CN110031170B - 一种柔性铰接板振动测量控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性铰接板振动测量控制装置及控制方法，包括柔性铰接板本体部分、检测部分及控制部分；所述柔性铰接板本体部分，包括由第一柔性板及第二柔性板通过铰链连接构成柔性铰接板、伺服电机、加速度传感器、压电纤维传感器及标志点，所述检测部分包括双目视觉检测单元及激光器检测单元，所述控制部分，包括压电纤维驱动器及伺服电机驱动器，本发明利用双目视觉的视差原理与结构光原理，得到检测一定范围的振动信息，并实现可视化。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体涉及一种柔性铰接板振动测量控制装置及控制方法。
背景技术
航天器中大量使用了大型柔性结构，以及超轻、超薄的材料。轻型结构可以增加有效载荷的重力，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。
不过轻型柔性结构同时也存在一些不足。在系统调整姿态、变换速度时、以及外部扰动的影响等不可避免地带来柔性结构的振动问题。例如太阳帆板在调整姿态对准阳光时，因为惯性因素而引起航天器的挠性附件振动。振动将会导致设备疲劳损坏。因此大型柔性结构振动的测量与主动控制是十分必要的课题。
现有技术中，研究模拟太空帆板等挠性结构的振动控制，主要采用压电片、加速度传感器等进行振动主动控制研究。在大型柔性结构振动测量及主动控制的研究中，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。双目视觉可以计算出空间点的三维坐标，可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等优点。结构光视觉大量程、大视场、较高精度、图像信息易于提取、实时性强及主动受控。结构光视觉系统也是非接触式测量，用光学投射器代替了一个相机，成本更低。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种柔性铰接板振动测量控制装置及控制方法，本发明模拟太阳能帆板转动，实现对柔性铰接板多点非接触、实时准确测量。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性铰接板振动测量控制装置，包括柔性铰接板本体部分、检测部分及控制部分；
所述柔性铰接板本体部分，包括柔性铰接板、伺服电机、加速度传感器、压电纤维传感器及标志点，所述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；
所述柔性铰接板一端与机械夹紧装置固定为固定端，另一端处于垂挂状态，为自由端；
所述第一柔性板靠近固定端一侧安装有压电纤维传感器，所述第二柔性板靠近自由端安装加速度传感器，所述第二柔性板粘贴标志点，所述伺服电机通过行星减速器与柔性铰接板连接，伺服电机带动柔性铰接板转动；
所述检测部分包括双目视觉检测单元、激光器检测单元、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述电荷放大器与端子板连接，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；
所述激光器检测单元包括激光器，所述激光器在第二柔性板的正前方，发射激光在第二柔性板上形成激光点；
所述视觉检测单元拍摄标志点及激光点振动图像信息，输入计算机；
所述压电纤维传感器及加速度传感器检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板输入运动控制卡，然后输入计算机；
所述控制部分，包括压电纤维驱动器及伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接，所述压电纤维驱动器设置在柔性铰接板上，所述计算机根据采集的信息生成相应的控制信号，输入运动控制卡，经过端子板分别输入至压电纤维控制器及伺服电机驱动器，进一步驱动压电纤维驱动器及伺服电机，抑制柔性铰接板的振动。
所述视觉检测单元包括两个高速相机，两个高速相机固定在导轨上，导轨位于第二试验台上，所述标志点在两个高速相机的视野范围。
所述压电纤维传感器有四个，在第一柔性板的正反两面粘贴，且关于第一柔性板竖直中线对称，并联连接，姿态为90度。
所述加速度传感器有三个，其中一个位于第二柔性板的竖直中线上，另外两个关于第二柔性板的竖直中线对称，三个加速度传感器在同一条水平线上。
所述压电纤维驱动器有两组，每组由四片压电纤维驱动器构成，两组均关于第一柔性板的竖直中线对称，其中一组位于另一组的外侧。
所述标志点为3×3的点阵，每两个标志相距150mm，即点阵为300mm×300mm。点阵中心位于第二柔性板的中心。
