CN112098025A - 基座摆动的多柔性板振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基座摆动的多柔性板振动检测控制装置及方法，包括多柔性板本体部分、定向指向驱动部分、摆动基座部分及控制部分；所述多柔性板本体部分由四个铰接板叶结构组成，每个铰接板叶结构由两个柔性板通过铰链连接组成，其中一个柔性板通过机械夹持装置与中心本体连接；陀螺仪传感器获取姿态信息，通过电缸与单轴转台结合驱动的方式实现定向指向；基座摆动部分通过伺服电机驱动齿轮与弧形齿条啮合，通过基座上的导轨实现导向；框型支架上安装视觉测量单元，柔性板上分布的压电陶瓷传感器用于振动的检测；通过压电驱动器作为抑制振动的作动器；该装置可用于研究基座摆动情况下，多柔性板的定向指向与振动检测与振动控制。

Description

基座摆动的多柔性板振动检测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性结构领域，具体涉及基座摆动的多柔性板振动检测控制装置及方法。

背景技术

柔性板结构具有质量轻、能耗低、操作灵活等优点，被广泛应用于航天及工业生产领域，空间站与航天器上所采用的太阳翼就是一种大型柔性板结构，但柔性板由于刚度低、柔性化的特点，在受到干扰后产生的低频振动会持续很久，若不加控制的话将影响系统的稳定性，后果不堪设想。

航天器上的太阳能帆板通常分布在不同的方位上，而在姿态调整的过程中，不同方位上的太阳能帆板所受干扰而引起的振动可能有所不同，因此需要对其进行研究。

现有的柔性板研究大多都是建立在基座固定，方位固定的条件下，而航天器上的太阳能帆板通常分布在不同的方位上，而在姿态调整的过程中，不同方位上的太阳能帆板所受干扰而引起的振动可能有所不同，并且航天器在轨运行期间，为了最大程度的提高太阳能转换效率，太阳能帆板需要实时定向指向，而航天器姿态控制以及太阳能帆板实时定向指向的过程中，太阳能板是处于一种动态运动的情况，因此对于这种动态定向指向运动下的不同方位的多柔性板振动检测具有一定的研究价值与研究意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种基座摆动的多柔性板振动检测控制装置，该装置具有定向指向和振动抑制的功能。

本发明的另一个目的是提供一种基座摆动的多柔性板振动检测控制装置的控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基座摆动的多柔性板振动检测控制装置，包括多柔性板本体部分、定向指向驱动部分、摆动基座部分及控制部分；

所述多柔性板本体部分包括四个铰接板叶结构和一个中心本体，所述四个铰接板叶结构关于中心本体中轴线呈90°圆周分布安装，每个铰接板叶结构包括两块铰链连接的柔性板，每个铰接板叶结构一端自由，另一端通过机械夹持装置固定，所述机械夹持装置固定在中心本体上，跟随中心本体运动，每块柔性板设置压电陶瓷传感器及压电驱动器，所述中心本体的指向端前侧中心位置安装陀螺仪传感器，用于中心本体指向的姿态检测，所述中心本体上安装用于设置双目视觉测量单元框型支架；

所述定向指向驱动部分包括转动关节、伺服电缸及单轴伺服转台，伺服电缸的电机端与转动关节连接，其伸长端与中心本体前侧指向端连接，转动关节与中心本体的后侧固定端连接，通过控制伺服电缸伸缩能够实现控制中心本体的俯仰运动；转动关节与单轴伺服转台连接，单轴伺服转台驱动转动关节进行转向；

所述摆动基座部分包括底座、弧形齿条、摆动基座、伺服电机及驱动齿轮，所述弧形齿条设置在底座上，底座的两侧设置导轨，伺服电机带动驱动齿轮、驱动齿轮与弧形齿条啮合，实现摆动基座在底座上摆动，定向指向驱动部分及柔性板本体部分均设置在摆动基座上；

所述控制部分，用于接收检测振动信号，处理后得到控制信号，驱动相应元件用于抑制柔性板的振动。

优选的，所述控制部分包括计算机、运动控制卡、端子板、压电放大电路、电荷放大器、伺服电机驱动器、转动驱动器及电缸驱动器，所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与端子板相互连接，所述端子板分别与伺服电机驱动器、转台驱动器及电缸驱动器相互连接，所述端子板输出信号到压电放大电路，进一步驱动压电驱动器，所述压电陶瓷传感器检测信号输入电荷放大器，所述电荷放大器与端子板连接，所述双目视觉测量单元与计算机连接，所述陀螺仪传感器与端子板连接。

