CN108760023B - 两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置及方法，所述装置包括单铺开太阳翼和振动检测机构，所述单铺开太阳翼的两端支撑固定，所述振动检测机构包括两组双目视觉系统和两个桁架，所述两个桁架前后平行设置，所述两组双目视觉系统和两个桁架一一对应，且每组双目视觉系统设置在对应的桁架上，两组双目视觉系统用于检测单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域。本发明将单铺开太阳翼的两端支撑固定，并将两组双目视觉系统设置在两个前后平行设置的桁架上，对单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行检测，具有非接触、响应快的优点，能够实现单铺开太阳翼振动的精确测量，避免接触式测量所带来的误差。

Description

两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种振动测量装置，尤其是一种两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置及方法，属于振动测量领域。

背景技术

航天事业的飞速发展，航天器所承担的任务的复杂性不断增加，航天器朝着低刚度、柔性化、大型化的趋势发展，大柔性称为现代航天器的一大特点。柔性结构相对于刚性结构，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某些领域内的应用与发展。

现代航天器大多带有太阳能帆板等大型柔性结构，具有模态阻尼小，受激易产生大幅持续振动的特点。为使航天器所带有效载荷正常工作，必须有效抑制柔性体的振动，而振动测量是振动抑制的先决条件。目前振动测量研究的热点主要分为：智能结构，加速度、角速度式，光学测量三大类。

柔性薄膜电池由于使用原材料少，工艺集成度高、成本低、重量轻和柔性可弯曲等特性，在空间技术、建设光伏以及便携式可穿戴光伏器件等领域具有独特的发展空间。柔性薄膜太阳能电池主要有硅基、铜铟镓硒和碲化镉。在薄膜电池中硅基技术相对成熟，但是柔性硅基电池在国内还缺乏卷对卷大规模生产的核心技术和设备。

非接触式测量对比传统的传感器接触式测量有很多优点。非接触式测量不会影响被测对象的动态性能，不会因为对被测物体附加质量而影响它的正常工作，对被测对象无损而且抗干扰能力强。但是，非接触式测量的精度普遍比接触式测量要低。非接触式测量是一种简单而有效的测振方法，常见的有激光测振仪、激光传感器、双目视觉系统等方法，其中，由两个高速相机组成的双目视觉系统测振方法随着图像处理和分析技术的发展成熟，越来越成为一种简单便捷的具有很高使用价值的测振方法。双目视觉系统测振方法具有很多有点：首先，这种方法结构简单，不需要激光光源和其他辅助装置；其次，高速相机测量振动是一种多点测量方法，相比于一些的单点测量的方法，高速相机测量振动在测量多个点的模态变化的时候具有很大的优势，只要高速相机的分辨率和拍摄频率足够高，拍摄的范围足够大，只需要在被测范围里面作上若干个标记点，它可以在一个范围里面精确测量多个点的振动，获取多个点的模态信息，最后，双目视觉系统可以对被测物体的振动的多阶模态进行解耦，可以将复杂的多阶模态简化为多个一阶模态的叠加，将振动的信息更加直观的表现出来。

机器视觉起源于摄影测量学和统计模式识别。20世纪70年代中期到80年代初期，美国麻省理工学院David教授提出了全新的机器视觉理论。David把机器视觉系统的研究分为三个层次：第一是计算机理论层次，第二是表示与算法层次，第三是硬件实现。在第一层次中，David将视觉过程自下而上分为初级视觉、中级视觉和高级视觉三个级别。该理论为机器视觉成为一门学科奠定了良好的基础。因此，从20世纪80年代开始，机器视觉在全球掀起了研究的热潮。从理论上说，机器视觉的研究尚未形成一个完整的理论体系；从技术上说，机器视觉许多方面都未达到实际应用水平。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置，该装置将单铺开太阳翼的两端支撑固定，并将两组双目视觉系统设置在两个前后平行设置的桁架上，利用两组双目视觉系统对单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行检测，具有非接触、响应快的优点，能够实现单铺开太阳翼振动的精确测量，避免接触式测量所带来的误差。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的视觉振动测量方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置，包括单铺开太阳翼和振动检测机构，所述单铺开太阳翼的两端支撑固定，所述振动检测机构包括两组双目视觉系统和两个桁架，所述两个桁架前后平行设置，所述两组双目视觉系统和两个桁架一一对应，且每组双目视觉系统设置在对应的桁架上，两组双目视觉系统用于检测单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域。

