本發(fā)明涉及柔性結構的定位和振動控制領域，具體涉及一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置及方法。

背景技術：

柔性化、大型化是各類航天結構的一個重要發(fā)展趨勢，輕型結構意味著可以增加有效載荷的重量，大型結構使得航天器設計、制造時更具靈活性。然而，由于大型柔性結構剛度低、柔性大，在無外阻的太空中運行時，極易受到外部激勵作用而產生持續(xù)時間較長的低頻大幅值振動，因此，對大型柔性結構的振動分析和控制研究是很有必要的。

現(xiàn)有的技術中，通常用柔性板結構模擬太空帆板，主要采用壓電片、加速度傳感器、形狀記憶合金、角速率陀螺儀傳感器、光電位置傳感器等傳感器件，來實現(xiàn)對柔性板結構的振動測量。但是，壓電材料和形狀記憶合金由于自身強度、疲勞壽命及耐溫性能等因素，應用受到一定的限制；加速度傳感器和角速率陀螺儀傳感器對噪聲敏感，且只能測量物體上某一點的位移信息；光電位置傳感器的測量范圍較小、結構復雜、操作難度大、計算過程繁瑣且成本昂貴。

在大型柔性結構振動測量及主動控制的研究中，利用雙目視覺系統(tǒng)測量結構的振動有其獨特的優(yōu)勢。雙目視覺測量是一種非接觸式測量，它不改變結構的振動特性，因此得到的測量結果精確。雙目視覺測量中要求結構上具有標志點，實際中通常采用結構上粘貼標志點和結構上投影標志點的做法，結構上粘貼標志點的做法會在一定程度上影響結構的振動，而投影標志點能夠實現(xiàn)真正的非接觸式測量，但用投影點的振動信息來代替板真實的振動信息采用了近似方法，由于板的振動是小幅值的，也即說明這種近似方法是可行的。

大型柔性結構如柔性板的振動中低頻彎曲振動和扭轉振動是耦合在一起的，利用相機對不同的標志點進行監(jiān)測，能夠得到不同標志點的振動信息，從而將振動解耦，分別得到板的彎曲振動信息和扭轉振動信息，彎曲振動信息用來驅動壓電驅動器抑制板的彎曲振動，扭轉振動信息用來驅動壓電驅動器抑制板的扭轉振動。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置，以實現(xiàn)對柔性鉸接板振動的非接觸、實時準確測量，同時考慮到了以投影點振動信息來代替柔性板真實振動信息的近似性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過如下技術方案實現(xiàn)：

一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置，包括柔性鉸接板本體、振動檢測部分、驅動控制部分、信號處理模塊和計算機；所述柔性鉸接板本體由兩塊材料相同的柔性板通過鉸鏈連接在一起，構成的柔性鉸接板本體一端通過機械夾緊裝置懸空夾在固定于水平實驗臺ⅰ的支座上，柔性鉸接板本體與水平面垂直，另一端為自由端；所述振動檢測部分包括相機檢測部分和多個加速度傳感器，相機檢測部分包括兩個工業(yè)相機和一個幻燈機，兩個工業(yè)相機通過滑軌固定在水平實驗臺ⅱ上，構成雙目視覺測量系統(tǒng)，幻燈機也置于水平實驗臺ⅱ上，將光斑投射至柔性鉸接板本體上，兩個工業(yè)相機的鏡頭平面平行于柔性鉸接板本體，對準幻燈機投射在柔性鉸接板本體上的光斑；多個加速度傳感器安裝在柔性鉸接板本體靠近自由端的邊緣處；所述驅動控制部分包括多個壓電片驅動器，多個壓電片驅動器雙面粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板上；振動檢測部分檢測到柔性鉸接板本體的振動信號，通過信號處理模塊將振動信號輸入計算機中，計算機運行相應的主動控制算法，然后通過信號處理模塊輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動。

