CN101387546B - 基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测方法与装置。该装置在靠近挠性板固定端固定安装一相机，在挠性悬臂板靠近自由端纵向中线安装一LED发光管，并在纵向距离中线一侧另一LED发光管，这两个发光管安装后，保证在激励挠性悬臂板的弯曲和扭转模态振动时，在相机的视场范围内。挠性悬臂板振动时，通过相机检测随着挠性悬臂板振动而运动的二发光管中心点的位置坐标，并经过解耦运算，最终得到反映挠性悬臂板低频弯曲和扭转振动模态的检测相应参数，该检测装置为模拟太空帆板的大型挠性悬臂板弯曲和扭转模态的振动分析和振动控制提供传感信号的目的，实现了大型悬臂板的弯曲和扭转低频振动模态在检测上的解耦。

Description

基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测方法与装置

技术领域

本发明涉及大型柔性悬臂板结构振动检测，特别是涉及一种模拟大型太空帆板结构的弯曲和扭转低频模态振动检测装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空帆板悬臂挠性板结构，应用基于计算机视觉进行弯曲和扭转低频模态振动测量的装置和方法。

背景技术

航天器空间挠性附件结构系统的的大型化、低刚度与柔性化是航天器结构的一个重要发展趋势。大型结构可以增加空间结构的功能，降低了发射成本，大型柔性附件的使用增加了航天器设计和制造的灵活性，如大型太阳能电池阵的太空帆板可为空间结构提供更加充足能源。这种巨大而单薄的结构，其振动的低阶模态频率很低，所以要进行低频模态进行控制。对于大型挠性悬臂板，其振动包括低频弯曲和扭转模态耦合的振动。特别在太空条件下的大型柔性结构振动的测量与主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题。

现有技术中，研究模拟太空帆板的挠性悬臂板结构的弯曲模态和扭转模态振动检测和主动振动控制，主要有采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺，形状记忆合金等通过优化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。压电材料PZT陶瓷材料作为敏感器和多个加速度传感器或者结合角速率陀螺通过优化配置实现对挠性悬臂板弯曲和扭转振动模态的检测和测量解耦。但压电陶瓷材料PZT为脆性材料，材料的强调和疲劳寿命以及太空环境温度等影响，所以应用有一定的限制；加速度传感器的测量噪声相对较大，这需对振动信号的滤波处理，并且加速度传感器信号和角速率陀螺检测的振动信号还耦合航天器本体的加速度和角速率信号，在实际应用中还需要将航天器本体的信号解耦掉。所以本发明采用基于视觉的太空帆板弯曲和扭转振动模态的检测和解耦。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟柔性太空帆板结构弯曲和扭转模态低频振动的检测装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置：该装置的挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一CCD相机，视觉CCD相机的光轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机相对挠性悬臂板固定端的位置和姿态确定，在挠性悬臂板自由端纵向中线安装一LED发光管，并在挠性悬臂板纵向中线的一侧安装另一LED发光管，两个LED发光管安装后的距离的范围为CCD相机在端部纵向成像最大范围的1/2～2/3之间，这样在利用两个发光管的中心作为视觉检测的特征点时，保证两发光管中心的距离保证在按位置和姿态固定安装相机后，CCD相机固定安装时相对景物点坐标系的位置和姿态保证在挠性板弯曲和扭转振动的最大振幅时，在相机检测的视场范围内；这里位置是指景物点(挠性悬臂板)的坐标原点在相机坐标系中的位置；这里相机姿态是指固定安装CCD相机后，CCD相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态关系，即分解为绕x坐标轴旋转α，绕y坐标轴旋转β，绕z坐标轴旋转γ；在电信号连接上，视觉CCD相机通过1394网卡与计算机连接，计算机联显示器，二发光管在工作时供电发光；当挠性悬臂板进行弯曲和扭转振动时，CCD相机将检测到两个LED发光管的位置变化信息，并传输到计算机，进行特征提取处理后，运行解耦算法就可以得到挠性悬臂板的低频弯曲和扭转振动模态信息。