进一步的，所述单铺开太阳翼包括固定部件、开卷部件、太阳能电池薄膜和两个充气臂架，所述两个充气臂架左右对称设置，且两个充气臂架的两端分别与固定部件、开卷部件连接，所述太阳能电池薄膜设置在两个充气臂架之间，且太阳能电池薄膜的两端分别与固定部件、开卷部件连接。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述单铺开太阳翼与支撑平台的表面保持平行关系，所述固定部件通过两根竖直方杆固定在支撑平台上，所述开卷部件通过两根竖直方杆固定在支撑平台上，所述两个桁架分别通过角件固定在支撑平台内侧。

进一步的，所述支撑平台包括基板和四根支撑脚，所述固定部件通过两根竖直方杆固定在基板上表面，所述开卷部件通过两根竖直方杆固定在基板上表面，所述两个桁架分别通过角件固定在基板内侧，所述四根支撑脚与基板的下表面固定连接。

进一步的，每组双目视觉系统包括两台高速相机、一条导轨、两个滑块和两个云台，所述导轨固定在对应的桁架上，所述两个滑块滑动设置在导轨上，所述两台高速相机、两个云台和两个滑块均为一一对应，每台高速相机设置在对应的云台上，每个云台固定在对应的滑块上；

其中一组双目视觉系统的两台高速相机的镜头对准单铺开太阳翼的前部上表面的振动检测标志点区域；

另一组双目视觉系统的两台高速相机的镜头对准单铺开太阳翼的后部上表面的振动检测标志点区域。

进一步的，所述每组双目视觉系统中，两台高速相机之间的水平距离为400mm，且两台高速相机的镜头与单铺开太阳翼上表面之间的距离为800mm～1000mm。

进一步的，每个桁架包括一根水平杆和两根竖直杆，所述水平杆的两端分别与两根竖直杆的一端连接，两根竖直杆的另一端固定。

进一步的，所述单铺开太阳翼上的标志点有四种形状，分别为圆形、矩形、三角形和星形。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的视觉振动测量方法，所述方法包括：

激发单铺开太阳翼的振动；

在单铺开太阳翼振动的过程中，由两组双目视觉系统的高速相机对单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机；

计算机读取两组双目视觉系统的高速相机拍摄到的图像，对两组双目视觉系统的高速相机进行标定，提取图像光斑特征计算标志点的坐标，确定该空间物体点的几何位置与该空间物体点在图像中对应成像点之间的相互关系，识别和重建物体，并进行可视化处理，将结果呈现在显示器上。

进一步的，所述图像序列在计算机中表示为一个M×N的数组，其中每一个元素称为像素，其数值表示该点的亮度，即灰度值。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用了两组双目视觉系统，将单铺开太阳翼的两端支撑固定，并将两组双目视觉系统设置在两个前后平行设置的桁架上，在不带附加效应的前提下对单铺开太阳翼进行非接触式振动测量，由此测量获得的单铺开太阳翼振动信息精度相对较高。

2、本发明通过两根竖直方杆将固定部件固定在支撑平台上，以及通过两根竖直方杆将开卷部件固定在支撑平台上，使得太阳能电池薄膜处于张紧的状态，从而使单铺开太阳翼稳定处于重力场中。

3、本发明将两个桁架分别通过角件固定在支撑平台内侧，通过控制角件的松紧，可以调整桁架的水平杆与支撑平台表面之间的距离，即调整桁架的高度，从而调整双目视觉系统的拍摄高度。

4、本发明的两组双目视觉系统各设有两台高速相机，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，每台高速相机设置在对应的云台上，通过云台可以改变高速相机与拍摄表面的角度，从而实现多点测量，由于单铺开太阳翼的体积较大，采用多点测量方式对单铺开太阳翼进行检测，能够对单铺开太阳翼的多阶模态耦合振动进行解耦，较准确的还原单铺开太阳翼的振动情况。

5、本发明采用的双目视觉系统可以水平位移，也可以竖直位移，并且可以调整高速相机的拍摄角度，有利于相机的标定以及不同形状大小的单铺开太阳翼的振动测量，获得更精确的单铺开太阳翼的振动特性。