优选的，所述压电陶瓷传感器具体为八片，每个柔性板安装一片，单面粘贴。

优选的，所述压电驱动器包括三十二片压电陶瓷片，每块柔性板有四片，正反两面对称粘贴，每面两片，并联连接。

优选的，所述双目视觉测量单元包括四组，与四个铰接板叶结构一一对应，每组双目视觉测量单元包括两个CCD相机及一个激光点阵投射器，CCD相机与激光点阵投射器均固定在导轨上，导轨固定在框型支架上，通过激光点阵投射器将标志点投射到柔性板，两个CCD相机实时拍摄图像。

优选的，激光点阵投射器将激光点阵投射到铰接板叶结构外侧的柔性板。

优选的，所述框型支架采用合金铝材料。

优选的，所述底座为弧形。

一种多柔性板振动检测控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步，参数标定，对四组双目视觉测量单元进行标定，获得每组双目视觉测量系统的内参与外参；

第二步，调节多柔性板指向，计算机规划驱动轨迹后传输相应控制指令给驱动伺服电缸与单轴伺服转台，在避免引起较大振动的前提下控制多柔性板的指向一定方向；

第三步 基座摆动干扰：计算机通过运动控制卡经由端子板传输摆动指令给伺服电机驱动器，摆动基座内部的伺服电机开始驱动，摆动基座开始摆动；

第四步 定向指向控制，根据陀螺仪传感器、电缸驱动器和转台驱动器通过端子板经由运动控制卡的传输到计算机的反馈信息，经过相应算法运算后，计算机传输对应的控制信号通过运动控制卡经由端子板传输到电缸驱动器与转台驱动器，调节伺服电缸伸缩量与单轴伺服转台转动量，维持多柔性板的定向指向；

第五步 振动检测，利用压电陶瓷传感器与双目视觉测量系统分别检测多柔性板的振动，将压电陶瓷传感器信号经由电荷放大器放大，经由端子板传输，通过运动控制卡内部的模数转换模块将模拟信号转换成数字信号后输入到计算机；双目视觉测量系统中的CCD相机将拍摄的标志点阵图像通过USB接口传输到计算机中进行处理解算，获取振动信息；

第六步 振动控制，根据步骤四获得的振动检测信号，计算机运行相应的主动控制算法，得到相应的振动控制反馈信号通过运动控制卡的数模转换模块输出，经由端子板的传递，通过压电放大电路放大信号后，输出到压电驱动器中进行响应，控制柔性板的振动；

第七步 通过改变相关控制参数，进行反复试验，获得多次实验结果，得到多柔性板定向指向准确度以及多柔性板的振动特性及控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明中采用伺服电机驱动齿轮与弧形齿条啮合的方式实现基座弧形摆动，模拟了航天器在轨运动的姿态调整状态，相较于现有的柔性板的固定实验台，引入了动态运动。

(2)本发明中通过中心结构前端安装的陀螺仪传感器获取姿态信息，利用伺服电缸与单轴伺服转台复合驱动控制，将旋转运动与俯仰运动相结合的方式，实现多柔性板的定向指向。

(3)本发明中采用多柔性板不同方位安装的方式，可研究在动态运动中，不同方位柔性板的振动特性。

(4)本发明中采用压电陶瓷传感器与双目视觉测量系统相结合的检测方法对柔性板进行检测比较，有利于提高检测的精度。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的右视图；

图5是图1中摆动基座结构图；

图6是图1中双目视觉测量单元示意图；

图7是本发明装置的控制流程图。

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，一种基座摆动的多柔性板振动检测控制装置，包括多柔性板本体部分、定向指向驱动部分、摆动基座部分及控制部分；

所述多柔性板本体部分包括四个铰接板叶结构5和一个中心本体1，所述四个铰接板叶结构关于中心本体中轴线呈90°圆周分布安装，每个铰接板叶结构包括两块柔性板，两块柔性板尺寸材料完全一致，两个柔性板之间通过上下两个铰链连接，本结构一共有八块柔性板，每个铰接板叶结构一端自由，另一端与通过机械夹持装置8固定，也就是一块柔性板的一端与机械夹持装置固定，其另一端与另一块柔性板连接，另一块柔性板的一端自由。四个铰接板叶上的柔性板尺寸、材料以及压电陶瓷传感器3、压电驱动器4的安装位置均完全相同，不同之处在于四个铰接板叶结构所处的方位，在定向指向过程与基座摆动条件下，不同方位的铰接板结构所处状态不同，该装置能够用于研究动态运动对于柔性板振动特性的影响。