所述激光器位于两个高速相机之间。
所述四片压电纤维驱动器正反面粘贴，并联连接。
一种柔性铰接板振动测量控制装置的控制方法，包括：
第一步对双目视觉检测单元中的两个高速相机进行标定求解得到目标点的三维坐标；
对激光器进行标定，根据已经标定的双目视觉检测单元，得到激光的直线方程；
对回转轴线位置进行确定，得到拟合轴线的直线方程；
第二步，在初始状态下，获得无振动理想情况下，标志点与激光点的三维坐标；
第三步，通过双目视觉检测单元及激光器检测单元进行振动检测，传输至计算机，得到振动状况下的标志点和激光点的坐标；同时将压电纤维传感器，加速度传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大后，经过采集卡输入到计算机处理；
第四步，根据初始状态下及振动状况下的标志点和激光点的坐标，得到旋转时标志点与激光点的振动信息，并与压电纤维传感器，加速度传感器检测检测的振动信号进行比较，得到柔性铰接版的振动信息，进一步得到控制量，驱动控制部分对柔性铰接板进行抑制。
所述旋转时标志点与激光点的振动信息，具体为：
转动时，标志点沿着x，y，z方向的振动为分别为 则总振动量Δb(t)＝(Δxb(t),Δyb(t),Δzb(t))的大小为，方向同振动矢量
激光点沿x，y，z轴的振动为分别为
激光的振动量为：
则通过对弯曲与扭转振动进行解耦，弯曲振动量为
扭转振动量为
本发明的有益效果：
(1)本发明奖柔性铰接板处于竖直垂挂状态，相比于现有技术的其他装置，更好的减少重力对挠性结构转动的影响；
(2)本发明采用了双目视觉检测与结构光检测，相比于其它传感器，为非接触测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，多点测量等优点；视觉测量得到的是包含振动信息的图像，能够反映全局特性；
(3)本发明能够对比使用固定标志点检测振动与使用激光点检测振动的误差，能反映使用激光点进行检测的特点；
(4)本发明中采用了多传感器系统，可以通过多传感器信息融合进行转动柔性铰接板结构的振动研究；
(5)本发明中采用了压电纤维复合材料，其柔性好、变形大且驱动力强，质量小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的前视图；
图3是本发明图1中的伺服电机及行星减速器的连接示意图；
图4是本发明图1中检测部分的分布示意图；
图5是本发明第二实验台的俯视图；
图6是本发明标志点与激光点投射三维位置示意图；
图7是本发明激光点测量误差计算示意图。
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
如图1-图5所示，一种柔性铰接板振动测量控制装置，包括柔性铰接板本体部分、检测部分及控制部分；
柔性铰接板本体部分包括
所述柔性铰接板由两个材料尺寸相同的第一柔性板5与第二柔性板6通过铰链连接，所述柔性铰接板的一端与机械夹紧装置4固定，并处于垂挂状态，与机械夹紧装置连接端为固定端，另一端为自由端，所述机械夹紧装置固定在第一实验台18上，所述第一柔性板靠近固定端一侧安装有压电纤维传感器17，所述压电纤维传感器有四个，在第一柔性板的正反面粘贴，且关于第一柔性板竖直中线对称，中线距离100mm，并联连接，中心距离固定端边缘50mm，姿态为90°。
第二柔性板6装有加速度传感器14，靠近自由端，所述加速度传感器有三个，其中2个加速度传感器关于第二柔性板6竖直中线对称，1个处于中线上；3个距离自由端距离为30mm，左侧的加速度传感器距离第二柔性板6左侧为40mm。
所述柔性板铰接板本体部分还包括伺服电机1、行星减速器2、法兰3、轴承27及轴套28等，伺服电机1通过行星减速器2进行减速，伺服电机1与行星减速器2固定安装在法兰3上；法兰3通过螺栓固定在第一实验台18上；行星减速器2的输出轴与轴套28相连接，通过键来传动；轴套28安装在轴承27上；轴承27固定安装于法兰3内；柔性铰接板本体部分固定联接在轴套28上；通过控制伺服电机1的转动就能控制柔性铰接板本体的转动。
所述第二柔性板粘贴标志点，标志点15为3×3的点阵，每两个标志相距150mm，即点阵为300mm×300mm。点阵中心位于第二柔性板的中心。
所述压电纤维传感器及加速度传感器检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板输入运动控制卡，然后输入计算机；
所述检测部分包括双目视觉检测单元、激光器检测单元、电荷放大器21、端子板22、运动控制卡23及计算机24，所述电荷放大器，所述电荷放大器与端子板连接，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；