進一步地，所述信號處理模塊包括適調放大器、采集控制卡、端子板和電壓放大器，振動檢測部分檢測到柔性鉸接板本體的振動信號，通過適調放大器調制后傳輸給端子板，再通過采集控制卡內部的a/d轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號后輸入計算機中，計算機運行相應的主動控制算法，將控制信號經由采集控制卡輸出，通過端子板的傳遞，并經由電壓放大器放大信號后輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動。

進一步地，所述壓電片驅動器的數(shù)量和具體粘貼位置能夠根據柔性鉸接板本體的大小以及材質自行設計。

進一步地，所述幻燈機投射在柔性鉸接板本體上的光斑位置能夠根據測量者想要得到的柔性鉸接板本體的振動信息來自行設計。

進一步地，所述驅動控制部分包括多個壓電片驅動器，其中4片壓電片驅動器粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線的正反面，每面兩片，對稱粘貼，并聯(lián)連接，用于控制柔性板的扭轉振動；其中8片壓電片驅動器粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線兩側的正反面，每面四片，對稱粘貼，并聯(lián)連接，用于控制柔性板的彎曲振動；靠近固定端的柔性板的右側寬度方向中間位置，還粘貼一片壓電片驅動器，作為彎曲振動傳感器。

進一步地，所述基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置能夠用來模擬太空中太陽能帆板的振動情況，在太陽能帆板所處環(huán)境無光源的情況下，使用幻燈機投影標志點結合相機檢測的方式，獲得太陽能帆板的振動信息。

本發(fā)明的另一目的可以通過如下技術方案實現(xiàn)：

一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制方法，所述方法包括以下步驟：

一、打開幻燈機將標志點光斑投射于柔性鉸接板本體上，利用工業(yè)相機和加速度傳感器檢測柔性鉸接板本體的振動，得到相應的振動信號；

二、將步驟一中加速度傳感器采集到的振動信號通過適調放大器調制后傳輸給端子板，再通過采集控制卡內部的a/d轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號后輸入計算機中，工業(yè)相機采集到的振動信號直接輸入到計算機中；

三、計算機運行相應的主動控制算法，得到的振動控制信號經由采集控制卡的d/a轉換模塊輸出，通過端子板的信息傳遞，并經由電壓放大器放大信號后輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動；

四、改變控制參數(shù)，反復試驗，獲取多次實驗結果，得到柔性鉸接板本體的振動特性及控制效果。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明的基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置采用幻燈機投影標志點結合相機檢測的方法實現(xiàn)了對鉸接板振動的完全無接觸式測量，由于測量不對板的振動特性有任何影響，所以獲得的測量結果更精確。

2、本發(fā)明的基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置使用相機對投影的不同標志點進行監(jiān)測，能夠得到不同標志點的振動信息，不同標志點的振動信息能夠反映出柔性板的彎曲振動信息和扭轉振動信息，從而實現(xiàn)了柔性板的振動解耦。

3、本發(fā)明使用幻燈機投影光斑的方法來獲得板面上的標志點，解決了無光源環(huán)境下鉸接板的振動測量問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置的總體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1中柔性鉸接板本體的示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例2中工業(yè)相機對標志點光斑進行標定的流程圖。

