CN106017839A - 基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置及方法，包括柔性铰接板、压电陶瓷片传感器、压电陶瓷片驱动器、工业相机、压电电荷型加速度计、计算机、适调放大器、运动控制卡、端子板、电荷放大器及电压放大器；柔性铰接板由第一柔性板和第二柔性板通过铰链连接构成；柔性板上粘贴压电陶瓷片驱动器和压电陶瓷片传感器；第二柔性板布设了9个圆形标识，自由端正前方设置工业相机，利用双目机器视觉检测铰接板上多个圆形标识的振动，提取铰接板的振动信息；利用双目机器视觉实现弯曲和扭转振动检测的解耦，结合主动控制算法，驱动控制实现铰接板结构的弯曲和扭转振动的主动控制。

Description

基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性铰接板振动控制领域，具体涉及基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置及方法。

背景技术

21世纪随着经济的飞速发展，航天事业也得到了新的发展。因而，航天器的结构不断趋于大型化、柔性化和低刚度。柔性结构可以增加有效载荷的重量，提高运载工具的效率；大型结构可以增加空间的功能和航天器设计、制造的灵活性。在航空航天领域，存在着大量的太阳能帆板。实际中的太阳能帆板由多块矩形帆板连接而成，第一块帆板的一端与航天器相连接，另一端通过铰链与第二块帆板相连接，第二块帆板又与第三块帆板相连接；多块矩形帆板通过这样的方式连接成了太阳能帆板，从而造成太阳能帆板具有大跨度和高柔性的特点。在无阻尼的太空环境中，由于各种因素的影响，以及帆板自身的伸展和收缩都会对其产生干扰。

柔性结构具有阻尼小、质量轻、模态频率低等特征，其在受到干扰时，容易激起以低频为主的振动并且持续时间长。如果不对这种振动进行抑制，其必会使结构产生疲劳损伤，影响航天器的指向精度和寿命，甚至会使航天器失稳，造成毁灭性的灾难。因此，必须测量、分析和控制柔性结构的振动。

现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态和扭转模态振动控制，一般忽略连接铰链的刚度的影响，将太阳能帆板简化成柔性铰接板振动测量通常采用压电陶瓷传感器、加速度传感器以及陀螺仪传感器，但这些传感器都为接触式传感器，会对被测物体的振动产生严重影响，降低测量精度，引入负载效应。并且压电材料由于自身强度、疲劳寿命及耐温性能等因素，应用受到一定的限制；加速度计传感器对噪声敏感，存在迟滞和温漂等问题影响其精度，且只能测量物体上某一点的位移，要想获得全部信息，必须在铰接板上分别布置几个加速度计。

利用双目视觉非接触测量有其独特的优势，且还能快速获取测量数据。双目视觉在不接触被测物体表面的情况下，不改变振动物体的频率、振幅等特性，可以很好的避免负载效应。和激光位移传感器相比，激光位移传感器只能进行行单点测量，而机器视觉传感器具有全局性测量特点，能够进行多点测量，而不仅仅局限于一点的振动信息等优点。和单目视觉相比，单目视觉只能获取柔性结构的面内位移，而双目视觉不仅可以获取面内位移，还可以获取面外位移。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明首要目的是提供一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，实现对柔性铰接板的多点振动位移非接触、实时准确测量；

本发明的另一个目是提供一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制方法，为研究铰接板结构振动测量和控制提供平台。

本发明采用如下技术方案：

一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，包括：

柔性铰接板，由第一柔性板及第二柔性板通过铰链连接构成，所述柔性铰接板的一端通过机械支架夹持装置固定在实验台上，称为固定端，则另一端为自由端；

压电陶瓷片传感器，粘贴在第一柔性板靠近固定端一侧；

压电陶瓷片驱动器，包括第一压电陶瓷片驱动器及第二压电陶瓷片驱动器，所述第一压电陶瓷片驱动器粘贴在第一柔性板靠近固定端一侧，所述第二压电陶瓷片驱动器粘贴在第一柔性板长度方向的中线上；

