环形桁架可展天线振动检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种振动检测装置，尤其是一种环形桁架可展天线振动检测装置，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。

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。在轨道上工作的典型可展开天线是环形桁架可展天线以及由其优化演变而成的类似结构天线，其具有质量小，结构简单，表面畸变小的优点。它主要由可展开桁架支撑结构，钢丝网和电缆网(包括前网，后网和垂直电缆)。

可展开的天线在发射期间被收藏在火箭整流罩中，然后逐渐部署在轨道上，最终形成抛物面。从收起状态转换到已部署状态称为部署。部署是一个相当复杂的动态过程，受到各种非线性因素的影响，如结构柔性，摩擦力，间隙和索网张力等。因此，对部署的精确预测是具有挑战性的，但对天线设计过程来说非常重要。现有许多研究的侧重点是关于天线部署过程的基于有限元分析的索网结构的张力分析，但是关于天线部署完成之后的振动研究少。目前较多实验研究仅停留在对悬臂梁，飞机机翼等简易结构的模拟研究，对复杂可展的柔性天线结构研究尚有不足。

天线展开完成之后最容易激起振动的结构是反射网状结构。考虑到反射网本身质量轻，并且带有间隙网洞，采用视觉检测是一项较优的选择。视觉检测可以快速获取测量数据，不明显增加原本结构的质量，阻尼比，模态频率的参数(采用质量很轻的LED灯充当标志点的质量可以忽略不计)，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，提供了一种环形桁架可展天线振动检测装置，该装置采用视觉和加速度传感器对环形桁架可展天线进行检测，通过将两种检测方式的优势结合，使检测结果更加精确。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

环形桁架可展天线振动检测装置，包括环形桁架可展天线、振动驱动机构和振动检测机构，所述振动驱动机构与环形桁架可展天线连接，用于驱动环形桁架可展天线产生振动，所述振动检测机构包括两组双目视觉系统、立方体支架、多个加速度传感器和处理设备，所述两组双目视觉系统对称设置在立方体支架上，用于检测环形桁架可展天线表面的标志点区域，所述多个加速度传感器设置在环形桁架可展天线上，且沿环形桁架可展天线的周围均匀分布，所述处理设备分别与两组双目视觉系统、多个加速度传感器连接。

进一步的，所述环形桁架可展天线包括支撑机构和反射网，所述反射网设置在支撑机构上，且反射网表面设有多个标志点，所述多个加速度传感器设置在支撑机构上，且沿支撑机构的周围均匀分布。

进一步的，所述支撑机构为多面体结构，具有多个侧面，顶面和底面均为正多边形，每个侧面具有两条棱，每条棱包括两根竖直支撑杆和两个轴套，所述两个轴套分别与两根竖直支撑杆的两端连接，每根竖直支撑杆上设有定位套筒和滑动套筒，相邻两条棱的定位套筒与滑动套筒之间通过刚性杆连接，所述刚性杆与定位套筒、滑动套筒的连接端均为铰接端。

进一步的，所述反射网表面上的标志点为LED标志点，所述LED标志点包括第一LED标志点和第二LED标志点，所述第一LED标志点根据反射网的形状呈圆形分布，所述第二LED标志点沿反射网的中心对称线等距直线分布。

进一步的，每组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；两组双目视觉系统的导轨对称固定在立方体支架上。

进一步的，两组双目视觉系统的导轨通过固定板对称固定在立方体支架上。

进一步的，所述振动驱动机构包括激振器和信号处理模块，所述激振器与环形桁架可展天线连接，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。

进一步的，所述处理设备包括计算机、A/D采集卡和滤波电路，所述计算机分别与两组双目视觉系统连接，并依次通过A/D采集卡、滤波电路分别与多个加速度传感器连接。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型采用振动驱动机构这种外部激励的方式，驱动环形桁架可展天线产生振动，容易产生较大的激振力，并采用视觉和加速度传感器同时对环形桁架可展天线进行检测，视觉检测具有很高的灵活性，加速度传感器可以检测信号并及时处理，通过将两种检测方式的优势结合，使检测结果更加精确。

2、本实用新型的环形桁架可展天线具有支撑机构和反射网，将加速度传感器设置在支撑机构上，以检测支撑机构的振动信息，而两组双目视觉系统检测反射网上的标志点区域，以检测反射网的振动信息，从而利用处理设备对比分析支撑机构和反射网的振动信息之间的关系，可以提供支撑机构与反射网之间的振动关系的实验数据。

3、本实用新型的支撑机构上方设计了利用多根刚性杆与相邻两条棱的定位套筒、滑动套筒铰接而成的两圈环状结构，下方同样设计了利用多根刚性杆与相邻两条棱的定位套筒、滑动套筒铰接而成的两圈环状结构，共有四圈环状结构，大大提高了支撑机构的稳定性。