圖4為本發(fā)明實施例2中兩個工業(yè)相機構成的雙目視覺測量系統(tǒng)測量方式的流程圖。

其中，1-工業(yè)相機，2-加速度傳感器，3-鉸鏈，4-壓電片驅動器，5-幻燈機。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，本實施例提供了一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置，包括柔性鉸接板本體、振動檢測部分、驅動控制部分、信號處理模塊和計算機；所述柔性鉸接板本體由兩塊材料相同的柔性板通過鉸鏈(3)連接在一起(如圖2所示)，構成的柔性鉸接板本體一端通過機械夾緊裝置懸空夾在固定于水平實驗臺ⅰ的支座上，柔性鉸接板本體與水平面垂直，另一端為自由端；所述振動檢測部分包括相機檢測部分和多個加速度傳感器(2)，相機檢測部分包括兩個工業(yè)相機(1)和一個幻燈機(5)，兩個工業(yè)相機(1)通過滑軌固定在水平實驗臺ⅱ上，構成雙目視覺測量系統(tǒng)，幻燈機(5)也置于水平實驗臺ⅱ上，將光斑投射至柔性鉸接板本體上，兩個工業(yè)相機(1)的鏡頭平面平行于柔性鉸接板本體，對準幻燈機(5)投射在柔性鉸接板本體上的光斑；兩個加速度傳感器(2)安裝在柔性鉸接板本體靠近自由端的邊緣處；所述驅動控制部分包括多個壓電片驅動器(4)，其中4片壓電片驅動器(4)粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線的正反面，每面兩片，對稱粘貼，并聯(lián)連接，用于控制柔性板的扭轉振動；其中8片壓電片驅動器(4)粘貼于柔性鉸接板本體靠近固定端的柔性板中線兩側的正反面，每面四片，對稱粘貼，并聯(lián)連接，用于控制柔性板的彎曲振動，靠近固定端的柔性板的右側寬度方向中間位置，還粘貼一片壓電片驅動器(4)，作為彎曲振動傳感器；振動檢測部分檢測到柔性鉸接板本體的振動信號，通過信號處理模塊將振動信號輸入計算機中，計算機運行相應的主動控制算法，然后通過信號處理模塊輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動。

其中，所述信號處理模塊包括適調放大器、采集控制卡、端子板和電壓放大器，振動檢測部分檢測到柔性鉸接板本體的振動信號，通過適調放大器調制后傳輸給端子板，再通過采集控制卡內部的a/d轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號后輸入計算機中，計算機運行相應的主動控制算法，將控制信號經由采集控制卡輸出，通過端子板的傳遞，并經由電壓放大器放大信號后輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動。

進一步地，所述壓電片驅動器(4)的數(shù)量和具體粘貼位置能夠根據柔性鉸接板本體的大小以及材質自行設計。所述幻燈機(5)投射在柔性鉸接板本體上的光斑位置能夠根據測量者想要得到的柔性鉸接板本體的振動信息來自行設計。所述基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制裝置能夠用來模擬太空中太陽能帆板的振動情況，在太陽能帆板所處環(huán)境無光源的情況下，使用幻燈機(5)投影標志點結合相機檢測的方式，獲得太陽能帆板的振動信息。

本實施例中，使用的柔性板為環(huán)氧樹脂材料薄板，與固定端連接的即第一塊柔性板的尺寸為550mm×500mm×2mm，第二塊柔性板的尺寸為50mm×500mm×2mm。環(huán)氧樹脂的彈性模量為ep＝34.64gpa，密度為ρ＝1840kg/m³。工業(yè)相機(1)選用德國basler公司生產的型號為aca1600-60gc的gige相機，采用cmos感光芯片，最高幀率60fps，分辨率為1600×1200；選用理光公司的鏡頭，其型號為fl-hc0614-2m，焦距為6mm，大小為φ32mm×35.7mm，滑軌選用misumi公司生產的型號為sena33h-400-v10-w70的滑軌，長度為400mm?；脽魴C(5)選用德國百靈公司生產的型號為e130的130af幻燈機，配備24v/150w強光燈。壓電片驅動器(4)由壓電陶瓷材料制成，幾何尺寸為45mm×15mm×1mm，成片狀粘貼在柔性板上，距離固定端230mm或20mm，距離板寬度方向上下邊緣45mm，壓電陶瓷材料的彈性模量為ep＝63gpa，d31＝-166pm/v。加速度傳感器(2)選用kistler公司的型號為8310b10的電容式傳感器，其標稱靈敏度為200mv/g，測量頻率范圍為0-180hz。采集控制卡選用美國galil公司生產的dmc-2x00數(shù)字運動控制器，提供標準的pci總線接口；選用的計算機的cpu型號為core76650u2.2ghz，內存4g，主板中有pci-e插槽，可安裝采集控制卡。電壓放大器可選用型號為apex-pa241dw或apex-pa240cx的壓電放大器等零件組成，放大倍數(shù)可達到52倍，即將-5v～+5v放大到-260～+260v。