所述两LED发光管位置位于挠性板的同一纵向剖视线上，即两个LED发光管距离挠性悬臂板固定端的尺寸相等。

应用所述装置进行基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测的方法：通过相机标定后，当挠性悬臂板被激励弯曲和扭转模态振动时，CCD相机分别拍摄LED发光管之一、LED发光管之二的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传递给计算机，计算机提取LED发光管之一、LED发光管之二位置图像特征后分别得到其圆形轮廓，计算机分别提取出LED发光管之一、LED发光管之二的中心点的坐标，运行解耦方法后就可以得到反映弯曲和扭转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发光管之二检测挠性悬臂板在弯曲振动模态时与未振动时初始位置的横向位移Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)；扭转振动模态参数为两LED发光管连线与初始位置时两LED发光管连线之间的角度

x₁为LED发光管之一的横向位置，x₂为LED发光管之二的横向位置，x₂₀为LED发光管之二的横向初始位置，Δx₂为LED发光管之二的横向位置的变化梁，l为LED发光管之二的中心点距离挠性板中面的距离，l根据测量得到，x₂₀根据装置建立后利用CCD相机标定得到；x₁和x₂利用CCD相机视觉系统测量后特征提取得到。

本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果：

(1)利用视觉检测可以很容易直观得到反映模拟太空帆板的大型挠性悬臂板的低频弯曲和扭转振动的信息，并很容易实现其解耦，相对于加速度传感器和角速率陀螺传感器含有大量的测量噪声来说，采用视觉检测有一定的优势；同时，相对压电陶瓷材料的脆性，容易破坏以及粘贴要求等因素来说，采用非接触式的视觉测量具有一定的优势。

(2)对于模拟太空帆板的低频弯曲和扭转振动检测来说，采用加速度传感器和加速率陀螺等所检测的信息还会耦合航天器本体的转动加速度和角速率等信息，用这类传感器在测量弯曲和扭转模态的振动时，需要采用相应的措施或解算将本体的这些信息去掉，而利用视觉传感器相机时，只要相机相对本体固定，就可以不用采取措施解算去掉本体运动信息就可以直接反映出挠性悬臂板的弯曲和扭转模态的低频振动信息。

附图说明

图1是本发明的一种可选实施实例试验装置组成示意图。

图2是图1可选实例挠性板装置的局部右视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。

如图1、2所示，基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置，包括机械支架夹持装置，CCD相机1、挠性悬臂板2、LED发光管之一3、LED发光管之二4、计算机5、液晶显示器6组成；CCD相机1通过1394网卡与计算机5连接，利用CCD相机1作为传感器检测挠性悬臂版低频模态振动。并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一CCD相机，视觉CCD相机1的光轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机1相对挠性悬臂板2固定端的位置和姿态确定，在挠性悬臂板2自由端纵向中线安装一LED发光管之二4，并在挠性悬臂板纵向中线的一侧安装LED发光管之一3，即位于LED发光管之二4上或下端，LED发光管之一3和LED发光管之二4安装后的距离的范围为CCD相机1在端部纵向成像最大范围的1/2～2/3之间，这样在利用LED发光管之一3和LED发光管之二4的中心作为视觉检测的特征点时，保证LED发光管之一3和LED发光管之二4中心的距离保证在按位置和姿态固定安装CCD相机1后，CCD相机1固定安装时相对景物点(挠性悬臂板)坐标系的位置和姿态保证在挠性板弯曲和扭转振动的最大振幅时，在相机检测的视场范围内；这里位置是指景物点的坐标原点在相机坐标系中的位置[p_x，p_y，p_z]^T；这里相机姿态是指固定安装CCD相机后，CCD相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态关系，即分解为绕x坐标轴旋转α，绕y坐标轴旋转β，绕z坐标轴旋转γ；在电信号连接上，视觉CCD相机通过1394网卡与计算机连接，计算机联显示器，二发光管在工作时供电发光；当挠性悬臂板进行弯曲和扭转振动时，CCD相机1将检测到两个LED发光管3和4的位置变化信息，并传输到计算机5，进行特征提取处理后，运行解耦算法就可以得到挠性悬臂板的低频弯曲和扭转振动模态信息。