6、本发明采用不同形状的标志点编码的方法，确保和提高两套双目视觉系统图像的识别和拼接问题，具体是通过对圆形、三角形、矩形和星形标志点的顺序进行排列，使中间图像重叠部分的每行标志点都不相同，能提升图像识别的速度和精度。

附图说明

图1为本发明实施例1的视觉振动测量装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的视觉振动测量装置的俯视图。

图3为本发明实施例1的视觉振动测量装置的左视图。

图4为本发明实施例1的单铺开太阳翼的俯视图。

图5为本发明实施例1的振动检测机构的其中一组双目视觉系统的示意图。

其中，1-固定部件，2-开卷部件，3-太阳能电池薄膜，4-第一充气臂架，5-第二充气臂架，6-支撑平台，601-基板，602-支撑脚，7-第一竖直方杆，8-第二竖直方杆，9-桁架，10-第一高速相机，11-第二高速相机，12-导轨，13-第一滑块，14-第二滑块，15-第一云台，16-第二云台，17-计算机。

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3所示，本实施例提供了一种两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置，该装置包括单铺开太阳翼和振动检测机构，图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系。

如图1～图4所示，所述单铺开太阳翼为柔性结构，其两端支撑固定，包括固定部件1、开卷部件2、太阳能电池薄膜3、第一充气臂架4和第二充气臂架5，开卷部件2和固定部件1分别作为单铺开太阳翼的前、后两端，第一充气臂架4和第二充气臂架5左右对称设置，第一充气臂架4的两端分别与固定部件1的左端、开卷部件2的左端连接，第二充气臂架5的两端分别与固定部件1的右端、开卷部件2的右端连接，太阳能电池薄膜3设置在第一充气臂架4和第二充气臂架5之间，且太阳能电池薄膜3的两端分别与固定部件1、开卷部件2的中间部分连接。

单铺开太阳翼处于重力场中，由于第一充气臂架4和第二充气臂架5的刚度不够，为了稳定支撑单铺开太阳翼，本实施例的视觉振动测量装置还包括支撑平台6，单铺开太阳翼与支撑平台6的表面保持平行关系，固定部件1通过两根第一竖直方杆7固定在支撑平台6上，开卷部件2通过两根第二竖直方杆8固定在支撑平台6上，具体地，先通过螺钉螺母将两根第一竖直方杆7和两根第二竖直方杆8的一端固定在支撑平台6上，然后通过两个直角支板将两根第一竖直方杆7的另一端与固定部件1固定连接，以及通过两个直角支板将两根第二竖直方杆8的另一端与开卷部件2固定连接，以支撑单铺开太阳翼，使得太阳能电池薄膜3处于张紧的状态。

进一步地，所述支撑平台6包括基板601和四根支撑脚602，固定部件1通过两根第一竖直方杆7固定在基板601上表面，开卷部件2通过两根第二竖直方杆8固定在基板601上表面，四根支撑脚602与基板601的下表面固定连接，既可以提高支撑平台6支撑单铺开太阳翼的稳定性，又可以节省支撑平台6的材料，降低支撑平台6的制作成本。

在本实施例中，支撑平台6由三种长度分别为4100mm、1200mm、500mm的铝型材组装而成，基板601为一块4320mm×1320mm×8mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定；柔性太阳能电池天线的最大尺寸为3920mm×1060mm，固定部件1、第一充气臂架4和第二充气臂架5均由铝作为材料；太阳能电池薄膜3为非晶硅电池薄膜；开卷部件2可选用塑料材料棒，具有一定的弹性。

所述振动检测机构包括两组双目视觉系统和两个桁架9，两个桁架9前后平行设置，两组双目视觉系统和两个桁架9一一对应，且每组双目视觉系统设置在对应的桁架9上，也就是说两组双目视觉系统分别为前面一组双目视觉系统和后面一组双目视觉系统，前面一组双目视觉系统用于检测太阳能电池薄膜3上表面前部的振动检测标志点区域，后面一组双目视觉系统用于检测太阳能电池薄膜3上表面后部的振动检测标志点区域。

进一步地，每个桁架9由铝型材构成，其包括一根水平杆和两根竖直杆，水平杆的两端分别与两根竖直杆的一端连接，两根竖直杆的另一端固定在支撑平台6的内侧，具体地，水平杆的两端分别通过角件与两根竖直杆的一端连接，两根竖直杆的另一端分别通过角件固定在支撑平台6的基板601内侧，通过控制角件的松紧，可以调整桁架9的水平杆与支撑平台6的基板601上表面之间的距离，即调整桁架9的高度，从而调整双目视觉系统的拍摄高度。