4、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，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。

5、本实用新型采用视觉检测手段对环形桁架可展天线进行检测，由于非接触的测量方式，可以达到最小限度影响环形桁架可展天线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。

6、本实用新型采用LED光源充当视觉检测的标志点的方式，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。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线振动检测装置总体结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线振动检测装置的主视图。

图3为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线振动检测装置的俯视图。

图4为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线振动检测装置的右视图。

图5为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线中支撑机构的结构示意图。

图6为本实用新型实施例1的振动检测机构其中一个双目视觉系统的结构示意图。

图7为本实用新型实施例1的环形桁架可展天线振动检测方法流程图。

其中，1-支撑机构，101-第一竖直支撑杆，102-第二竖直支撑杆，103-第一轴套，104-第二轴套，105-定位套筒，106-滑动套筒，107-刚性杆，108-固定底座，2-反射网，3-电源，4-第一LED标志点，5-第二LED标志点，6-激振器，7-信号发生器，8-功率放大器，9-双目视觉系统，901-第一高速相机，902-第二高速相机，903-导轨，904-第一滑块，905-第二滑块，906-第一液压云台，907-第二液压云台，10-立方体支架，11-加速度传感器，12-固定板，13-A/D采集卡，14-滤波电路，15-主机，16-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环形桁架可展天线振动检测装置，该装置包括环形桁架可展天线、振动驱动机构和振动检测机构。

如图1～图5所示，所述环形桁架可展天线为空间柔性伸展环形桁架可展天线，其包括支撑机构1和反射网2，反射网2设置在支撑机构1上。

进一步地，所述支撑机构1为多面体结构，具有十个侧面，顶面和底面均为正十边形，每个侧面具有两条棱，以任意三个相邻的侧面为例，中间侧面的一条棱为相邻的一个侧面的一条棱，中间侧面的另一条棱为相邻的另一个侧面的一条棱，因此十个侧面的棱共有十条，每条棱包括第一竖直支撑杆101、第二竖直支撑杆102、第一轴套103和第二轴套104，第一竖直支撑杆101和第二竖直支撑杆102构成一对竖直支撑杆，第一竖直支撑杆101和第二竖直支撑杆102的上端通过第一轴套103连接，下端通过第二轴套104连接，第一竖直支撑杆101和第二竖直支撑杆102上均设有定位套筒105和滑动套筒106，具体地，第一竖直支撑杆101上的定位套筒105设置在第一竖直支撑杆101下端，第一竖直支撑杆101上的滑动套筒106滑动设置在第一竖直支撑杆101两端之间的任意位置，即该滑动套筒106可以在第一竖直支撑杆101的两端之间上下滑动，第二竖直支撑杆102上的定位套筒105设置在第二竖直支撑杆102的上端，第二竖直支撑杆102上的滑动套筒106滑动设置在第二竖直支撑杆102两端之间的任意位置，即该滑动套筒106可以在第二竖直支撑杆102的两端之间上下滑动；相邻两条棱的定位套筒105与滑动套筒106之间通过刚性杆107连接，具体地，相邻两条棱设为第一棱和第二棱，第一棱的第一竖直支撑杆101上的定位套筒105与第二棱的第一竖直支撑杆101上的滑动套筒106之间通过刚性杆107连接，第一棱的第一竖直支撑杆101上的滑动套筒105与第二棱的第一竖直支撑杆101上的定位套筒106之间通过刚性杆107连接，第一棱的第二竖直支撑杆102上的定位套筒105与第二棱的第二竖直支撑杆102上的滑动套筒106之间通过刚性杆107连接，第一棱的第二竖直支撑杆102上的滑动套筒105与第二棱的第二竖直支撑杆102上的定位套筒106之间通过刚性杆107连接，也就是说相邻两条棱之间的刚性杆107有四根，每根刚性杆107为刚性细杆，其与定位套筒105、滑动套筒106的连接端均为铰接端，控制滑动套筒106沿第一竖直支撑杆101和/或第二竖直支撑杆102上下自由滑动，同时环形桁架可展天线的各条棱随之收缩，其中两根刚性杆107位于支撑机构1的上方，并与对应的两根第一竖直支撑杆101成一定角度，该两根刚性杆107在对应的一个侧面上形成一定的夹角，类似于剪刀的结构，因此整个支撑机构上方的二十根刚性杆107构成了两圈环状结构，另外两根刚性杆107位于支撑机构1的下方，并与对应的两根第二竖直支撑杆102成一定角度，该两根刚性杆107在对应的一个侧面上形成一定的夹角，类似于剪刀的结构，因此整个支撑机构下方的二十根刚性杆107也构成了两圈环状结构，通过四圈环状结构，大大提高了支撑机构1的稳定性，当支撑机构1展开至最大面积时，所有滑动套筒106移动至死点位置；优选地，每条棱还包括固定底座108，第二竖直支撑杆102的下端与固定底座108固定连接，固定底座108上的地脚螺栓与地基连接作为固定端，进一步提高支撑机构1的稳定性。

