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专利名称：基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大型柔性悬臂板结构振动检测，特别是涉及一种模拟大型太空帆板结构的 弯曲和扭转低频模态振动检测装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空帆板悬 臂挠性板结构，应用基于计算机视觉进行弯曲和扭转低频模态振动测量的装置和方法。
背景技术：
航天器空间挠性附件结构系统的的大型化、低刚度与柔性化是航天器结构的一个重要 发展趋势。大型结构可以增加空间结构的功能，降低了发射成本，大型柔性附件的使用增 加了航天器设计和制造的灵活性，如大型太阳能电池阵的太空帆板可为空间结构提供更加 充足能源。这种巨大而单薄的结构，其振动的低阶模态频率很低，所以要进行低频模态进 行控制。对于大型挠性悬臂板，其振动包括低频弯曲和扭转模态耦合的振动。特别在太空条 件下的大型柔性结构振动的测量与主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要 课题。
现有技术中，研究模拟太空帆板的挠性悬臂板结构的弯曲模态和扭转模态振动检测和 主动振动控制，主要有采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺，形状记忆合金等通过优 化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。压电材料PZT陶瓷 材料作为敏感器和多个加速度传感器或者结合角速率陀螺通过优化配置实现对挠性悬臂板 弯曲和扭转振动模态的检测和测量解耦。但压电陶瓷材料PZT为脆性材料，材料的强调和 疲劳寿命以及太空环境温度等影响，所以应用有一定的限制；加速度传感器的测量噪声相 对较大，这需对振动信号的滤波处理，并且加速度传感器信号和角速率陀螺检测的振动信 号还耦合航天器本体的加速度和角速率信号，在实际应用中还需要将航天器本体的信号解 耦掉。所以本发明采用基于视觉的太空帆板弯曲和扭转振动模态的检测和解耦。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟柔性太空帆板结构弯曲和扭转 模态低频振动的检测装置。
为了达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案
基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置该装置的挠性板通过机械支架夹
持装置固定为悬臂板，并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一 CCD相机，CCD相机的光 轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机相对挠性悬臂板固定端的位置和姿态确定， 在挠性悬臂板自由端纵向中线安装一 LED发光管，并在挠性悬臂板纵向中线的一侧安装另 一 LED发光管，两个LED发光管安装后的距离的范围为CCD相机在端部纵向成像最大范围 的l/2 2/3之间，这样在利用两个发光管的中心作为视觉检测的特征点时，保证两发光管 中心的距离保证在按位置和姿态固定安装相机后，CCD相机固定安装时相对景物点坐标系 的位置和姿态保证在挠性板弯曲和扭转振动的最大振幅时，在相机检测的视场范围内；这 里位置是指景物点(挠性悬臂板)的坐标原点在相机坐标系中的位置；这里相机姿态是指 固定安装CCD相机后，CCD相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态关系，即分解为绕x 坐标轴旋转仏绕y坐标轴旋转/ ，绕z坐标轴旋转/;在电信号连接上，视觉CCD相机通过 1394网卡与计算机连接，计算机联显示器，二发光管在工作时供电发光；当挠性悬臂板进 行弯曲和扭转振动时，CCD相机将检测到两个LED发光管的位置变化信息，并传输到计算 机，进行特征提取处理后，运行解耦算法就可以得到挠性悬臂板的低频弯曲和扭转振动模 态信息。
所述两LED发光管位置位于挠性板的同一纵向剖视线上，即两个LED发光管距离挠性 悬臂板固定端的尺寸相等。