所述机械夹持装置固定在中心本体上，跟随中心本体运动，每块柔性板设置压电陶瓷传感器及压电驱动器，在柔性板上，压电陶瓷传感器3单面粘贴在板宽度方向中心线且距内侧边80mm处，每块柔性板上粘贴1片，四个铰接板叶结构共计8片；主要用于柔性板弯曲振动的检测，通过电荷放大器20、输入端子板及运动控制卡并作为反馈信号输入到计算机24；

压电驱动器4粘贴在板长度方向中心线距离两侧边缘40mm处，且关于宽度方向中线对称，采用双面对称粘贴的方式，每块柔性板粘贴4片，四个铰接板叶结构共计32片。

所述中心本体的前侧中心位置安装陀螺仪传感器，所述中心本体上安装用于设置双目视觉测量单元的框型支架7，框型支架与中心本体连接，所述双目视觉测量单元包括四组，与四个铰接板叶结构一一对应，每组双目视觉测量单元测量一个铰接板叶结构，每组双目视觉测量单元包括两个CCD相机6及一个激光点阵投射器，CCD相机与激光点阵投射器10均固定在导轨9上，导轨固定在框型支架上，通过激光点阵投射器将标志点投射到外侧柔性板，两个CCD相机实时拍摄图像。框型支架7固定在中心本体1上，并跟随中心本体1运动，双目视觉测量系统在使用前需要事先进行标定，双目视觉测量系统与铰接板叶结构5之间处于随动状态，能够有效的检测柔性板的振动。

具体检测过程如下：

压电陶瓷传感器3通过自身的传感特性将检测到的振动信号转换为电信号，电信号经过电荷放大器20放大后，经由端子板22的传输到达运动控制卡23，经过模数转换后将数字信号输入到计算机中；如图6所示，双目视觉测量单元距离柔性板500mm处，激光点阵投射器10将激光点阵投射到铰接板叶结构外侧的柔性板上，两个CCD相机实时拍摄图像，通过USB接口将图像的信息传输至计算机进行处理，通过提取相机图像中的激光标志点阵信息，经过算法解算后获得柔性板的振动信息。

本实施例中激光点阵投射器设置在两个CCD相机的中间位置。

所述陀螺仪传感器用于检测柔性板本体部分的姿态信息，并将姿态信息传输到端子板，再经运动控制卡传输到计算机。

所述定向指向驱动部分包括：转动关节11、伺服电缸14、单轴伺服转台15等零部件，伺服电缸14电机端与转动关节11通过U型夹连接，伸长端与中心本体1的前侧指向端通过球铰连接，转动关节11与中心本体1的后侧固定端连接，通过控制伺服电缸14伸缩能够实现控制中心本体1的俯仰运动，转动关节11与单轴伺服转台15连接，单轴伺服转台15驱动转动关节11进行转向，通过俯仰和转向的结合控制，进而能够达到控制多柔性板本体部分的定向指向；

伺服电缸14和单轴伺服转台15自带的编码器能够将伺服电缸14的驱动信息和单轴伺服转台15的转动信息反馈给转台驱动器18及电缸驱动器17；计算机24根据陀螺仪传感器获取的姿态信息，目标方向姿态以及反馈信息，运行相应算法后发出相应的控制量，经过运动控制卡23、端子板22传递给电缸驱动器17和转台驱动器18，实现定向指向。

——摆动基座部分包括：

如图5所示，底座13、弧形齿条12、摆动基座16、伺服电机26及驱动齿轮25等零部件，弧形齿条12安装在底座13上，底座13两侧设计有两个导轨结构，驱动齿轮25连接在伺服电机上，伺服电机26安装在摆动基座16内部，摆动基座底部安装有4个滚轮，分别为每侧两个，摆动基座16底部的滚轮在底座13的导轨内滚动实现导向，计算机24通过运动控制卡23经由端子板22传输摆动指令给伺服电机驱动器19，摆动基座16内部的伺服电机26开始驱动，摆动基座16开始摆动。

伺服电机26带动驱动齿轮25，驱动齿轮25与底座13上的弧形齿条12啮合，进而实现摆动基座在底座上进行摆动，多柔性板本体部分和定向指向部分均安装在摆动基座上，跟随摆动基座进行动态摆动。

本实施例中，底座表面为弧形。

——控制部分

具体是：压电陶瓷传感器3和双目视觉测量系统将所测得的振动信号输入计算机24中，通过相应的主动控制算法，将控制信号通过运动控制卡23的数模转换后，经由端子板22传递，压电放大电路21放大信号，输出到压电驱动器4，用于抑制柔性板的振动。