所述双目视觉检测单元由两个高速相机7构成，高速相机配备镜头11，正对着第二柔性板，距离第二柔性板为500m左右，两个高速相机平行安装在相机支架8上，所述相机支架安装在导轨9上，并在导轨上滑动，水平距离根据需要定义，要求测量时，标志点在相机的视野范围内，所述导轨安装在第二实验台上，通过千兆以太网接口将图像的信息传输至计算机24处理，提取图像上的标志点15经一定算法解得标志点15的振动信息，从而反映振动情况。
所述激光器检测单元包括一个激光器13，所述激光器正对着第二柔性板，所述第二柔性板安装于第二实验台10上的激光器支架12，通过千兆以太网接口将图像的信息传输至计算机24处理，提取图像上的激光点，经一定算法解得激光点的振动信息，从而反映振动情况。
所述控制部分包括压电纤维驱动器及伺服电机驱动器，所述压电纤维驱动器设置在柔性铰接板上，所述压电纤维驱动器有两组，每组由四片压电纤维驱动器构成，两组均关于第一柔性板的竖直中线对称，其中一组位于另一组的外侧。本实施例中，
压电纤维驱动器16共有8片；第一组关于第一柔性板5竖直中面对称，共4片，正反面粘贴，为并联连接，中心距离固定端边缘50mm，姿态为90°，左右两个压电纤维驱动器16中心距离400mm；第二组分布在左右两侧，共4片，正反面安装，左右两个中心距离外侧为300mm，姿态为90°。
计算机24通过采集到的信息，经一定算法对其生成相应的控制信号，输入至运动控制卡23由D/A模块转换，经过端子板22，并输入到伺服电机驱动器19，采用位置控制方式或者速度控制方式，进而对伺服电机1产生相应的控制；
计算机通过采集的信号，经过算法对其生成相应的控制信号，输入运动控制卡，由D/A模块转换，经端子板22传输，经过压电纤维控制器20放大，输出到压电纤维驱动器16，进而可以抑制柔性铰接板的振动。
本发明还包括显示器25，用于显示柔性铰接板的振动情况。
此外有LED灯26提供测量时所需的照明。
本发明一种柔性铰接板振动测量控制方法，包括如下：
第一步，对双目视觉检测单元进行标定，即对两个高速相机进行相机参数确定。包括建立坐标系、对每个相机的标定、完成左右像平面对应点的匹配。以此获得相机内部参数和外部参数。使用已标定的高速相机7，根据视差原理，可以将目标点的三维坐标求解出来。
具体为：
建立坐标系：以左侧高速相机的光心为坐标原点Oc建立相机坐标系O1--X1Y1Z1，世界坐标系Ow-XwYwZw与其相机坐标系相同，其图像物理坐标系为Ol--XlYl，Ol为图像的中心。左相机的焦距为fl。同理建立右侧高速相机的坐标系为O2-X2Y2Z2，图像物理坐标系为Or-XrYr，Or为图像的中心。右相机的焦距为fr。
世界坐标系Ow-XwYwZw与右侧高速相机坐标系O2-X2Y2Z2存在如下变换：
其中R、T为世界坐标系Ow-XwYwZw与右侧高速相机坐标系O2-X2Y2Z2之间的旋转矩阵和原点之间的平移变换矢量，s为一比例因子。
所以
相机采用针孔模型为
式中，f/dX，f/dY，u0，v0四个参数为相机内部参数；R、T为相机外部参数。通过对应点变换关系可以确定相机内、外部参数，完成标定。
实验过程中，通过提取黑白棋盘标定板图像的特征点的位置信息，可以确定计算机视觉中像平面坐标点与空间坐标系坐标点之间的对应关系，从而可以确定两个相机的f/dX、f/dY、u0、v0以及向量R和T。
第二步，对结构光系统进行标定，高速相机已经标定完成，故只需对激光器13进行标定。通过已标定好的双目视觉检测单元，对激光点的不同位置进行求解得到(x1,y1,z1)与(x1 t,y1 t,z1 t)，然后反解出激光的直线方程，具体为：
第三步，对回转轴线位置进行确定。在柔性板本体上贴上黑白方格纸，使用第一步已标定的双目视觉系统求同一时刻不共线的多点位置，例如(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，可以确定一个平面
Ax+By+Cz+D＝0 (5)
式中
转动柔性板本体，不产生振动，可以确定多个平面，由多个平面求交线，可拟合出轴线的直线方程。
第四步：将左右高速相机对柔性铰接板振动测量获得的图像通过千兆以太网接口传输至计算机；
所述视觉检测单元拍摄标志点及激光点振动图像信息，输入计算机；
所述压电纤维传感器及加速度传感器检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板输入运动控制卡，然后输入计算机；
所述伺服电机自带的编码器将电机转动信息输入伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接；
第五步，如图6所示，考虑柔性板为刚体，以柔性铰接板自然下垂为初始位置，根据伺服电机驱动器19反馈的转动信息，转角为已知初始位置柔性板内的一点P、回转轴线l与转角/>可以确定一个平面π，数学表达记为/>联立方程