工业相机，安装在柔性铰接板的自由端的正前方；

还包括压电电荷型加速度计、计算机、适调放大器、运动控制卡、端子板、电荷放大器及电压放大器；

所述压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过电荷放大器放大后，输出到端子板；

所述压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过适调放大器输出到端子板；

所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化信号，输入到计算机；

所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述计算机获得控制量后，经过运动控制卡输出，再经过端子板输出模拟量到电压放大器，驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器。

所述压电电荷型加速度计具体为四个，其中一个压电电荷型加速度计位于第一柔性板的宽度方向的中线上，且靠近铰链一侧；

另外三个压电电荷型加速度计位于第二柔性板，且靠近自由端一侧，其中一个位于第二柔性板的宽度方向的中线上，另外两个关于第二柔性板宽度方向的中线对称。

所述压电陶瓷片传感器由两片压电陶瓷片构成，对称粘贴在第一柔性板的正反两面，每面一片且并联连接，具体粘贴在第一柔性板宽度方向的中线上。

第一压电陶瓷片驱动器由八片压电陶瓷片构成，对称粘贴在第一柔性板的正反两面，每面四片且并联连接；

所述第二压电陶瓷片驱动器由四片压电陶瓷片构成，每面两片且并联连接，具体位于第一柔性板长度方向的中线上且关于第一柔性板宽度方向的中线对称。

所述第二柔性板上设置圆形标识，具体为9个，大小相等，呈3行3列分布，且关于第二柔性板的长度方向的中线对称，位于工业相机的视野范围内。

所述工业相机具体为两个，安装在相机支架上，且上下滑动。

所述相机支架包括四个支柱及两个层板，所述四个支柱垂直水平面放置，所述两个层板安装在四个支柱上形成上、下两层，所述上层在四个支柱内上下滑动，所述上层安装直线滑轨，工业相机通过球形云台安装在直线滑轨上。

两个工业相机具有平行光轴结构，且并排放置。

一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动，压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的振动信号，工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化；

第二步将步骤一中的压电陶瓷片传感器检测到的振动信号经过电荷放大器放大处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将压电电荷型加速度计检测的信号经过适调放大器处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将工业相机检测的信号直接输入计算机中进行处理，得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；

第三步将步骤二中得到的反馈信号经端子板中D/A模块处理后，再经电压放大电器放大处理后，输入到压电陶瓷片驱动器和压电陶瓷片驱动器，从而抑制柔性铰接板的弯曲振动和扭转振动。

所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化，具体步骤为：

两个工业相机拍摄多对柔性铰接板静止时的图像，所述图像包含圆形标识；

计算每对图像中每个圆形标识的圆心的三维坐标，并计算其平均值，作为初始状态下的三维坐标，设为(x₀，y₀，z₀)；

柔性铰接板振动时，得到振动时每个圆形标识相应的圆心坐标为(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))，则得到面外位移为S_z＝z₁-z₀、面内x轴方向的位移为S_x＝x₁-x₀，面内y轴方向的位移为S_y＝y₁-y₀；

设S_z(i)为第i号圆形标识的圆心的z方向的振动位移，其中i＝1,2,3…8,9，则柔性铰接板自由端的弯曲振动位移信号为同列的三个圆形标识的圆心振动位移相加并除3：

$S_w\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)+S_z(i+3)+S_z(i+6)}{3},i=1,2,3$

将同列的两个关于纵向中线对称的圆形标识的圆心振动位移相减并除2得到扭转振动位移信号：

$S_n\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)-S_z(i+6)}{2},i=1,2,3.$

本发明的有益效果：

(1)本发明中采用机器视觉来检测柔性铰接板的振动位移，相比于其他传感器，机器视觉具有非接触式测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，多点测量等优点，机器视觉测量得到的是包含振动信息的图像，而图像中信息丰富，能够反映铰接板振动的全局特性，采取合适的图像处理算法，可以得到很多其他有意义的参数；

(2)本发明安装了两个工业相机，可以通过两个相机的测量信号解耦出铰接板的弯曲和扭转振动，相比于单目视觉，双目视觉不仅可以得到面外位移，还可以得到面内位移；

(3)本发明采用的交互式双目视觉的三维测量数学模型，相比于平行式双目视觉的三维测量数学模型，交互式双目视觉的三维测量数学模型更加符合实际情况，其模型误差更小，也更加容易实现；

