專利名稱：壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型柔性懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)角測量及主動控制，特別涉及壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
航天飛行器的太陽能帆板通常以大型懸臂梁結(jié)構(gòu)形式存在于太空環(huán)境中，并具有低剛度、小阻尼、固有頻率低和低階模態(tài)密集等特征。由于太空環(huán)境惡劣，宇宙風(fēng)、粒子流的影響，以及航天器本身的機動等動作，極易引發(fā)航天器的太陽能帆板結(jié)構(gòu)的持續(xù)振動。如果不采用有效的抑制措施，其大幅度的振動相應(yīng)將延續(xù)很長時間，不僅影響到柔性結(jié)構(gòu)本身的工作性能，而且通過與航天器主體的耦合作用，進而可產(chǎn)生影響航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和定向精度問題。柔性化、大型化是各類航天結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展趨勢，輕型結(jié)構(gòu)可以增加有效載荷的重量，提高運載工具的效率；大型結(jié)構(gòu)可以增加空間的功能和航天器設(shè)計、制造的靈活性。然而，由于大型柔性結(jié)構(gòu)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(chǎn)生持續(xù)時間較長的低頻大幅值振動，柔性懸臂板的振動包括低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合的振動。需要對低頻振動進行測量，分析振動特性，控制柔性結(jié)構(gòu)的振動，以保證柔性結(jié)構(gòu)及其上各種精密儀器的正常工作。在當(dāng)今世界各主要國家大力發(fā)展航空航天技術(shù)的背景下，太空條件下的大型柔性結(jié)構(gòu)的振動測量和主動控制就成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)性的重要課題?，F(xiàn)有的技術(shù)中，采用柔性懸臂板結(jié)構(gòu)模擬太空帆板，研究結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動測量及主動控制，主要采用壓電片、加速度傳感器、形狀記憶合金等傳感器件，通過優(yōu)化配置傳感器，實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的測量及主動控制。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(yīng)用受到一定的限制；加速度傳感器測量得到的信號中噪聲相對較大，需要對信號進行濾波。上述傳感器都是采用接觸式測量方法，由于傳感器需要與柔性結(jié)構(gòu)直接接觸，必將在柔性結(jié)構(gòu)上增加一些物理效應(yīng)(例如改變振動物體的頻率、振幅等)，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。中國專利申請CN200810218738公開的一種基于視覺的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻模態(tài)檢測方法與裝置，其裝置在撓性懸臂板自由端縱向中線安裝一 LED發(fā)光管，并在撓性懸臂板縱向中線的一側(cè)安裝另一 LED發(fā)光管，但該裝置很難根據(jù)目標(biāo)物圖像的具體情況確定出合適的閾值。在大型柔性結(jié)構(gòu)振動測量及主動控制的研究中，非接觸測量則能避免上述弊端， 且還能快速獲取測量數(shù)據(jù)。非接觸測量以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，獲取反映結(jié)構(gòu)振動的參數(shù)信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置及控制方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置，柔性板6 —端固定在基座1上，在柔性板6的表面粘貼壓電陶瓷驅(qū)動片；柔性板6另一端為自由端，自由端前方安裝CCD相機9，CCD相機9 光軸與靜止時的柔性板6自由端面垂直，靜止時的柔性板6自由端面處于CCD相機9視場范圍的水平中間位置；CCD相機9上安裝鏡頭8，鏡頭8前端安裝光源7，CCD相機9輸出端口與計算機10連接，計算機10與顯示器11連接，計算機10與雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12的輸入端連接，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12與雙通道電壓放大器13連接，雙通道電壓放大器13與壓電陶瓷驅(qū)動片連接。