實施例2：

本實施例提供了一種基于雙目視覺測量的柔性鉸接板振動控制方法，包括以下步驟：

一、打開幻燈機(5)將標志點光斑投射于柔性鉸接板本體上，利用工業(yè)相機(1)和加速度傳感器(2)檢測柔性鉸接板本體的振動，得到相應的振動信號；

本步驟中，工業(yè)相機(1)對標志點光斑進行標定的流程圖如圖3所示，包括以下步驟：

第一步、建立坐標系：以第二塊柔性板前表面的中點ow為坐標原點，建立世界坐標系ow-xwywzw；以相機的光心oc為原點，建立相機坐標系oc-xcyczc；以圖像左上角第一個像素為原點o0，建立圖像坐標系o0-uv；以圖像的中心點o1為原點，建立成像平面坐標系o1-xy。

第二步、空間中任意一點(如p點)的世界坐標系坐標與相機坐標系坐標的變換，可以用旋轉矩陣r和平移向量t來描述：

其中，(xcyczc)、(xwywzw)分別為p點在相機坐標系和世界坐標系中的坐標。r是正交單位矩陣，t為三維平移向量。

第三步、在此標定中，相機使用的模型為針孔模型，故成像過程存在如下坐標變換：

其中，(xy)為圖像中p點的坐標，(xcyczc)為該點在相機坐標系中的坐標，f為相機鏡頭焦距。上式用矩陣形式表示為：

綜合上述，得到成像平面坐標系坐標與世界坐標系坐標的變換關系：

第四步、圖像坐標系的原點o0位于圖像平面的左上角第一個像素處，u軸和v軸分別沿圖像的寬度和高度方向，坐標點(uv)表示圖像中第u列、第v行的像素點。相機光軸與圖像平面的交點為o1(u0v0)，此點為圖像的中心，以該點為原點，x軸和y軸分別沿圖像的寬度和高度方向，建立成像平面坐標系o1-xy。設每一個像素在x軸、y軸方向上的物理尺寸分別是dx、dy，則圖像上任意一個像素在兩個坐標系下有如下關系：

表達為矩陣形式：

綜上所述，可得任一點p的圖像坐標系坐標與世界坐標系坐標的變換關系：

式中，u0、v0四個參數(shù)只與相機內部結構有關，稱為相機內部參數(shù)；而矩陣r和向量t與相機的位置及姿態(tài)有關，而與相機結構無關，稱為相機外部參數(shù)。確定相機內、外部參數(shù)的過程，就是相機標定。實驗中相機標定方法采用基于棋盤格標定板的張正友標定法，即通過提取拍攝的黑白棋盤標定板圖像的特征點的坐標，利用極大似然估計法解得相機模型的內、外參數(shù)，實際操作中可以使用opencv或者matlab標定工具箱。

兩個工業(yè)相機(1)構成的雙目視覺測量系統(tǒng)測量方式的流程圖如圖4所示；

二、將步驟一中加速度傳感器(2)采集到的振動信號通過適調放大器調制后傳輸給端子板，再通過采集控制卡內部的a/d轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號后輸入計算機中，工業(yè)相機(1)采集到的振動信號直接輸入到計算機中；

三、計算機運行相應的主動控制算法，得到的振動控制信號經由采集控制卡的d/a轉換模塊輸出，通過端子板的信息傳遞，并經由電壓放大器放大信號后輸出給驅動控制部分，來抑制柔性鉸接板本體的振動；

四、改變控制參數(shù)，反復試驗，獲取多次實驗結果，得到柔性鉸接板本體的振動特性及控制效果。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內，根據本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明專利構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。