伞状反射器振动测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种振动测量装置，尤其是一种伞状反射器振动测量装置，属于空间伸展结构的振动检测领域。

背景技术：

可展开的通信天线是用于各种任务应用的关键航天器子系统部件，例如深空探测器，通信，侦察和环境监测，并且在现代航空航天应用中起着不可或缺的作用。空间通信环境被各种频率或能量的不同电磁信号淹没。为了快速和准确地识别目标信息，对高增益和高分辨率的需求日益增加，这激励了天线孔径的扩大。一般在5-8米范围内的孔径将不得不在固定和广播卫星业务(FSS/BSS)和宽带卫星Ku-Ka频段的C-Ku频段内工作服务。投影口径高达25米的较大反射镜已投入使用，主要用于移动卫星服务的L和S波段。其他应用包括L频段的空中交通管理卫星业务，以及VHF/UHF的应急和战术通信系统。Mangenot等人对空间通信任务场景和天线结构进行了广泛的评论。

然而，由于火箭当前的输送能力的限制，天线的质量和体积是有限的。因此，现代航天的大口径系统迫切地需要可展开天线。未来太空任务中，需要大量部署用于电信和特定科学以及地球观测应用的大型可展反射器。对于未来这种孔径超过了15米的大型可展反射器，需要侧重研究其反射薄膜的振动对天线效率，系统分辨率的影响。

基于大型抛物面反射器天线的概念提供了几个优点，其中包括天线效率，带宽，质量，能量消耗，复杂性和成本可以更加可控。

非接触式的视觉检测可以快速获取测量数据，不增加原本结构的质量，阻尼比，模态频率的参数，与粘合剂靶相比，标志点提供了一些明显的优点，用于膜的形状和动态测量(例如，可以在不增加质量或硬度的情况下使用数千个靶)，但也存在一些缺点。例如，在有光泽的膜上，大部分投射光将从镜面反射，而不会进入相对于投影仪大多数视角的摄像机。这导致标志点区域图像中明显的光强度变化，使摄影测量分析复杂化，并限制可达到的测量精度。显然，这膜表面的反射特性将直接影响用点投影技术测量的图像质量。漫射表面对于摄影测量通常是最佳的，因为光线在所有方向上散射，导致图像中对比度更均匀。和单目视觉相比，双目视觉可以计算出空间点的三维坐标，以获取物体多点的结构振动的参数信息，而不仅仅局限于一点的振动信息。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种伞状反射器振动测量装置，该装置考虑到传感器对薄膜结构的测量困难，并且容易改变伞状反射器原有的力学性能和振动特性，采用非接触式视觉检测降低振动测量装置对伞状反射器的影响，通过投影仪将标志点投射到反射薄膜表面，并利用双目视觉系统识别标志点匹配反射薄膜的特征，从而处理分析振动信息，实时反映反射薄膜的动态形态。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

伞状反射器振动测量装置，包括伞状反射器、振动激励机构和视觉检测机构，所述伞状反射器具有反射薄膜，所述振动激励机构与伞状反射器连接，用于激励伞状反射器产生振动，所述视觉检测机构包括投影仪、双目视觉系统和工作平台，所述投影仪和双目视觉系统设置在工作平台上，所述投影仪的镜头正对反射薄膜中心，用于将标志点投射到反射薄膜的表面，所述双目视觉系统用于检测反射薄膜表面的标志点区域。

进一步的，所述伞状反射器包括竖直支撑杆、直角梯形底座、多个反射薄膜和多根肋骨，所述反射薄膜和肋骨的数量相一致；

所述竖直支撑杆的第一端固定在直角梯形底座的斜面上，竖直支撑杆的第二端分别与每个反射薄膜的第一端固定连接，多根肋骨沿圆周均匀分布，每个反射薄膜的第二端通过支撑钢架分别与圆周上相邻的两根肋骨连接，形成一定曲率的曲面；

所述竖直支撑杆上配合有上蜂巢和下蜂巢，所述上蜂巢固定在竖直支撑杆与反射薄膜的连接处，且上蜂巢与多根肋骨之间铰接，所述下蜂巢可沿竖直支撑杆滑动，且下蜂巢与多根肋骨之间通过连杆铰接。

进一步的，所述竖直支撑杆的第一端设有圆形底座，所述直角梯形底座的斜面上设有固定板，所述竖直支撑杆的圆形底座固定在直角梯形底座的固定板上。

进一步的，所述伞状反射器的最大直径为3150mm，所述直角梯形底座斜面的轴线与地面呈45度夹角，所述反射薄膜形成的曲面与地面之间的距离为1500mm。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述直角梯形底座固定在支撑平台上。

