机701和第二工业相机702的视觉检测的视野范围内，从而采集视野范围内所有标志点2的空间坐标，可通过调节第一云台706和第二云台707上的粗调旋钮和微调旋钮控制第一工业相机701和第二工业相机702的水平角度和俯仰角度，具有多个阻尼挡位。

进一步地，所述加速度传感器9有四个，均由传感器供电电源10供电，一个加速度传感器9安装在柔性桁架1最顶层的水平柔性杆101端点位置，一个加速度传感器9安装在柔性桁架1最顶层的竖直柔性杆102端点位置，一个加速度传感器9安装在柔性桁架1上面第二层的竖直柔性杆102端点位置，一个加速度传感器9安装在柔性桁架1上面第三层的竖直柔性杆102端点位置，柔性桁架1剩下的四层不安装加速度传感器9。

进一步地，所述处理设备包括计算机、a/d采集卡11和滤波放大电路12，计算机与双目视觉系统7连接，并依次通过a/d采集卡11、滤波放大电路12分别与四个加速度传感器9连接，其中计算机包括主机13和显示器14，第一工业相机701和第二工业相机702通过usb数据线与主机13连接，第一工业相机701和第二工业相机702分别标定各自的坐标系，得到柔性桁架1的统一坐标值，柔性桁架1产生振动时由第一工业相机701和第二工业相机702进行图像采集，第一工业相机701和第二工业相机702按一定的采样时间进行图像采集，通过计算机的主机13进行图像处理，标志点2的振动坐标对比原始坐标可以分析出振动位移，进而可以分析出柔性桁架的各振动参数，并在计算机的显示器14显示3d重构画面；四个加速度传感器9检测柔性桁架1自由端的振动及移动情况的复合信号，并将不同通道的信号经过滤波放大电路12和a/d采集卡11，输入到计算机的主机13进行相应的算法分析，得到柔性桁架1自由端的振动频率响应图以及阻尼比等参数，后续可以用来和视觉检测的结果进行比较。

在本实施例中，第一工业相机701和第二工业相机702采用加拿大prosilica公司的型号为ge1050工业相机，分辨率为1megapixels1024×1024，感光元件为1/2”ccd图像顺序扫描kodakkai-01050,最大帧速率为60fps，灯光颜色为白光，使用传统的cat-5e网线，接口类型为gigabitethernet；第一云台706和第二云台707采用benro公司的型号为b0的云台；材质为镁合金，可承重8kg，底座采用unc3/8接口；导轨703采用云台的配套导轨，材料为金属，导轨长度为1m,固定底孔大小为3/8英寸；加速度传感器9选择kistler公司型号为8762a5的电压式加速度传感器，其标称灵敏度为1000mv/g,测量频率范围为0.5-6000hz，测量方向为三轴均可；传感器供电电源10采用kistler公司配套设备；a/d采集卡11采用pci-1800h型号，装在计算机的pci卡槽中；滤波放大电路12选用型号为ye3760a，由江苏联能电子技术有限公司生产；计算机选用i500-7255型号，制造单位为方正科技集团股份有限公司。

如图1～图7所示，本实施例还提供了一种柔性桁架振动检测方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、信号发生器5提供一定频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器6的作用下将电压放大到一定程度的驱动电压，从而驱动压电陶瓷促动器4控制柔性桁架1振动；

步骤二、四个加速度传感器9将x、y、z三个方向的振动信号反馈，滤波放大电路12排除干扰频率的作用，a/d采集卡11将模拟信号转换成数字信号输入计算机的主机13实时处理；

步骤三、两台工业相机与柔性桁架1之间设置适当的距离，通过第一云台706的粗调旋钮和微调旋钮对第一工业相机701进行适当的角度调整，通过第二云台707的粗调旋钮和微调旋钮对第二工业相机702进行适当的角度调整，通过第一滑块704对第一工业相机701的水平位置进行固定，通过第二滑块705对第二工业相机702的水平位置进行固定，根据第一工业相机701和第二工业相机702的立体标定得到柔性桁架1的统一坐标值；

步骤四、柔性桁架1产生振动时由第一工业相机701和第二工业相机702进行图像采集，将数据通过usb接口输入计算机的主机13实时处理得出柔性桁架1的各种振动参数，并在计算机的显示器14显示3d重构画面。

综上所述，本发明采用视觉和加速度传感器对柔性桁架进行检测，通过将两种检测方式的优势结合，既弥补了视觉检测在光照条件不足的情况下图像对比度不足的缺点，又展示了视觉检测的灵活性和良好的适应性，可以在实验室条件不足的情况下提供更可行的解决办法，实现降低实验成本以及搭建难度的目的。

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构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。