该装置的控制方法为：

第一步 参数标定，对四组双目视觉测量系统进行标定，获得每组双目视觉测量系统的内参与外参；

第二步 调节多柔性板指向，计算机24规划驱动轨迹后传输相应控制指令给驱动伺服电缸14与单轴伺服转台15，在避免引起较大振动的前提下控制多柔性板的指向一定方向

第三步 基座摆动干扰，计算机24通过运动控制卡23经由端子板22传输摆动指令给伺服电机驱动器19，摆动基座16内部的伺服电机26开始驱动，摆动基座16开始摆动；

第四步 定向指向控制，根据陀螺仪传感器2、电缸驱动器17和转台驱动器18通过端子板22经由运动控制卡23的传输到计算机24的反馈信息，经过相应算法运算后，计算机24传输对应的控制信号通过运动控制卡23经由端子板22传输到电缸驱动器17与转台驱动器18,调节伺服电缸14伸缩量与单轴伺服转台15转动量，维持多柔性板的定向指向；

第五步 振动检测，利用压电陶瓷传感器3与双目视觉测量系统分别检测多柔性板的振动，将压电陶瓷传感器3信号经由电荷放大器20放大，经由端子板22传输，通过运动控制卡23内部的模数转换模块将模拟信号转换成数字信号后输入到计算机24；双目视觉测量系统中的CCD相机将拍摄的标志点阵图像通过USB接口传输到计算机中24进行处理解算，获取振动信息；

第六步 振动控制，根据步骤四获得的振动检测信号，计算机24运行相应的主动控制算法，得到相应的振动控制反馈信号通过运动控制卡23的数模转换模块输出，经由端子板22的传递，通过压电放大电路21放大信号后，输出到压电驱动器4中进行响应，控制柔性板的振动；

第七步 通过改变相关控制参数，进行反复试验，获得多次实验结果，得到多柔性板定向指向准确度以及多柔性板的振动特性及控制效果。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，各个柔性板的材料、尺寸等参数完全相同，几何尺寸均为600mm×600mm×20mm，采用环氧树脂材料。环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m。

压电驱动器4由压电陶瓷制成，几何尺寸为60mm×16mm×1mm,粘贴在板长度方向中心线距离两侧边缘40mm处，且关于宽度方向中线对称，采用双面对称粘贴的方式，每块柔性板粘贴4片，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V；

压电陶瓷传感器3由压电陶瓷制成，几何尺寸为60mm×16mm×1mm，粘贴在柔性板宽度方向中线上,距离内侧边80mm处，主要用于弯曲振动的检测,陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V；

陀螺仪传感器2可选用北京瑞芬星通科技有限公司的MEMS微机械数字型陀螺仪，型号为TG632D-150，量程为±150°，测量轴向为X、Y、Z轴(可选)，分辨率为0.1°/s；

双目视觉测量系统中的CCD相机6可选用映美精公司的CCD相机，其型号为DMK23U445,采集的图像大小为1280*960像素，帧数为30帧/秒。镜头选用映美精公司的镜头，其型号为TCL 0616 5MP，焦距为6mm，大小为

激光器10选用KYD650N5-TS1236；

伺服电缸14可选用Thomson Linear公司的型号为ECT09B43R02PB2510的伺服电缸，最大载荷为3800N，最大速度为210mm/s，重复精度为±0.05mm；

单轴伺服转台15可选用Aerotech公司的ADRT机械轴承精密直驱转台，型号为ADRT-200-185，最大轴向载荷为1400N，最大径向载荷为800N，精度为±5rad/s；

摆动基座16中的伺服电机26可选用安川电机，型号为SGM7G-05A7D61，额定电压为200V，输出功率为450W，伺服电机驱动器型号为SGD7S-3R8A；

运动控制卡23可选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，该运动控制器具有4路轴资源通道(各轴信号带有1路模拟量输出，增量式编码器输入，电机控制输出及报警复位功能)，光耦隔离通用数字信号输入和输出各有16路，2路四倍频增量式辅助编码器输入，8路AD模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是：-10V～+10V；

电荷放大器21选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器，能够将较弱的输入信号放大到复制为-10V～+10V的电压信号。

压电放大电路22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。

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 (9)

1.一种基座摆动的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，包括多柔性板本体部分、定向指向驱动部分、摆动基座部分及控制部分；