进一步地，所述反射网2是带有孔径的网，具有弹性，四段绳索形成一个节点，整体是一个有规律的结构，由绳索编织成类正十边形，反射网2最外圈的十个节点与支撑机构1的十个顶点绑定，具体地，将反射网2最外圈的十个节点绑定在第二竖直支撑杆102上端的定位套筒105上；反射网2表面设有多个标志点，该标志点为LED标志点，LED标志点由电源3驱动，包括第一LED标志点4和第二LED标志点5，第一LED标志点4根据反射网2的形状呈圆形分布，第二LED标志点5沿反射网2的中心对称线等距直线分布，共有十五个，其中第一LED标志点4的光源颜色为白色，第二LED标志点5的光源颜色为蓝色。

在本实施例中，支撑机构1的横截面边长尺寸为986mm；第一竖直支撑杆101和第二竖直支撑杆102的几何尺寸为Φ20x1100mm，材料为碳纤维管；定位套筒105和滑动套筒106的直径为0.3m，高度为1.2m；刚性杆107的材料结构完全相同，几何尺寸为Φ20x950mm，材料为碳纤维管，弹性模量为207GPa，密度为1.8X10³kg/m³；固定底座108上的地脚螺栓尺寸为8x3mm；反射网2由金属丝编制而成；第一LED标志点4选用LOTS科技公司生产的LTS-RNH4590-BGW型号，第二LED标志点5选型与第一LED标志点4相同，几何尺寸均为外径45mm×内径13mm×高22mm，额定电压为22V,功率为2.4W，电源3选用第一LED标志点4和第二LED标志点5的产品配套设备。

所述振动驱动机构用于驱动环形桁架可展天线产生振动，其包括激振器6和信号处理模块，信号处理模块包括信号发生器7和功率放大器8，本实施例的激振器6有四台，四台激振器6对称安装并固定在地面上，并通过顶杆与支撑机构1的四条棱连接，信号发生器7、功率放大器8和每台激振器6依次连接，按要求调节功率放大器8，选择信号源频率，将信号源输出电压调到±5V(RMS)；四台激振器6对环形桁架可展天线整体施加激励，控制支撑机构1和反射网2的振动。

在本实施例中，每台激振器6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7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8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，所述振动检测机构包括两组双目视觉系统9、立方体支架10、四个加速度传感器11和处理设备，两组双目视觉系统9对称设置在立方体支架10上，具体沿环形桁架可展天线的对称轴对称安装在立方体支架10上，用于检测反射网2表面的标志点区域，本实施例将两组双目视觉系统9安装在立方体支架10的两根左右对称的支杆上，四个加速度传感器11均匀分布在支撑机构1的周围，具体地，四个加速度传感器11沿环形桁架可展天线的对称轴均匀安装在支撑机构1的第一竖直支撑杆101的上端，处理设备分别与两组双目视觉系统9、四个加速度传感器11连接。

进一步地，每组双目视觉系统9包括包括第一高速相机901、第二高速相机902、导轨903、第一滑块904、第二滑块905、第一液压云台906和第二液压云台907，左边双目视觉系统9的导轨903固定在立方体支架10上的左边支杆上，右边双目视觉系统9的导轨903固定在立方体支架10上的右边支杆上，具体地，先将左边双目视觉系统9的导轨903固定在固定板12上，再将固定板12固定在立方体支架10上的左边支杆上，同样地，先将右边双目视觉系统9的导轨903固定在固定板12上，再将固定板12固定在立方体支架10上的右边支杆上，第一滑块904和第二滑块905滑动设置在导轨903上，即第一滑块904和第二滑块905能够在导轨903上移动，第一高速相机901和第二高速相机902对称安装，第一高速相机901设置在第一液压云台906上，具体通过3/8英寸螺纹接口连接第一液压云台906，第二高速相机902设置在第二液压云台907上，具体通过3/8英寸螺纹接口连接第二液压云台907，第一液压云台906固定在第一滑块904上，具体通过底部螺纹孔安装在第一滑块904上，第二液压云台907固定在第二滑块905上，具体通过底部螺纹孔安装在第二滑块905上，通过移动第一滑块904和第二滑块905，可以调节第一高速相机901和第二高速相机902的水平位置，从而改变第一高速相机901和第二高速相机902之间的位置关系，确保LED标志点均在第一高速相机901和第二高速相机902的视觉检测的视野范围内，从而采集视野范围内所有LED标志点的空间坐标，通过第一液压云台906和第二液压云台907的俯仰阻尼旋钮和全景旋转旋钮，可以调整第一高速相机901和第二高速相机902的俯仰角度和水平角度。