应用所述装置进行基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测的方法通过相机标 定后，当挠性悬臂板被激励弯曲和扭转模态振动时，CCD相机分别拍摄LED发光管之一、 LED发光管之二的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传递给计算机，计算机提取LED 发光管之一、LED发光管之二位置图像特征后分别得到其圆形轮廓，计算机分别提取出LED 发光管之一、LED发光管之二的中心点的坐标，运行解耦方法后就可以得到反映弯曲和扭 转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发光管之二检测挠性悬臂板在弯曲 振动模态时与未振动时初始位置的横向位移Ax2 =x2-x2Q-/(l-cos。；扭转振动模态参数
为两LED发光管连线与初始位置时两LED发光管连线之间的角度<formula>formula see original document page 4</formula>A为LED发光管之一的横向位置，x,为LED发光管之二的横向位置，x,。为LED发光管 之二的横向初始位置，A^为LED发光管之二的横向位置的变化梁，/为LED发光管之二的
中心点距离挠性板中面的距离，/根据测量得到，x^根据装置建立后利用CCD相机标定得 到；x和a利用ccd相机视觉系统测量后特征提取得到。 本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果
(1) 利用视觉检测可以很容易直观得到反映模拟太空帆板的大型挠性悬臂板的低频弯 曲和扭转振动的信息，并很容易实现其解耦，相对于加速度传感器和角速率陀螺传感器含 有大量的测量噪声来说，采用视觉检测有一定的优势；同时，相对压电陶瓷材料的脆性， 容易破坏以及粘贴要求等因素来说，采用非接触式的视觉测量具有一定的优势。
(2) 对于模拟太空帆板的低频弯曲和扭转振动检测来说，采用加速度传感器和加速率 陀螺等所检测的信息还会耦合航天器本体的转动加速度和角速率等信息，用这类传感器在 测量弯曲和扭转模态的振动时，需要采用相应的措施或解算将本体的这些信息去掉，而利 用视觉传感器相机时，只要相机相对本体固定，就可以不用采取措施解算去掉本体运动信 息就可以直接反映出挠性悬臂板的弯曲和扭转模态的低频振动信息。


图1是本发明的一种可选实施实例试验装置组成示意图。 图2是图1可选实例挠性板装置的局部右视图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限 于实施例表达的范围。
如图l、 2所示，基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置，包括机械支架夹 持装置，CCD相机1、挠性悬臂板2、 LED发光管之一3、 LED发光管之二 4、计算机5、液 晶显示器6组成；CCD相机1通过1394网卡与计算机5连接，利用CCD相机1作为传感器 检测挠性悬臂版低频模态振动。并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一 CCD相机，CCD 相机1的光轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机1相对挠性悬臂板2固定端的 位置和姿态确定，在挠性悬臂板2自由端纵向中线安装一LED发光管之二4，并在挠性悬 臂板纵向中线的一侧安装另一LED发光管3，即位于LED发光管之二4上或下端，两个LED 发光管3和4安装后的距离的范围为CCD相机l在端部纵向成像最大范围的l/2 2/3之间， 这样在利用两个发光管3、 4的中心作为视觉检测的特征点时，保证两发光管3和4中心的 距离保证在按位置和姿态固定安装CCD相机1后，CCD相机1固定安装时相对景物点(挠
性悬臂板)坐标系的位置和姿态保证在挠性板弯曲和扭转振动的最大振幅时，在相机检测
的视场范围内；这里位置是指景物点的坐标原点在相机坐标系中的位置[^,;vA]T;这里 相机姿态是指固定安装CCD相机后，CCD相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态关系， 即分解为绕义坐标轴旋转《，绕少坐标轴旋转A绕z坐标轴旋转p在电信号连接上，视觉 CCD相机通过1394网卡与计算机连接，计算机联显示器，二发光管在工作时供电发光；当 挠性悬臂板进行弯曲和扭转振动时，CCD相机1将检测到两个LED发光管3和4的位置变 化信息，并传输到计算机5，进行特征提取处理后，运行解耦算法就可以得到挠性悬臂板 的低频弯曲和扭转振动模态信息。
CCD相机1固定安装，二发光管3和4的安装使得当挠性悬臂板进行弯曲和扭转振动 时，保证二发光管3和4的运动在CCD相机1测量视场范围内；并且两LED发光管3和4 的位置位于挠性板的同一纵向剖视线上，即两个LED发光管3和4距离挠性悬臂板2固定 端的尺寸相等。