求解得无振动理想状态下标志点的三维坐标与激光点的三维坐标
第六步：通过双目视觉检测单元与结构光系统测量可以知道实际状态下标志点和激光点的位置，记为(xb t,yb t,zb t)和(xj t,yj t,zj t)；
计算机根据压电纤维传感器、加速度传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大后，经过端子板，运动控制卡输入计算机，得到振动情况。
第七步：根据第五步与第六步求出的三维坐标，可以求出转动时标志点沿x，y，z方向的振动为分别为则总振动量Δb(t)＝(Δxb(t),Δyb(t),Δzb(t))的大小为，方向同振动矢量
激光点沿x，y，z轴的振动为分别为 如图7所示，由于激光点会漂移，取第n条激光的振动矢量为/>对π(θ,l,P)＝0的法矢量n投影为其振动是不准确的。这里通过相激光点的临近点对振动量进行二次插值，整理求得振动量
在理想无振动下的激光点与固定标志点重合位置，可以对比激光点与固定标志点的振动。
面向标志点，若从上至下，从左至右记标志点为1～9，记振动量为Δi b(t)，由于标志点是对称分布的，则通过对弯曲与扭转振动进行解耦，弯曲振动量为
扭转振动量为
并与压电纤维传感器，加速度传感器检测检测的振动信号相互比较，互相验证，得到控制量，驱动控制部分进行振动抑制。
图1中的虚线指示了各个设备之间的连接关系，箭头表明了测量和控制信号流的传递方向。
第一柔性板5与第二柔性板6的材料可选环氧树脂材料薄板，其几何尺寸分别为755mm×500mm×2mm和500mm×500mm×2mm，环氧树脂的弹性模量为Ep＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m3。
第一实验台18由三种长度分别为1400mm、550mm、300mm的铝型材组装而成，台面为一块670mm×420mm×8mm的不锈钢板，中间有直径φ57mm的开口；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。
第二实验台10由三种长度分别为700mm、400mm、200mm的铝型材组装而成，台面为一块820mm×520mm×6mm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。
伺服电机采用安川SGM7A-01A_A6C，其转轴直径8mm，功率为100W，额定电压为AC200V；伺服电机驱动器19选用安川伺服电机驱动器，型号为SGM7S-R90A。行星减速器为德国纽卡特减速器PLE40，减速比为100。轴承选用30205。
压电纤维传感器17选用芯明天公司的M5628-P2，其几何尺寸为66mm×31mm×0.3mm。加速度传感器选用Kistler公司的型号为8044A的电荷输出压电传感器，其标称灵敏度为-0.3pC/g，测量频率范围为1-8000Hz。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。
双目视觉检测单元由2个高速相机、2个镜头组成。选用Photron公司的高速相机，其型号为FASTCAM Nova S9，采集的图像大小选用为1024×1024像素，此像素下的帧率为9000帧/秒。镜头选用映美公司的镜头，其型号为TCL 1216 5MP，焦距为12mm，大小为φ35mm×39.2mm。激光器选用PW650MTX100-GD16。光源型号为MIC-210/40，灯光颜色为白色。
运动控制卡23选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；选用的计算机24的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz。内存4G，主板中有PCI插槽，可以安装运动控制卡。显示器25选用华硕VA249HE。
压电纤维驱动器由选用芯明天公司的M4005-P1，几何尺寸为50mm×11mm×0.3mm。压电纤维片控制器选用芯明天公司的HVA1500/50-4四通道，供电电压220VAC，带宽10kHz，放大倍数200，即输入电压-2.5V～7.5V，输出电压-500V～1500V。
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 (8)
1.一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，包括柔性铰接板本体部分、检测部分及控制部分；
所述柔性铰接板本体部分，包括柔性铰接板、伺服电机、加速度传感器、压电纤维传感器及标志点，所述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；
所述柔性铰接板一端与机械夹紧装置固定为固定端，另一端处于垂挂状态，为自由端；