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

进一步的，所述两台高速相机与地面之间的距离为1600mm，两台高速相机之间的水平距离为200mm，两台高速相机的镜头与伞状反射器中心之间的距离为3000mm。

进一步的，所述振动激励机构包括激振器和信号处理模块，所述激振器与伞状反射器连接，所述信号处理模块与激振器连接。

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、功率放大器和激振器依次连接。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型采用非接触式视觉检测手段，利用投影仪将标志点投射到伞状反射器的表面，并利用双目视觉系统检测反射薄膜表面的标志点区域，相比粘贴标志点的方式，不增加原有伞状反射器的重量，不改变其力学性能，不会破坏伞状反射器的结构，伞状反射器原来的固有频率不改变，这种手段的测量结果更加准确；此外，采用非接触式视觉检测伞状反射器的振动信息，可以解决传感器难以安装在反射薄膜上并且可能对反射薄膜造成破坏的难题。

2、本实用新型的双目视觉系统设有两台高速相机，通过移动导轨上的两个滑块，可以调节两台高速相机的水平位置，从而改变两台高速相机之间的位置关系，确保标志点均在两台高速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，利用标志点识别匹配反射薄膜的特征，可采集完整图像，通过两个液压云台的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮，可以调整两台高速相机的俯仰角度和水平角度。

3、本实用新型的两台高速相机可以根据空间立体标定初始坐标，按一定的采样时间对反射薄膜上的标志点进行采集，并将采集的图像输入计算机，计算机保存图像并对图像进行处理，标志点的振动坐标对比原始坐标可以分析出振动位移，进而可以分析出伞状反射器的各振动参数，如模态频率、阻尼比等振动参数。

4、本实用新型运用了可视化技术，根据反射薄膜上标志点的振动信息，通过两台高速相机进行立体标定，识别匹配反射薄膜的特征，在显示器中可观察到反射薄膜的振动动态形态。

5、本实用新型的的标志点由投影仪通过激光诱导荧光靶生成然后投射到反射薄膜上的漫射光斑，考虑到反射薄膜的厚度以及反射薄膜本身对光的反射，相对于反射光斑，漫射光斑不会使测量分析复杂化，图像对比度更加均匀。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的伞状反射器振动测量装置总体结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的伞状反射器振动测量装置的主视图。

图3为本实用新型实施例1的伞状反射器振动测量装置的俯视图。

图4为本实用新型实施例1的伞状反射器振动测量装置的右视图。

图5为本实用新型实施例1的伞状反射器省略直角梯形底座的结构示意图。

图6为本实用新型实施例1的视觉检测机构的结构示意图。

图7为本实用新型实施例1的伞状反射器振动测量方法流程图。

其中，1-伞状反射器，101-竖直支撑杆，102-直角梯形底座，103-反射薄膜，104-肋骨，105-支撑钢架，106-圆形底座，107-固定板，108-夹紧部件，109-上蜂巢，110-下蜂巢，111-连杆，2-视觉检测机构，201-投影仪，202-工作平台，2021-竖向支撑杆，2022-上层板，2023-中层板，2024-下层板，203-第一高速相机，204-第二高速相机，205-导轨，206-第一滑块，207-第二滑块，208-第一液压云台，209-二液压云台，3-支撑平台，301-基板，302-支撑脚，303-横向支撑杆，4-激振器，5-信号发生器，6-功率放大器，7-支座，8-顶杆，9-标志点，10-主机，11-显示器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型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伞状反射器振动测量装置，该装置包括伞状反射器1、振动激励机构和视觉检测机构2，图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向，图2和图3中虚线表示投影仪和高速相机镜头的方向。

如图1～图5所示，所述伞状反射器1采用类似伞的柔性结构，可以展开和收缩，其包括竖直支撑杆101、直角梯形底座102、八个反射薄膜103和八根肋骨104。

竖直支撑杆101具有第一端以及与第一端相反的第二端，每个反射薄膜103也具有第一端以及与第一端相反的第二端，竖直支撑杆101的第一端固定在直角梯形底座102的斜面上，竖直支撑杆101的第二端分别与每个反射薄膜103的第一端固定连接，八根肋骨104沿圆周均匀分布，每个反射薄膜103根据支撑钢架105的几何尺寸成型，每个反射薄膜103的第二端通过支撑钢架105分别与圆周上两根相邻的肋骨104连接，形成一定曲率的曲面，每个反射薄膜103可以随肋骨104的运动伸展，本实施例的支撑钢架105与肋骨104一一对应，每个支撑钢架105焊接成型在对应的肋骨104上，反射薄膜103第二端的两个角通过夹紧部件108与相邻的两个支撑钢架105固定连接，该夹紧部件108由螺栓固定，保持八个反射薄膜103的张开状态；竖直支撑杆101上配合有上蜂巢109和下蜂巢110，上蜂巢109固定在竖直支撑杆101与反射薄膜103的连接处，且上蜂巢109与八根肋骨104之间通过铰接连接(铰接)，八根肋骨104相对上蜂巢109的转动角度为0～90度，下蜂巢110可沿竖直支撑杆101滑动(上下方向滑动)，且下蜂巢110与八根肋骨104之间通过连杆111铰接，通过连杆111控制八根肋骨104的展开和收缩，从而使反射薄膜103可以展开和收缩。