(4)本发明设计了一个相机放置装置，该装置可以方便调节相机的高度以适应拍摄区域的高度；该装置结构简单、成本低、操作简单和方便实施；

(5)本发明设计了一套由水平方向放置的直线滑轨和两个球状云台组成的相机调节系统，可以简便地通过云台来调节相机的姿态，通过滑块滑动来调节相机之间的间距，从而可以简便地测量铰接板上各点的振动位移；

(6)本装置为多传感器融合系统，既有机器视觉传感器，又有压电陶瓷片传感器、压电电荷型加速度计，可以通过多传感器信息融合对铰接板结构的弯曲模态和扭转模态振动进行辨识研究。

附图说明

图1是一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置的结构示意图，

图2是图1中铰接板中的压电陶瓷片传感器、压电陶瓷片驱动器、压电电荷型加速度计和圆形标识等布局分布示意图；

图3是图1的前视图；

图4是图1的左视图；

图5是图1的上视图；

图6是交互式双目视觉的三维测量数学模型；

图7是双目视觉系统标定的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1-图6所示，一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，包括

柔性铰接板，由第一柔性板6及第二柔性板8通过铰链连7接构成柔性铰接板，所述柔性铰接板的一端通过机械支架夹持装置2固定在实验台1上，称为固定端，则另一端为自由端，所述机械支架夹持装置2固定在实验台1上构成整个实验装置的底座。

压电陶瓷片传感器3，由两片压电陶瓷片构成，对称粘贴在第一柔性板的正反两面，且靠近固定端一侧，距离固定端10mm,每面一片且并联连接，姿态角为0°对称粘贴，具体粘贴在第一柔性板宽度方向的中线。

压电陶瓷片驱动器，包括第一、第二压电陶瓷片驱动器4、5，所述第一压电陶瓷片驱动器4由八片压电陶瓷片构成，正反两面对称粘贴，每面4片且并联连接，它们分别粘贴在第一柔性板6靠近固定端10mm，在宽度方向上距离板边缘的距离为50mm处，两面姿态角为0°对称粘贴；第一压电陶瓷片驱动器4主要是用来抑制柔性铰接板的一阶弯曲振动。

所述第二压电陶瓷片驱动器5由四片压电陶瓷片构成，每面两片且并联连接，粘贴在长度方向的的中线上，距离板的边缘50mm处，姿态角为0°对称粘贴；第二压电陶瓷片驱动器5主要用来抑制柔性铰接板的扭转振动。

第二柔性板上还设置了9个圆形标识，呈三行三列分布，关于第二柔性板中心对称，中间的列位于第二柔性板长度方向的中线上，所述中间行位于第二柔性板宽度方向的中线上。所述圆形标识9的半径为10mm，行列间纵向间距为125mm，横向间距为150mm。所述圆形标识9均在工业相机的视野范围内。

压电电荷型加速度计10，具体为四个，其中一个安装在第一柔性板6宽度方向的中线上，且靠近铰链端，另外三个安装在第二柔性板8的柔性铰接板的自由端，位于同一条竖直直线上，其中一个安装在第二柔性板的宽度方向的中线上，另外两个关于宽度方向的中线对称，距离第二柔性板的边缘距离为40mm。

两个工业相机11安装在第二柔性板8的自由端正前方，并且两个工业相机距离第二柔性板的距离800mm，两个工业相机具有平行光轴结构，配有摄像头，且并排放置在相机支架上，且上下滑动，所述相机支架13包括四个支柱及两个层板14，所述四个支柱垂直水平面放置，所述两个层板安装在四个支柱上形成上、下两层，所述上层在四个支柱内上下滑动，所述上层安装直线滑轨12，所述直线滑轨上有两个滑块，可以自由在直线滑轨上滑动，工业相机通过球形云台安装滑块上。本发明通过在滑轨上滑动滑块，来调整两个工业相机11之间的水平距离；可以通过360度旋转球形云台，来调整两个工业相机11的各自姿态。

还包括计算机、适调放大器、运动控制卡、端子板、电荷放大器及电压放大器；

所述压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过电荷放大器放大后，输出到端子板；

所述压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过适调放大器输出到端子板；

所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化信号，输入到计算机；

所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述计算机获得控制量后，经过运动控制卡输出，再经过端子板输出模拟量到电压放大器，驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器，从而抑制铰接板的弯曲振动和扭转振动。