如图1～图5所示，每组双目视觉系统包括包括第一高速相机10、第二高速相机11、导轨12、第一滑块13、第二滑块14、第一云台15和第二云台16，导轨12固定在对应桁架9的水平杆上，第一滑块13和第二滑块14滑动设置在导轨12上，即第一滑块13和第二滑块14能够在导轨12上移动，第一高速相机10设置在第一云台15上，第二高速相机11设置在第二云台16上，第一云台15固定在第一滑块13上，第二云台16固定在第二滑块14上，通过移动第一滑块13和第二滑块14，可以调节第一高速相机10和第二高速相机11的水平位置，从而改变第一高速相机10和第二高速相机11之间的位置关系，通过调节第一云台15和第二云台16，可以改变第一高速相机10和第二高速相机11与拍摄表面的角度，满足各种形状大小的单铺开太阳翼的振动检测需要；高速相机的位置应使单铺开太阳翼静止时检测端面大致位于高速相机视场中间位置，以保证单铺开太阳翼振动时，单铺开太阳翼始终处于高速相机的视场范围内，保证测量的连续性，高速相机的光轴线与太阳能电池薄膜的面垂直，使得高速相机能够正面拍摄其太阳能电池薄膜表面。

本实施例的标志点为白色胶纸，大小为Φ100mm，分布情况如图2所示，粘贴在太阳能电池薄膜3上，尽可能减少对单铺开太阳翼振动特性的影响，标志点共有四种形状，分别为圆形、矩形、三角形和星形，目的是便于两组双目视觉系统所拍摄到的图像重叠部分的识别和拼接；由于单铺开太阳翼的长度较长，单独一组双目视觉系统无法检测到所有长度上的标志点的振动信息，所以采两组双目视觉系统进行振动检测，两组双目视觉系统的可视范围必然有重叠部分，为了获得完整的单铺开太阳翼的振动信息，两组双目视觉系统拍摄的图像需要进行拼接，太阳能电池薄膜3的中间重叠部分由四种不同形状的标志点按不同的排列方式所组成的标志符号编码，便于两组双目视觉系统的图像识别和拼接。

进一步地，前面一组双目视觉系统的第一高速相机10的镜头对准太阳能电池薄膜3上表面左边前部的振动检测标志点区域，第二高速相机11的镜头对准太阳能电池薄膜3上表面右边前部的振动检测标志点区域；后面一组双目视觉系统的第一高速相机10的镜头对准太阳能电池薄膜3上表面左边后部的振动检测标志点区域，第二高速相机11的镜头对准太阳能电池薄膜3上表面右边后部的振动检测标志点区域；两组双目视觉系统的高速相机对太阳能电池薄膜3的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机17，在计算机17中表示为一个M×N的数组，其中每一个元素称为像素，其数值表示该点的亮度，即灰度值，通过对高速相机进行标定，确定该空间物体点的几何位置与该空间物体点在图像中对应成像点之间的相互关系，识别和重建物体。

更进一步地，每组双目视觉系统中，第一高速相机10和第二高速相机11之间的水平距离为400mm，且第一高速相机10的镜头与太阳能电池薄膜3上表面之间的距离为800mm～1000mm，第二高速相机11的镜头与太阳能电池薄膜3上表面之间的距离也为800mm～1000mm。

在本实施例中，第一高速相机10和第二高速相机11选用武汉中创联达科技有限公司的型号为Memrecam HX-3E的高速相机，拥有500万像素，并在该满分辨率下帧速达2000帧/秒，全高清像素下帧速达4670帧/秒，100万像素下达9220帧/秒，内存为64GB，工作温度范围为0-40摄氏度，重量约为5.9千克，需要的电源为100-240V AC-1.5A,50-60Hz。

本实施例还提供了一种视觉振动测量方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、人为产生一个激励，激发单铺开太阳翼的振动；

步骤二、在单铺开太阳翼振动的过程中，由两组双目视觉系统的第一高速相机10和第二高速相机11对太阳能电池薄膜3的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机17，图像序列在计算机17中表示为一个M×N的数组，其中每一个元素称为像素，其数值表示该点的亮度，即灰度值；