所述多柔性板本体部分包括四个铰接板叶结构和一个中心本体，所述四个铰接板叶结构关于中心本体中轴线呈90°圆周分布安装，每个铰接板叶结构包括两块铰链连接的柔性板，每个铰接板叶结构一端自由，另一端与机械夹持装置固定，所述机械夹持装置固定在中心本体上，跟随中心本体运动，每块柔性板设置压电陶瓷传感器及压电驱动器，所述中心本体的指向端前侧中心位置安装陀螺仪传感器，用于中心本体指向的姿态检测，所述中心本体上安装用于设置双目视觉测量单元的框型支架；

所述定向指向驱动部分包括转动关节、伺服电缸及单轴伺服转台，伺服电缸的电机端与转动关节连接，其伸长端与中心本体前侧指向端连接，转动关节与中心本体的后侧固定端连接，通过控制伺服电缸伸缩能够实现控制中心本体的俯仰运动；转动关节与单轴伺服转台连接，单轴伺服转台驱动转动关节进行转向；

所述摆动基座部分包括底座、弧形齿条、摆动基座、伺服电机及驱动齿轮，所述弧形齿条设置在底座上，底座的两侧设置导轨，伺服电机带动驱动齿轮，驱动齿轮与弧形齿条啮合，实现摆动基座在底座上摆动，定向指向驱动部分及柔性板本体部分均设置在摆动基座上；

所述控制部分，用于接收检测振动信号，处理后得到控制信号，驱动相应元件用于抑制柔性板的振动。

2.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述控制部分包括计算机、运动控制卡、端子板、压电放大电路、电荷放大器、伺服电机驱动器、转动驱动器及电缸驱动器，所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与端子板相互连接，所述端子板分别与伺服电机驱动器、转台驱动器及电缸驱动器相互连接，所述端子板输出信号到压电放大电路，进一步驱动压电驱动器，所述压电陶瓷传感器检测信号输入电荷放大器，所述电荷放大器与端子板连接，所述双目视觉测量单元与计算机连接，所述陀螺仪传感器与端子板连接。

3.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述压电陶瓷传感器具体为八片，每个柔性板安装一片，单面粘贴。

4.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述压电驱动器包括三十二片压电陶瓷片，每块柔性板有四片，正反两面对称粘贴，每面两片，并联连接。

5.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述双目视觉测量单元包括四组，与四个铰接板叶结构一一对应，每组双目视觉测量单元包括两个CCD相机及一个激光点阵投射器，CCD相机与激光点阵投射器均固定在导轨上，导轨固定在框型支架上，通过激光点阵投射器将标志点投射到柔性板，两个CCD相机实时拍摄图像。

6.根据权利要求5所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，激光点阵投射器将激光点阵投射到铰接板叶结构外侧的柔性板。

7.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述框型支架采用合金铝材料。

8.根据权利要求1所述的多柔性板振动检测控制装置，其特征在于，所述底座为弧形。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的多柔性板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，参数标定，对四组双目视觉测量单元进行标定，获得每组双目视觉测量系统的内参与外参；

第二步，调节多柔性板指向，计算机规划驱动轨迹后传输相应控制指令给驱动伺服电缸与单轴伺服转台，在避免引起较大振动的前提下控制多柔性板的指向一定方向；

第三步 基座摆动干扰：计算机通过运动控制卡经由端子板传输摆动指令给伺服电机驱动器，摆动基座内部的伺服电机开始驱动，摆动基座开始摆动；

第四步 定向指向控制，根据陀螺仪传感器、电缸驱动器和转台驱动器通过端子板经由运动控制卡的传输到计算机的反馈信息，经过相应算法运算后，计算机传输对应的控制信号通过运动控制卡经由端子板传输到电缸驱动器与转台驱动器，调节伺服电缸伸缩量与单轴伺服转台转动量，维持多柔性板的定向指向；

第五步 振动检测，利用压电陶瓷传感器与双目视觉测量系统分别检测多柔性板的振动，将压电陶瓷传感器信号经由电荷放大器放大，经由端子板传输，通过运动控制卡内部的模数转换模块将模拟信号转换成数字信号后输入到计算机；双目视觉测量系统中的CCD相机将拍摄的标志点阵图像通过USB接口传输到计算机中进行处理解算，获取振动信息；

第六步 振动控制，根据步骤四获得的振动检测信号，计算机运行相应的主动控制算法，得到相应的振动控制反馈信号通过运动控制卡的数模转换模块输出，经由端子板的传递，通过压电放大电路放大信号后，输出到压电驱动器中进行响应，控制柔性板的振动；

第七步 通过改变相关控制参数，进行反复试验，获得多次实验结果，得到多柔性板定向指向准确度以及多柔性板的振动特性及控制效果。

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