更进一步地，第一高速相机901与第二高速相机902的俯仰角度为120度，第一高速相机901与第二高速相机902之间的水平距离为90cm，第一高速相机901和第二高速相机902的镜头与反射网2之间的距离为150cm，左边双目视觉系统9的视场范围包括反射网2左半边，右边双目视觉系统9的视场范围包括反射网2右半边，两边双目视觉系统9的视场重叠范围包括反射网2对称轴上的第二LED标志点5。

进一步地，所述处理设备包括计算机、A/D采集卡13和滤波电路14，计算机分别与两组双目视觉系统9连接，并依次通过A/D采集卡13、滤波电路14分别与四个加速度传感器11连接，其中计算机包括主机15和显示器16，两组双目视觉系统9的第一高速相机901和第二高速相机902通过USB数据线与主机15连接，两组双目视觉系统9的第一高速相机901和第二高速相机902分别标定各自的坐标系，并根据视场中的公共区域统一坐标系，第一高速相机901和第二高速相机902按一定的采样时间进行图像采集，通过计算机的主机15进行图像处理，标志点的振动坐标对比原始坐标可以分析出振动位移，根据振动位移等振动信息得到反射网2的曲率信息可以进行图像重构和拼接，具体为将反射网2的振动位移等振动信息转化成曲率信息，并根据曲率信息重建反射网2的模型，通过连续采集数据并重建图像可以分析出环形桁架可展天线的各振动参数，如反射网2的模态频率、阻尼比等振动参数，应用可视化技术在显示器16实时显示反射网2的形态变化，加速度传感器11将检测到的支撑结构振动信号在滤波电路14作用下，通过A/D采集卡13输入计算机的主机15分析，对比分析支撑机构1和反射网2的振动信息之间的关系。

在本实施例中，第一高速相机901和第二高速相机902均采用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1,080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；第一液压云台906和第二液压云台907采用富曼图公司型号为500系列MVH500A型号，材质为铝合金，可承重5kg；采用固定液压阻尼，在水平和俯仰轴上装配有液压舱，可以保证第一高速相机901和第二高速相机902的移动平滑准确，底座带有一个3/8英寸螺纹接口的易用连接装置，可用来与第一滑块904、第二滑块905连接，快装板带有1/4英寸和3/8英寸的接口连接高速相机，液压云台支持全景旋转，俯仰角为-70度至+90度；导轨903采用该液压云台配套导轨，材料为金属，其长度为1m，固定底孔大小为3/8英寸螺纹接口；第一滑块904和第二滑块905带有阻尼定位旋钮；立方体支架10由三种尺寸分别为2800mm，2500mm，2610mm的铝型材组装而成，型材截面尺寸为60×60mm，各型材连接处均有角铁连接固定，立方体支架10的底座为T型脚，由螺栓固定；加速度传感器11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；固定板12是一块300×1000mm的不锈钢板，短边的对称轴线有螺栓孔若干个；A/D采集卡13选用多通道PLC-818HD型号，由台湾研华科技公司生产；滤波电路14采用自主设计的电路；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环形桁架可展天线振动检测方法，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7提供一定频率和振幅的正弦波信号，在功率放大器8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6控制环形桁架可展天线振动；

步骤二、接通LED标志点的电源，将若干LED标志点粘贴在反射网2上，调整每组双目视觉系统9的两台高速相机的俯仰角度和水平角度，以及每组双目视觉系统9的两台高速相机的水平位置，确保所有标志点均在高速相机视觉检测的视野范围内；

步骤三、对每组双目视觉系统9的两台高速相机进行立体标定，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，统一两组双目视觉系统9的坐标系；

步骤四、两组双目视觉系统9的高速相机以一定的频率采集环形桁架可展天线的振动图像，输入计算机的主机15，根据标志点的振动位移等振动信息得到环形桁架可展天线的反射网曲率信息，整合两组双目视觉系统9的高速相机的图像信息进行图像重构和拼接，并在计算机的显示器16上显示出来；

步骤五、连续采集数据并重建图像，实现对反射网2的振动动态检测，得到模态频率和阻尼比数据以及反射网2的形态变化；

步骤六、加速度传感器11检测到环形桁架可展天线的支撑机构1的振动信号，依次经过滤波电路14、A/D采集卡13输入计算机的主机15分析，对比分析支撑机构1和反射网2的振动信息之间的关系。

综上所述，本实用新型采用振动驱动机构这种外部激励的方式，驱动环形桁架可展天线产生振动，容易产生较大的激振力，并采用视觉和加速度传感器同时对环形桁架可展天线进行检测，视觉检测具有很高的灵活性，加速度传感器可以检测信号并及时处理，通过将两种检测方式的优势互相结合，使检测结果更加精确。

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。