CCD相机1固定安装，LED发光管之一3和LED发光管之二4的安装使得当挠性悬臂板进行弯曲和扭转振动时，保证LED发光管之一3和LED发光管之二4的运动在CCD相机1测量视场范围内；并且LED发光管之一3和LED发光管之二4的位置位于挠性板的同一纵向剖视线上，即LED发光管之一3和LED发光管之二4距离挠性悬臂板2固定端的尺寸相等。

应用上述装置进行大型挠性悬臂板弯曲和扭转低频振动模态检测的方法，通过CCD相机1标定后，当挠性悬臂板2进行弯曲和扭转模态振动时，CCD相机1分别拍摄LED发光管之一3、LED发光管之二4的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传递给计算机5，计算机5提取LED发光管之一3、LED发光管之二4位置图像特征后分别得到其圆形轮廓，计算机5分别提取出LED发光管之一3、LED发光管之二4的中心点的坐标，运行解耦方法后就可以得到反映弯曲和扭转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发光管之二4检测挠性悬臂板在弯曲振动模态时与未振动时初始位置的横向位移Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)；扭转振动模态参数利用两LED发光管连线与初始位置时两LED发光管连线之间的角度

这里的参数说明如下：

x₂为LED发光管之二4的横向位置，x₂₀为LED发光管之二4的横向初始位置，Δx₂为LED发光管之二4的横向位置的变化梁，l为LED发光管之二4的中心点距离挠性板中面的距离，x₁为LED发光管之一3的横向位置，θ为两LED发光管连线与初始位置时两LED发光管连线之间的角度；其中l根据测量得到，x₂₀根据装置建立后利用CCD相机标定得到；x₁和x₂利用CCD相机视觉系统测量后特征提取得到；反映低频弯曲模态振动信息的参数Δx₂由方程式Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)得到，反映扭转模态的参数θ由方程式

得到。

具体过程如下：

在利用视觉传感器进行挠性悬臂板弯曲和扭转模态进行检测时，首先进行相机标定；目的是确定相机的象素点坐标(r，c)和被测量物体在相机视场的点坐标(x，y，z)之间关系的所有参数，这里象素点坐标(r，c)中的r、c分别指在象素点坐标系中的象素的行与列的数值，被测量物体在相机视场的点坐标(x，y，z)中x、y、z指在摄像机成像坐标系中的坐标值。单目二维视觉测量的相机固定安装，相机安装的位置和姿态固定，通过相机标定后就确定了相机的内部参数和外部参数。这样就可以运算出象素点坐标(r，c)与相机视场的被测点二维坐标(x，y)的关系。通过相机就可以测量出表达被测量点在世界坐标系下的特征点坐标，在本装置中就是LED发光管之一3和LED发光管之二4的二维坐标(x，y)就可以通过相机检测确定。

景物坐标系(x，y，z)转换到摄像机成像坐标系(x_c，y_c，z_c)中表达的关系为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& p\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，R和p分别为相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态矩阵和位置关系，分别为：

$R=R_{z,\mathrm{\γ}}{R}_{y,\mathrm{\β}}{R}_{x,\mathrm{\α}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]$

p＝[p_x，p_y，p_z]^T

象素点坐标(r，c)和摄像机成像坐标系(x_c，y_c，z_c)之间的转换关系为：

$\left[\begin{array}{c}r\\ c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{k}_x& k_s& o_r\\ 0& k_y& o_c\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c/z_c\\ y_c/z_c\\ 1\end{array}\right]$

其中(o_r，o_c)为象素点的原点，k_x＝α_xλ是X轴方向的放大系数，k_y＝α_yλ是Y轴方向的放大系数，k_y＝α_yλ是X轴方向和Y轴方向的耦合放大系数；这里α_x和α_y分别为成像平面到X轴和Y轴方向的放大系数，λ是摄像机的焦距。

二维坐标(x，y)的视图面就是图2所示图面的坐标系。

通过测量特征提取后得到发光管的圆形轮廓，通过运行轮廓经过相应的运算就可以确定LED发光管之一3和LED发光管之二4的中心点二维坐标分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。设挠性悬臂板静止时标定出LED发光管之二4的横坐标x₂₀。