具体地，竖直支撑杆101的第一端设有圆形底座106，竖直支撑杆101的第一端优选采用加强筋连接圆形底座106，本实施例的圆形底座106成型在竖直支撑杆101的第一端，直角梯形底座102的斜面上设有固定板107，本实施例的固定板107的材质为不锈钢，由于直角梯形底座102的斜面与地面形成一定角度，固定板107与地面也形成一定角度。

进一步地，伞状反射器的最大直径约为3150mm，直角梯形底座102斜面的轴线与地面呈45度夹角，反射薄膜103形成的曲面与地面之间的距离约为1500mm。

为了稳定支撑伞状反射器1，本实施例的伞状反射器振动测量装置还包括支撑平台3，直角梯形底座102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，直角梯形底座102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，肋骨104的材料选用直径长度为1500mm的空心不锈钢管；竖直支撑杆101的材料与肋骨104相同，外径为内径为空心钢管，长度为1000mm，竖直支撑杆101第二端通过加强筋连接的圆形底座106的直径为并分布有的螺纹通孔；直角梯形底座102的结构尺寸自行设计，其长宽高尺寸为680×480×480mm；斜面钻有螺纹通孔，底面钻有螺纹通孔；反射薄膜103的材料为基于软硅树脂基质支撑的碳纤维，具有非常好的平面刚度性能和低热膨胀性，且易被折叠和部署；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，其中竖向的型材为支撑脚302，支撑脚302之间型材为横向支撑杆303，型材的每个连接处都由角铁固定。

所述振动激励机构用于激励伞状反射器1产生振动，其包括信号处理模块和激振器4，信号处理模块包括信号发生器5和功率放大器6，信号发生器5、功率放大器6和激振器4依次连接，本实施例的激振器4设置在地面上，具体地，激振器4通过支座7用地脚螺栓固定在地面上，并通过顶杆8与其中一根肋骨104连接，按要求调节功率放大器6，选择信号源频率，将信号源输出电压调到±5V(RMS)；激振器4对伞状反射器整体施加激励，引起肋骨104和反射薄膜103的振动。

在本实施例中，激振器4选用型号JZQ-20A,最大激振力为20kg，力常数为14/8,最大位移为5mm，频率范围10-2000Hz；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4、图6所示，所述视觉检测机构2包括投影仪201、双目视觉系统和工作平台202，投影仪201和双目视觉系统设置在工作平台202上，具体地，工作平台202包括三块层板和四根竖向支撑杆2021，三块层板分别为上层板2022、中层板2023和下层板2024，四根竖向支撑杆2021的上端分别与上层板2022的四个角固定连接，四根竖向支撑杆2021的中部分别与中层板2023的四个角固定连接，四根竖向支撑杆2021的下端分别与下层板2024的四个角固定连接，本实施例的投影仪201和双目视觉系统设置在上层板2022的上表面。

所述投影仪201正对反射薄膜103中心，用于将标志点9投射到反射薄膜103的表面，具体地，投影仪201的镜头，利用激光投影的方式，在分光镜作用下，向反射薄膜投射103表面投射一片圆形的漫射光斑作为标志点9，基本布满整个反射薄膜103，但对反射薄膜103的结构不产生任何影响，并且可以降低反射薄膜103的光线反射作用，提高图像的对比度。