一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置的控制方法，具体为：

第一步压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动，压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的振动信号，工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化；

第二步将步骤一中的压电陶瓷片传感器检测到的振动信号经过电荷放大器放大处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将压电电荷型加速度计检测的信号经过适调放大器处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将工业相机检测的信号直接输入计算机中进行处理，得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；

第三步将步骤二中得到的反馈信号经端子板中D/A模块处理后，再经电压放大电器放大处理后，输入到压电陶瓷片驱动器和压电陶瓷片驱动器，从而抑制柔性铰接板的弯曲振动和扭转振动。

所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化，具体如下步骤：

第一步，首先对两个工业相机即整个双目视觉系统进行标定，两个工业相机分别称为左相机及右相机，

对左相机进行标定，得到左相机内外参数；

对右相机进行标定，得到右相机内外参数；

利用得到的左右相机参数来标定整个双目视觉系统，得到整个系统的结构参数：旋转矩阵R和平移矢量t。

假设左、右相机的参数分别为R_l、T_l与R_r、T_r，即R_l、T_l表示左摄像机相对世界坐标系的位置关系；R_r、T_r表示右摄像机相对世界坐标系的位置关系。因此，对于空间任意一点P，设其在世界坐标系、左相机坐标系和右相机坐标系中的x坐标分别为x_w、x_l、x_r，则有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=R_1{x}_w+T_1\\ x_r=R_r{x}_w+T_r\end{array}\right.---\left(1\right)$

得出x_l和x_r之间的关系式：

x_l＝R_lR_r ^-1x_r+T_l-R_lR_r ^-1T_r (2)

令R＝R_lR_r ^-1，T＝T_l-R_lR_r ^-1T_r，则可以得到到两台摄像机之间的相对位置关系：

x_l＝Rx_r+T (3)

第二步，利用图像处理方法来获取柔性铰接板上布设的圆形标识9圆心的匹配对应点，为获取圆形标识9的三维坐标提供条件。具体具体方法如下：首先利用Canny边缘检测算子来分割圆形标识9和铰接板，并且得到圆形标识9的边缘，从而得到圆形标识9的二值图；再对二值图进行轮廓提取，得到圆形标识9的轮廓图；再对轮廓图计算其图像矩，从而得到圆形标识9的圆心坐标；得到左右图像的圆形标识的圆心坐标后，根据一定的匹配准则，实现左、右图像的圆心之间的匹配，即找到圆形标识9圆心的匹配对应点。

第三步利用双目视觉来获取柔性铰接板上布设的圆形标识的三维坐标，双目视觉模型见附图7所示：假设经过图像处理后，圆形标识的圆心P在两个摄像机C₁和C₂上的成像平面的匹配对应点分别为P₁和P₂点，并且双目视觉系统已经标定好，则由坐标系转换公式可得：

$\left\{\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_c}\left[\begin{array}{cccc}\frac{f}{dx}& 0& u_0& 0\\ 0& \frac{f}{dy}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}---\left(4\right)$

其中，(u₀，v₀)为图像的主点坐标，分别为x轴和y轴的焦距，R为旋转矩阵，t为平移向量。z_c为P点在相机坐标系下的z轴坐标值。

令

$M=\left[\begin{array}{cccc}\frac{f}{dx}& 0& u_0& 0\\ 0& \frac{f}{dy}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& n_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\end{array}\right]---\left(5\right)$

则：

$\left\{\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_c}M\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}---\left(6\right)$

其中M为相机的投影矩阵。

假设左、右相机的投影矩阵分别为M₁和M₂，则有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_l\\ v_l\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_{c1}}{M}_1\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_{c1}}\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}^1& m_{12}^1& m_{13}^1& m_{14}^1\\ m_{21}^1& m_{22}^1& m_{23}^1& m_{24}^1\\ m_{31}^1& m_{32}^1& m_{33}^1& m_{34}^1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r\\ v_r\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_{c2}}{M}_2\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}=\frac{1}{z_{c2}}\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}^1& m_{12}^1& m_{13}^1& m_{14}^1\\ m_{21}^1& m_{22}^1& m_{23}^1& m_{24}^1\\ m_{31}^1& m_{32}^1& m_{33}^1& m_{34}^1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right\}---\left(8\right)$