应用上述装置进行大型挠性悬臂板弯曲和扭转低频振动模态检测的方法，通过CCD相 机1标定后，当挠性悬臂板2进行弯曲和扭转模态振动时，CCD相机1分别拍摄LED发光 管之一 3、 LED发光管之二 4的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传递给计算机5， 计算机5提取LED发光管之一 3、 LED发光管之二 4位置图像特征后分别得到其圆形轮廓， 计算机5分别提取出LED发光管之一 3、 LED发光管之二 4的中心点的坐标，运行解耦方法 后就可以得到反映弯曲和扭转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发光管 之二 4检测挠性悬臂板在弯曲振动模态时与未振动时初始位置的横向位移
Ax2 = x2 -x2。 -/(l-cos力；扭转振动模态参数利用两LED发光管连线与初始位置时两LED
这里的参数说明如下
^为LED发光管之二4的横向位置，A。为LED发光管之二4的横向初始位置，Ax2为 LED发光管之二 4的横向位置的变化梁，/为LED发光管之二 4的中心点距离挠性板中面的 距离，^为LED发光管之一 3的横向位置，e为两LED发光管连线与初始位置时两LED发
光管连线之间的角度；其中/根据测量得到，^。根据装置建立后利用CCD相机标定得到； 和A利用CCD相机视觉系统测量后特征提取得到；反映低频弯曲模态振动信息的参数Ax2
由方程式<formula>formula see original document page 7</formula>钩得到，反映扭转模态的参数(9由方程式
sin 6
得到'
具体过程如下
在利用视觉传感器,进行挠性悬臂板弯曲和扭转模态进行检测时，首先进行相机标定； 目的是确定相机的象素点坐标(r,c)和被测量物体在相机视场的点坐标(x，;^)之间关系的
所有参数，这里象素点坐标(r,c)中的r、 c分别指在象素点坐标系中的象素的行与列的数
值，被测量物体在相机视场的点坐标(x,乂z)中x、》z指在摄像机成像坐标系中的坐标值。
单目二维视觉测量的相机固定安装，相机安装的位置和姿态固定，通过相机标定后就确定 了相机的内部参数和外部参数。这样就可以运算出象素点坐标(r,c)与相机视场的被测点二
维坐标(x,刃的关系。通过相机就可以测量出表达被测量点在世界坐标系下的特征点坐标，
在本装置中就是LED发光管之一 3和LED发光管之二 4的二维坐标(x,少)就可以通过相机检
测确定。
景物坐标系(JC,yZ)转换到摄像机成像坐标系(Xe,K,^)中表达的关系为
<formula>formula see original document page 7</formula>其中，及和/;分别为相机的坐标系相对景物点坐标系之间的姿态矩阵和位置关系，分
别为:
<formula>formula see original document page 7</formula>
象素点坐标(r，cO和摄像机成像坐标系^,尺，Z。)之间的转换关系为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中( oJ为象素点的原点，^ 二"J是A:轴方向的放大系数，、^a/l是y轴方向
的放大系数，、= /1是^:轴方向和y轴方向的耦合放大系数；这里^和^分别为成像 平面到x轴和y轴方向的放大系数，/i是摄像机的焦距。
二维坐标(x,y)的视图面就是图2所示图面的坐标系。
通过测量特征提取后得到发光管的圆形轮廓，通过运行轮廓经过相应的运算就可以确
定led发光管之一 3和led发光管之二 4的中心点二维坐标分别为(a,乂)和(x2,h)。设挠
性悬臂板静止时标定出led发光管之二 4的横坐标A。。
由于led发光管之二4安装在挠性悬臂板端部纵向(即y方向)中间位置，led发光 管之一 3和led发光管之二 4在z方向尺寸相等，led发光管之一 3安装在y方向偏离led 发光管之二 4 一定距离，保证相机1按适当的姿态固定安装后，led发光管之一 3和led 发光管之二4都在相机的视场范围内。根据挠性悬臂板的振动特点可知，挠性悬臂板在弯 曲和扭转模态振动时，led发光管之一 3和led发光管之二 4在z方向上的位移相对非常 �。�并且这里采用单目视觉(单个相机)进行二维视觉测量，所以根据测量两发光管在x-y 坐标系的坐标关系，就可以解算出关于弯曲和扭转振动模态的信息。弯曲振动模态可以通 过检测led发光管之二4的横坐标^得到。当纯弯曲振动时，led发光管之一 3和led发