所述双目视觉系统用于检测反射薄膜103表面的标志点9区域，其包括第一高速相机203、第二高速相机204、导轨205、第一滑块206、第二滑块207、第一液压云台208和第二液压云台209，导轨205固定在工作平台202的上层板2022上表面，第一滑块206和第二滑块207滑动设置在导轨205上，即第一滑块206和第二滑块207能够在导轨205上移动，第一高速相机203和第二高速相机204关于投影仪201左右对称安装，第一高速相机203设置在第一液压云台208上，具体通过3/8英寸螺纹接口连接第一液压云台208，第二高速相机204设置在第二液压云台209上，具体通过3/8英寸螺纹接口连接第二液压云台209，第一液压云台208固定在第一滑块206上，具体通过底部螺纹孔安装在第一滑块206上，第二液压云台209固定在第二滑块207上，具体通过底部螺纹孔安装在第二滑块207上，通过移动第一滑块206和第二滑块207，可以调节第一高速相机203和第二高速相机204的水平位置，从而改变第一高速相机203和第二高速相机204之间的位置关系，确保标志点9均在第一高速相机203和第二高速相机204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9的空间坐标，利用标志点9识别匹配反射薄膜103的特征，可采集完整图像，通过第一液压云台208和第二液压云台209的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮，可以调整第一高速相机203和第二高速相机204的俯仰角度和水平角度，本实施例的俯仰角度为0度，使得第一高速相机203和第二高速相机204的镜头可以正对反射薄膜103；第一高速相机203和第二高速相机204可以对伞状反射器1的坐标定位，根据空间立体标定初始坐标，按一定的采样时间对反射薄膜103上的标志点9进行采集，并将采集的图像输入计算机，计算机保存图像并对图像进行处理，标志点9的振动坐标对比原始坐标可以分析出振动位移，进而可以分析出伞状反射器1的各振动参数，如反射薄膜103的模态频率、阻尼比等振动参数，其中计算机包括主机10和显示器11，第一高速相机203和第二高速相机204通过USB数据线与主机10连接，主机10与显示器11连接，应用可视化技术重构反射薄膜103的图像输出在显示器11上，重点反映反射薄膜103上标志点9的振动信息并反映反射薄膜103的动态形态变化。

进一步地，第一高速相机203、第二高速相机204与地面之间的距离约为1600mm，第一高速相机203和第二高速相机204之间的水平距离为200mm，第一高速相机203、第二高速相机204的镜头与反射薄膜103中心之间的距离约为3000mm。

在本实施例中，工作平台202由两种尺寸分别为1500mm、1000mm的铝制型材组装而成，上层板2022、中层板2023和下层板2024均为1000mm×1000mm×8m的不锈钢板，通过螺栓与型材连接，其中竖向的型材为竖向支撑杆2021，型材的每个连接处都由角铁固定；投影仪201选用松下公司的PT-BX431C投影仪，采用1.6倍变焦镜头，可调节反射薄膜103表面的标志点9的大小，分辨率为1024×768；第一高速相机203和第二高速相机204采用FASTCAM SA2型号的高速相机，由Photron公司生产制造；可拍摄全帧2048×2048像素下1080帧/秒，全HD(1920×1080像素)2,000帧/秒；镜头采用尼康AF 24mm f/2.8D镜头，焦距范围24mm，视角范围在35mm格式为84度，NikonDX格式为61度，接口方式为USB接口；计算机的主机10选用I500-7255型号，制造单位为方正科技集团股份有限公司；显示器11采用信特安液晶显示屏，外观大小21.5英寸，最佳分辨率为1920×108。

如图1～图7所示，本实施例提供了一种伞状反射器振动测量方法，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，从而驱动激振器4控制伞状反射器1振动。

步骤二、接通投影仪201的电源，投影仪201激光投射一片圆形的漫射光斑在反射薄膜103表面，在反射薄膜103表面形成多个标志点9。

步骤三、通过第一液压云台208上的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮调整第一高速相机203的俯仰角度和水平角度，以及通过第而液压云台208上的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮调整第二高速相机204的俯仰角度和水平角度，通过第一滑块206调整第一高速相机203的水平位置，以及通过第二滑块207调整第二高速相机204水平位置，确保所有标志点均在两台高速相机视觉检测的视野范围内。

步骤四、对第一高速相机203和第二高速相机204进行立体标定，建立空间坐标系，坐标系变换，匹配两台高速相机视野内的标志点初始坐标；

步骤五、第一高速相机203和第二高速相机204以一定的频率采集反射薄膜103的振动图像，通过USB接口输入计算机的主机10保存并处理分析反射薄膜103的振动参数；

步骤六、根据标志点的坐标识别匹配薄膜特征，重构反射薄膜103的模型并输出在计算机的显示器11上；

步骤七、利用振动形态变化的连续性，连续采集图像，在计算机的显示器11中观察反射薄膜103的形态变化。

综上所述，本实用新型采用非接触式视觉检测手段，利用投影仪将标志点投射到伞状反射器的表面，并利用双目视觉系统检测反射薄膜表面的标志点区域，相比粘贴标志点的方式，不增加原有伞状反射器的重量，不改变其力学性能，不会破坏伞状反射器的结构，伞状反射器原来的固有频率不改变，这种手段的测量结果更加准确；此外，采用非接触式视觉检测伞状反射器的振动信息，可以解决传感器难以安装在反射薄膜上并且可能对反射薄膜造成破坏的难题。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型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实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。