所述第一柔性板靠近固定端一侧安装有压电纤维传感器，所述第二柔性板靠近自由端安装加速度传感器，所述第二柔性板粘贴标志点，所述伺服电机通过行星减速器与柔性铰接板连接，伺服电机带动柔性铰接板转动；
所述检测部分包括双目视觉检测单元、激光器检测单元、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述电荷放大器与端子板连接，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；
所述激光器检测单元包括激光器，所述激光器在第二柔性板的正前方，发射激光在第二柔性板上形成激光点；
所述双目视觉检测单元拍摄标志点及激光点振动图像信息，输入计算机；
所述压电纤维传感器及加速度传感器检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板输入运动控制卡，然后输入计算机；
所述控制部分，包括压电纤维驱动器及伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接，所述压电纤维驱动器设置在柔性铰接板上，所述计算机根据采集的信息生成相应的控制信号，输入运动控制卡，经过端子板分别输入至压电纤维控制器及伺服电机驱动器，进一步驱动压电纤维驱动器及伺服电机，抑制柔性铰接板的振动；
所述双目视觉检测单元包括两个高速相机，两个高速相机固定在导轨上，导轨位于第二试验台上，所述标志点在两个高速相机的视野范围内；
所述压电纤维传感器有四个，在第一柔性板的正反两面粘贴，且关于第一柔性板竖直中线对称，并联连接，姿态为90度。
2.根据权利要求1所述的一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，所述加速度传感器有三个，其中一个位于第二柔性板的竖直中线上，另外两个关于第二柔性板的竖直中线对称，三个加速度传感器在同一条水平线上。
3.根据权利要求1所述的一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，所述压电纤维驱动器有两组，每组由四片压电纤维驱动器构成，两组均关于第一柔性板的竖直中线对称，其中一组位于另一组的外侧。
4.根据权利要求1所述的一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，所述标志点为3×3的点阵，每两个标志相距150mm，即点阵为300mm×300mm，点阵中心位于第二柔性板的中心。
5.根据权利要求1所述的一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，所述激光器位于两个高速相机之间。
6.根据权利要求3所述的一种柔性铰接板振动测量控制装置，其特征在于，所述四片压电纤维驱动器正反面粘贴，并联连接。
7.一种如权利要求1-6任一项所述柔性铰接板振动测量控制装置的控制方法，其特征在于，包括：
第一步 对双目视觉检测单元中的两个高速相机进行标定求解得到目标点的三维坐标；
对激光器进行标定，根据已经标定的双目视觉检测单元，得到激光的直线方程；
对回转轴线位置进行确定，得到拟合轴线的直线方程；
第二步，在初始状态下，获得无振动理想情况下，标志点与激光点的三维坐标；
第三步，通过双目视觉检测单元及激光器检测单元进行振动检测，传输至计算机，得到振动状况下的标志点和激光点的坐标；同时将压电纤维传感器，加速度传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大后，经过采集卡输入到计算机处理；
第四步，根据初始状态下及振动状况下的标志点和激光点的坐标，得到旋转时标志点与激光点的振动信息，并与压电纤维传感器，加速度传感器检测的振动信号进行比较，得到柔性铰接板的振动信息，进一步得到控制量，驱动控制部分对柔性铰接板进行抑制。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述旋转时标志点与激光点的振动信息，具体为：
转动时，标志点沿着x，y，z方向的振动分别为
则总振动量Δb(t)＝(Δxb(t),Δyb(t),Δzb(t))的大小为，/>方向同振动矢量；激光点沿x，y，z轴的振动分别为
其中，为无振动理想状态下标志点的三维坐标；/>为无振动理想状态下激光点的三维坐标；
实际状态下标志点和激光点的位置，记为和/>
激光的振动量为：
面向标志点，若从上至下，从左至右记标志点为1～9，记振动量为Δi b(t)，由于标志点是对称分布的，则通过对弯曲与扭转振动进行解耦，弯曲振动量为
其中i＝1,4,7；
扭转振动量为
其中i＝1,4,7。
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