其中(u_l,v_l)为P₁点的图像坐标，(u_r,v_r)为P₂点的图像坐标，(x_w,y_w,z_w)为P点真实的三维坐标。

由式(7)可得：

$\left\{\begin{array}{c}(u_l{m}_{31}^1-m_{11}^1)x_w+(u_l{m}_{32}^1-m_{12}^1)y_w+(u_l{m}_{33}^1-m_{13}^1)z_w=m_{14}^1-u_l{m}_{34}^1\\ (v_l{m}_{31}^1-m_{21}^1)x_w+(v_l{m}_{32}^1-m_{22}^1)y_w+(v_l{m}_{33}^1-m_{23}^1)z_w=m_{24}^1-v_l{m}_{34}^1\end{array}\right.---\left(9\right)$

由式(8)可得：

$\left\{\begin{array}{c}(u_r{m}_{31}^2-m_{11}^2)x_w+(u_r{m}_{32}^2-m_{12}^2)y_w+(u_r{m}_{33}^2-m_{13}^2)z_w=m_{14}^2-u_r{m}_{34}^2\\ (v_r{m}_{31}^2-m_{21}^2)x_w+(v_r{m}_{32}^2-m_{22}^2)y_w+(v_r{m}_{33}^2-m_{23}^2)z_w=m_{24}^2-v_r{m}_{34}^2\end{array}\right.---\left(10\right)$

从而得到关于x_w，y_w，z_w的两个线性方程组。由解析几何可知，两个平面方程的联立为空间直线的方程，式(9)的几何意义是过O_c1P₁的直线，同理式(10)的几何意义是过O_c2P₂的直线。因为空间点P是直线O_c1P₁和O_c2P₂的交点。它必然同时满足以上两个方程组。因此，可以将两个方程组联立起来求出唯一解，即为点P的三维坐标。但在实际应用中经常利用最小二乘法求出x_w，y_w，z_w的最佳估计值。

$\left\{\begin{array}{c}(u_l{m}_{31}^1-m_{11}^1)x_w+(u_l{m}_{32}^1-m_{12}^1)y_w+(u_l{m}_{33}^1-m_{13}^1)z_w=m_{14}^1-u_l{m}_{34}^1\\ (v_l{m}_{31}^1-m_{21}^1)x_w+(v_l{m}_{32}^1-m_{22}^1)y_w+(v_l{m}_{33}^1-m_{23}^1)z_w=m_{24}^1-v_l{m}_{34}^1\\ (u_r{m}_{31}^2-m_{11}^2)x_w+(u_r{m}_{32}^2-m_{12}^2)y_w+(u_r{m}_{33}^2-m_{13}^2)z_w=m_{14}^2-u_r{m}_{34}^2\\ (v_r{m}_{31}^2-m_{21}^2)x_w+(v_r{m}_{32}^2-m_{22}^2)y_w+(v_r{m}_{33}^2-m_{23}^2)z_w=m_{24}^2-v_r{m}_{34}^2\end{array}\right.---\left(11\right)$

以上方程组用矩阵表示为：

AX＝B (12)

其中：

$A=\left[\begin{array}{ccc}{u}_l{m}_{31}^1-m_{11}^1& u_l{m}_{32}^1-m_{12}^1& u_l{m}_{33}^1-m_{13}^1\\ v_l{m}_{31}^1-m_{21}^1& v_l{m}_{32}^1-m_{22}^1& v_l{m}_{33}^1-m_{23}^1\\ u_r{m}_{31}^2-m_{11}^2& u_r{m}_{32}^2-m_{12}^2& u_r{m}_{33}^2-m_{13}^2\\ v_r{m}_{31}^2-m_{21}^2& v_r{m}_{32}^2-m_{22}^2& v_r{m}_{33}^2-m_{23}^2\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{m}_{14}^1-u_l{m}_{34}^1\\ m_{24}^1-v_l{m}_{34}^1\\ m_{14}^2-u_r{m}_{34}^2\\ m_{24}^2-v_r{m}_{34}^2\end{array}\right],X=\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]$

于是点P在参考坐标系中的三维坐标的最小二乘结果为：

X＝(A^TA)^-1A^TB (13)