光管之二4的中心点仅在横坐标A和;^变化，并且二者的变化数值相同。并且两个发光管
的纵坐标乂和力不变。反映弯曲模态可用位移变化来表达，即
当挠性悬臂板同时有弯曲和扭转耦合振动模态时，利用led发光管之一 3和led发光 管之二4的中心点坐标(x,，M)和(^,h)的几何关系求解出弯曲和扭转振动模态。具体解算
方法为
设挠性悬臂板端部安装两个发光管连线的扭转角度为e，则扭转角度^可表达为<formula>formula see original document page 8</formula>
通过上式可以求出扭转角度e，这样就可以通过该角度检测反映出扭转模态的振动。
设led发光管之二 4中心点距离挠性板纵向中线的板厚度中间面的距离为/,该距离很 �。�等于发光管的半径与悬臂板厚度一半之和。此时，对于弯曲模态的信息可以通过led 发光管之二4的横向(X轴方向)坐标位移的变化反映出来
<formula>formula see original document page 9</formula>
这样，挠性悬臂板的弯曲和扭转低频模态通过视觉装置就可以检测出来。并且实现了 大型挠性悬臂板低频弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦。
权利要求
1、基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置，其特征在于该装置的挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，并且在挠性悬臂板靠近固定端固定安装一视觉CCD相机，视觉CCD相机的光轴线位于相对挠性悬臂板中线的外侧，CCD相机相对挠性悬臂板固定端的位置和姿态确定，在挠性悬臂板自由端纵向中线安装一LED发光管，并在挠性悬臂板纵向中线的一侧安装另一LED发光管，两个LED发光管安装后的距离的范围为CCD相机在端部纵向成像最大范围的1/2～2/3之间；视觉CCD相机通过1394网卡与计算机连接，计算机联显示器。
2、 根据权利要求l所述的基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测装置，其特征 在于两LED发光管位置位于挠性板的同一纵向剖视线上。
3、 应用权利要求1所述装置进行基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测的方 法，其特征在于通过相机标定后，当挠性悬臂板被激励弯曲和扭转模态振动时，CCD相 机分别拍摄LED发光管之一、LED发光管之二的位置变化图像，并通过1394网卡将信号传 递给计算机，计算机提取LED发光管之一、LED发光管之二位置图像特征后分别得到其圆 形轮廓，计算机分别提取出LED发光管之一、LED发光管之二的中心点的坐标，运行解耦 方法后就可以得到反映弯曲和扭转模态振动的参数，其中弯曲振动模态的参数利用LED发 光管之二检测挠性悬臂板在弯曲振动模态时与未振动时初始位置的横向位移 <formula>formula see original document page 2</formula>；扭转振动模态参数为两LED发光管连线与初始位置时两LED发《为LED发光管之一的横向位置，A为LED发光管之二的横向位置，为LED发光管 之二的横向初始位置，为LED发光管之二的横向位置的变化梁，/为LED发光管之二的 中心点距离挠性板中面的距离，/根据测量得到，A。根据装置建立后利用CCD相机标定得 到x1；x2c,和利用CCD相机视觉系统测量后特征提取得到。
全文摘要
本发明公开了基于视觉的太空帆板弯曲和扭转低频模态检测方法与装置。该装置在靠近挠性板固定端固定安装一相机，在挠性悬臂板靠近自由端纵向中线安装一LED发光管，并在纵向距离中线一侧另一LED发光管，这两个发光管安装后，保证在激励挠性悬臂板的弯曲和扭转模态振动时，在相机的视场范围内。挠性悬臂板振动时，通过相机检测随着挠性悬臂板振动而运动的二发光管中心点的位置坐标，并经过解耦运算，最终得到反映挠性悬臂板低频弯曲和扭转振动模态的检测相应参数，该检测装置为模拟太空帆板的大型挠性悬臂板弯曲和扭转模态的振动分析和振动控制提供传感信号的目的，实现了大型悬臂板的弯曲和扭转低频振动模态在检测上的解耦。
文档编号G01H9/00GK101387546SQ200810218738
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者邱志成 申请人:华南理工大学