由于LED发光管之二4安装在挠性悬臂板端部纵向(即Y方向)中间位置，LED发光管之一3和LED发光管之二4在Z方向尺寸相等，LED发光管之一3安装在Y方向偏离LED发光管之二4一定距离，保证相机1按适当的姿态固定安装后，LED发光管之一3和LED发光管之二4都在相机的视场范围内。根据挠性悬臂板的振动特点可知，挠性悬臂板在弯曲和扭转模态振动时，LED发光管之一3和LED发光管之二4在Z方向上的位移相对非常小，并且这里采用单目视觉(单个相机)进行二维视觉测量，所以根据测量两发光管在X-Y坐标系的坐标关系，就可以解算出关于弯曲和扭转振动模态的信息。弯曲振动模态可以通过检测LED发光管之二4的横坐标x₂得到。当纯弯曲振动时，LED发光管之一3和LED发光管之二4的中心点仅在横坐标x₁和x₂变化，并且二者的变化数值相同。并且两个发光管的纵坐标y₁和y₂不变。反映弯曲模态可用位移变化来表达，即

Δx₂＝x₂-x₂₀

当挠性悬臂板同时有弯曲和扭转耦合振动模态时，利用LED发光管之一3和LED发光管之二4的中心点坐标(x₁，y₁)和(x₂，y₂)的几何关系求解出弯曲和扭转振动模态。具体解算方法为：

设挠性悬臂板端部安装两个发光管连线的扭转角度为θ，则扭转角度θ可表达为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{x_1-x_2}{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}}\right);$

通过上式可以求出扭转角度θ，这样就可以通过该角度检测反映出扭转模态的振动。

设LED发光管之二4中心点距离挠性板纵向中线的板厚度中间面的距离为l，该距离很小，等于发光管的半径与悬臂板厚度一半之和。此时，对于弯曲模态的信息可以通过LED发光管之二4的横向(X轴方向)坐标位移的变化反映出来

Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)

这样，挠性悬臂板的弯曲和扭转低频模态通过视觉装置就可以检测出来。并且实现了大型挠性悬臂板低频弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦。

Claims (2)

1.基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置，其特征在于：该装置的挠性悬臂板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一视觉CCD相机，视觉CCD相机的光轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机相对挠性悬臂板固定端的位置和姿态确定，在挠性悬臂板自由端纵边中线安装LED发光管之一，并在挠性悬臂板纵边中线的一侧安装LED发光管之二，两个LED发光管安装后的距离的范围为CCD相机在端部纵向成像最大范围的1/2～2/3之间；两LED发光管位置位于挠性悬臂板的同一纵向剖视线上；视觉CCD相机通过1394网卡与计算机连接，计算机联显示器。

2.应用权利要求1所述装置进行基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测的方法，其特征在于：通过相机标定后，当挠性悬臂板被激励弯曲和扭转模态振动时，CCD相机分别拍摄LED发光管之一、LED发光管之二的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传递给计算机，计算机提取LED发光管之一、LED发光管之二位置图像特征后分别得到其圆形轮廓，计算机分别提取出LED发光管之一、LED发光管之二的中心点的坐标，运行解耦方法后就可以得到反映弯曲和扭转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发光管之二检测挠性悬臂板在弯曲振动模态时与未振动时初始位置的横向位移Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)；扭转振动模态参数为两LED发光管连线与初始位置时两LED发光管连线之间的角度

x₁为LED发光管之一的横向位置，y₁为LED发光管之一的纵向坐标；x₂为LED发光管之二的横向位置，y₂为LED发光管之二的纵向位置；x₂₀为LED发光管之二的横向初始位置，Δx₂为LED发光管之二的横向位置的变化梁，l为LED发光管之二的中心点距离挠性悬臂板板中间面的距离，l根据测量得到，x₂₀根据装置建立后利用CCD相机标定得到；x₁和x₂利用CCD相机视觉系统测量后特征提取得到；横向为挠性悬臂板的厚度方向。

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