第四步，柔性铰接板静止时，两个工业相机拍摄10-15对包含圆形标识的图像，计算出每对图像中圆形标识的圆心的三维坐标，并计算出平均值，当作初始状态下的三维坐标，设为(x₀，y₀，z₀)；

当柔性铰接板振动时，设相应的圆心坐标为(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))。则可以得到面外位移为S_z＝z₁-z₀、面内x轴方向的位移为S_x＝x₁-x₀，面内y轴方向的位移为S_y＝y₁-y₀。

设S_z(i)为第i号圆形标识的圆心的振动位移，其中i＝1,2,3…8,9，则柔性铰接板自由端的弯曲振动位移信号为同列的三个圆形标识的圆心振动位移相加并除3：

$S_w\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)+S_z(i+3)+S_z(i+6)}{3},(i=1,2,3)$

将同列的两个关于纵向中线对称的圆形标识的圆心振动位移相减并除2得到扭转振动位移信号：

$S_n\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)-S_z(i+6)}{2},(i=1,2,3)$

图1中的虚线连接表示电信号与检测驱动控制装置的连接图。

在本实施例中，压电陶瓷片传感器3、第一及第二压电陶瓷片驱动器都为压电陶瓷片，几何尺寸为50mm×20mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe＝63GPa，d₃₁＝-166pm/v。压电陶瓷片传感器3用来检测铰接板的弯曲；第一及第二压电陶瓷片驱动器分别用作弯曲和扭转振动控制器。

柔性铰接板的材料选用环氧树脂材料薄板，环氧树脂的弹性模量为E_pe＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m³。第一柔性板的几何尺寸可选539mm×498mm×2mm，第二柔性板的几何尺寸可选500mm×498mm×2mm。铰链的几何尺寸大小为40mm×50mm×1mm。

压电电荷型加速度计选用Bruel&Kjaer公司的振动传感器中的4384型压电式电荷加速计，其标称灵敏度为1.0pc/ms^-2，测量频率范围为0.1-12.6kHz，具有高灵敏度、频带宽等特点。

工业相机选用德国的Basler公司的COMS相机，其型号为Basler acA1600-60gc，采集的图像大小为1600*1200像素，约为200百万像素，帧率为60帧/秒，其镜头接口为C接口，相机与计算机的接口为GigE，其传输速度要优于USB接口。

工业相机的镜头选用日本Computar公司的工业镜头，其型号为computar M1214-MP2，焦距为12mm，大小为Φ33.5mm×28.2mm，图像最大尺寸为8.8mm×6.6mm，接口为C接口。

直线滑轨选用二代FAMOUS菲曼斯F1单反滑轨，其轨道上有滑块，可以方便的移动；轨道上有刻度，更精确；有水平仪，更容易调节水平；顺滑度可调节，容易滑动滑块。云台选用球形云台，云台底座采用国际标准英制的3/8接口，其与相机相连采用国际标准英制的1/4接口；其含有横向和竖向两个水平仪，可以方便的调节；其含有一个可以360度旋转的球体，含有左右两个球体锁紧旋钮，可以方便左右手快捷锁紧球体；其含有微调旋钮，可以进行微小的调节。

计算机选用的CPU型号为Intel(R)Core(TM)i5-4590CPU@3.30GHz，内存为4G，主板上有多个PCI插槽，可以很方便的安装运动控制卡。

适调放大器选用Bruel&Kjaer公司的NEXUS系列适调放大器，其具有低噪声、高动态范围、高精度的特点，型号选用4通道的2692-C适调放大器。

运动控制卡选用固高公司的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，其核心主要是DSP和FPGA，提供标准的PCI总线接口。与其配套的端子板的型号为GT2-400-ACC2-V-AD16，其含有A/D和D/A模块。

电荷放大器选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。

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，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。

本实施例中，长度方向的中线具体为柔性板长边的中线，宽度方向的中线具体为柔性板宽边的中线。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，包括：

柔性铰接板，由第一柔性板及第二柔性板通过铰链连接构成，所述柔性铰接板的一端通过机械支架夹持装置固定在实验台上，称为固定端，则另一端为自由端；

压电陶瓷片传感器，粘贴在第一柔性板靠近固定端一侧；

压电陶瓷片驱动器，包括第一压电陶瓷片驱动器及第二压电陶瓷片驱动器，所述第一压电陶瓷片驱动器粘贴在第一柔性板靠近固定端一侧，所述第二压电陶瓷片驱动器粘贴在第一柔性板长度方向的中线上；