步骤三、计算机17读取两组双目视觉系统的第一高速相机10和第二高速相机11拍摄到的图像，通过张正友标定法对两组双目视觉系统的第一高速相机10和第二高速相机11进行标定，提取图像光斑特征计算标志点的坐标，确定该空间物体点的几何位置与该空间物体点在图像中对应成像点之间的相互关系，识别和重建物体，并进行可视化处理，将结果呈现在显示器上。

综上所述，本发明采用了两组双目视觉系统，将单铺开太阳翼的两端支撑固定，并将两组双目视觉系统设置在两个前后平行设置的桁架上，在不带附加效应的前提下对单铺开太阳翼进行非接触式振动测量，由此测量获得的单铺开太阳翼振动信息精度相对较高。

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。

Claims (6)

1.基于两端支撑太阳翼的视觉振动测量装置的视觉振动测量方法，其特征在于：所述装置包括单铺开太阳翼和振动检测机构，所述单铺开太阳翼的两端支撑固定，所述振动检测机构包括两组双目视觉系统和两个桁架，所述两个桁架前后平行设置，所述两组双目视觉系统和两个桁架一一对应，且每组双目视觉系统设置在对应的桁架上，两组双目视觉系统用于检测单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域；

所述单铺开太阳翼包括固定部件、开卷部件、太阳能电池薄膜和两个充气臂架，所述两个充气臂架左右对称设置，且两个充气臂架的两端分别与固定部件、开卷部件连接，所述太阳能电池薄膜设置在两个充气臂架之间，且太阳能电池薄膜的两端分别与固定部件、开卷部件连接；

每组双目视觉系统包括两台高速相机、一条导轨、两个滑块和两个云台，所述导轨固定在对应的桁架上，所述两个滑块滑动设置在导轨上，所述两台高速相机、两个云台和两个滑块均为一一对应，每台高速相机设置在对应的云台上，每个云台固定在对应的滑块上；其中一组双目视觉系统的两台高速相机的镜头对准单铺开太阳翼的前部上表面的振动检测标志点区域；另一组双目视觉系统的两台高速相机的镜头对准单铺开太阳翼的后部上表面的振动检测标志点区域；

标志点粘贴在太阳能电池薄膜上，标志点共有四种形状，分别为圆形、矩形、三角形和星形；太阳能电池薄膜的中间重叠部分由四种不同形状的标志点按不同的排列方式所组成的标志符号编码；

所述方法包括：

激发单铺开太阳翼的振动；

在单铺开太阳翼振动的过程中，由两组双目视觉系统的高速相机对单铺开太阳翼的前、后部上表面的振动检测标志点区域进行同步高频拍摄，采集到图像序列，发送给计算机；

计算机读取两组双目视觉系统的高速相机拍摄到的图像，对两组双目视觉系统的高速相机进行标定，提取图像光斑特征计算标志点的坐标，确定该空间物体点的几何位置与该空间物体点在图像中对应成像点之间的相互关系，识别和重建物体，并进行可视化处理，将结果呈现在显示器上。

2.根据权利要求1所述的视觉振动测量方法，其特征在于：所述装置还包括支撑平台，所述单铺开太阳翼与支撑平台的表面保持平行关系，所述固定部件通过两根竖直方杆固定在支撑平台上，所述开卷部件通过两根竖直方杆固定在支撑平台上，所述两个桁架分别通过角件固定在支撑平台内侧。

3.根据权利要求2所述的视觉振动测量方法，其特征在于：所述支撑平台包括基板和四根支撑脚，所述固定部件通过两根竖直方杆固定在基板上表面，所述开卷部件通过两根竖直方杆固定在基板上表面，所述两个桁架分别通过角件固定在基板内侧，所述四根支撑脚与基板的下表面固定连接。

4.根据权利要求1所述的视觉振动测量方法，其特征在于：所述每组双目视觉系统中，两台高速相机之间的水平距离为400mm，且两台高速相机的镜头与单铺开太阳翼上表面之间的距离为800mm~1000mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的视觉振动测量方法，其特征在于：每个桁架包括一根水平杆和两根竖直杆，所述水平杆的两端分别与两根竖直杆的一端连接，两根竖直杆的另一端固定。

6.根据权利要求1所述的视觉振动测量方法，其特征在于：所述图像序列在计算机中表示为一个M×N的数组，其中每一个元素称为像素，其数值表示该点的亮度，即灰度值。