工业相机，安装在柔性铰接板的自由端的正前方；

还包括压电电荷型加速度计、计算机、适调放大器、运动控制卡、端子板、电荷放大器及电压放大器；

所述压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过电荷放大器放大后，输出到端子板；

所述压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的弯曲振动信号，经过适调放大器输出到端子板；

所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化信号，输入到计算机；

所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述计算机获得控制量后，经过运动控制卡输出，再经过端子板输出模拟量到电压放大器，驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，所述压电电荷型加速度计具体为四个，其中一个压电电荷型加速度计位于第一柔性板的宽度方向的中线上，且靠近铰链一侧；

另外三个压电电荷型加速度计位于第二柔性板，且靠近自由端一侧，其中一个位于第二柔性板的宽度方向的中线上，另外两个关于第二柔性板宽度方向的中线对称。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷片传感器由两片压电陶瓷片构成，对称粘贴在第一柔性板的正反两面，每面一片且并联连接，具体粘贴在第一柔性板宽度方向的中线上。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，第一压电陶瓷片驱动器由八片压电陶瓷片构成，对称粘贴在第一柔性板的正反两面，每面四片且并联连接；

所述第二压电陶瓷片驱动器由四片压电陶瓷片构成，每面两片且并联连接，具体位于第一柔性板长度方向的中线上且关于第一柔性板宽度方向的中线对称。

5.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，所述第二柔性板上设置圆形标识，具体为9个，大小相等，呈3行3列分布，且关于第二柔性板的长度方向的中线对称，位于工业相机的视野范围内。

6.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，所述工业相机具体为两个，安装在相机支架上，且上下滑动。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，所述相机支架包括四个支柱及两个层板，所述四个支柱垂直水平面放置，所述两个层板安装在四个支柱上形成上、下两层，所述上层在四个支柱内上下滑动，所述上层安装直线滑轨，工业相机通过球形云台安装在直线滑轨上。

8.根据权利要求6所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置，其特征在于，两个工业相机具有平行光轴结构，且并排放置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于柔性铰接板弯曲和扭转振动检测控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步压电陶瓷片传感器检测柔性铰接板的弯曲振动，压电电荷型加速度计检测柔性铰接板的振动信号，工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化；

第二步将步骤一中的压电陶瓷片传感器检测到的振动信号经过电荷放大器放大处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将压电电荷型加速度计检测的信号经过适调放大器处理后，输出到端子板中A/D模块进行处理，再输出数字量到到运动控制卡中，再经计算机进行后续处理；将工业相机检测的信号直接输入计算机中进行处理，得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；

第三步将步骤二中得到的反馈信号经端子板中D/A模块处理后，再经电压放大电器放大处理后，输入到压电陶瓷片驱动器和压电陶瓷片驱动器，从而抑制柔性铰接板的弯曲振动和扭转振动。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述工业相机检测柔性铰接板自由端的位移变化，具体步骤为：

两个工业相机拍摄多对柔性铰接板静止时的图像，所述图像包含圆形标识；

计算每对图像中每个圆形标识的圆心的三维坐标，并计算其平均值，作为初始状态下的三维坐标，设为(x₀，y₀，z₀)；

柔性铰接板振动时，得到振动时每个圆形标识相应的圆心坐标为(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))，则得到面外位移为S_z＝z₁-z₀、面内x轴方向的位移为S_x＝x₁-x₀，面内y轴方向的位移为S_y＝y₁-y₀；

设S_z(i)为第i号圆形标识的圆心的z方向的振动位移，其中i＝1,2,3…8,9，则柔性铰接板自由端的弯曲振动位移信号为同列的三个圆形标识的圆心振动位移相加并除3：

$S_w\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)+S_z(i+3)+S_z(i+6)}{3},i=1,2,3$

将同列的两个关于纵向中线对称的圆形标识的圆心振动位移相减并除2得到扭转振动位移信号：

$S_n\left(t\right)=\frac{S_z\left(i\right)-S_z(i+6)}{2},i=1,2,3.$