所述壓電陶瓷驅(qū)動片共有8片，壓電陶瓷驅(qū)動片分別分布在柔性板6兩側(cè)，每面4 片，雙面對位粘貼，構(gòu)成第一壓電陶瓷驅(qū)動片對2、第二壓電陶瓷驅(qū)動片對3、第三壓電陶瓷驅(qū)動片對4、第四壓電陶瓷驅(qū)動片對5 ；所述第一壓電陶瓷驅(qū)動片對2、第二壓電陶瓷驅(qū)動片對3同側(cè)壓電驅(qū)動連接的極性相同；第三壓電陶瓷驅(qū)動片對4和第四壓電陶瓷驅(qū)動片對5 同側(cè)壓電驅(qū)動連接的極性相反。所述的8片壓電陶瓷驅(qū)動片的負極與柔性板6粘貼，第一壓電陶瓷驅(qū)動片對2和第二壓電陶瓷驅(qū)動片對3的兩極分別連接雙通道電壓放大器13通道I的兩極；第三壓電陶瓷驅(qū)動片對4和第四壓電陶瓷驅(qū)動片對5的兩極分別連接雙通道電壓放大器13通道II的兩極。壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，控制方法步驟如下
第一步C⑶相機9獲取柔性板6發(fā)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動信息的圖像序列，通過接口轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)接嬎銠C10 ；
第二步計算機10根據(jù)第一幀圖像中的柔性板6自由端位置和后續(xù)圖像中柔性板(6) 自由端的最大變化范圍，確定圖像ROI (Region Of Interest,感興趣區(qū)域)； 第三步計算機10采用快速并行中值濾波算法對ROI進行濾波減噪； 第四步運用一階導(dǎo)數(shù)微分算子Roberts邊緣檢測算子對第三步中確定的ROI進行微分運算，初步確定柔性板6的邊緣信息；利用Hough變換檢測圖像中直線，修正初步確定的邊緣，獲取柔性板6自由端的邊緣信息；
第五步把由第四步獲取的柔性板6自由端的邊緣信息作為計算機10反饋信息，由計算機10產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12對控制信號進行D/A轉(zhuǎn)換，雙通道電壓放大器13放大控制電壓，驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動片。第二步處理第一幅圖像時，處理由圖像高度的1/10、全部寬度方向數(shù)據(jù)組成的 ROI ；計算出第一幅圖像中柔性板6自由端面的中心坐標(biāo)后，對于后續(xù)序列圖像，采用運動跟蹤方法確定ROI范圍，僅處理由同樣高度、100列寬度方向數(shù)據(jù)組成的R0I。第三步所述的快速并行中值濾波算法還可以采用改進的快速并行中值濾波算法模板在圖像中按行移動時，根據(jù)像素點所在的列與模板中應(yīng)該更新的列的關(guān)系 / = (j-2)%3 ； j是圖像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列，％表示求余運算。所述模板是是3x3模板，對于第1列(列數(shù)從0開始)的像素值，將該像素點的八鄰域像素值賦值給模板，按照快速并行中值濾波算法進行處理；而對于第j )列像素點，僅需將該像素點鄰域j+Ι列的像素值賦值給模板中C/ - 2)%3列和對模板中的υ — 2)%3列進行降序排列，%表示求余運算。第四步所述采用一階導(dǎo)數(shù)微分算子Roberts邊緣檢測算子，提取出圖像ROI中柔性板6自由端面的邊緣；通過求取圖像ROI中每行像素值的極大值點，初步得到柔性板6自由端面邊緣；運用Hough變換，檢測ROI中的直線，修正初步提取的邊緣；柔性板6自由端
面的中心即兩邊緣的中心=，將該中心坐標(biāo)與未振動時初始位置相減得到圖
像中柔性板自由端位移
權(quán)利要求
1.壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置，其特征在于柔性板(6)—端固定在基座(1) 上，柔性板(6)的表面粘貼壓電陶瓷驅(qū)動片；柔性板(6)另一端為自由端，自由端前方安裝 C⑶相機(9)，C⑶相機(9)光軸與靜止時的柔性板(6)自由端面垂直，靜止時的柔性板(6) 自由端面處于C⑶相機(9)視場范圍的水平中間位置；C⑶相機(9)上安裝鏡頭(8)，鏡頭 (8)前端安裝光源(7)，C⑶相機(9)輸出端口與計算機(10)連接，計算機(10)與顯示器 (11)連接，計算機(10)與雙通道D/A轉(zhuǎn)換器(12)的輸入端連接，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器(12)與雙通道電壓放大器(13)連接，雙通道電壓放大器(13)與壓電陶瓷驅(qū)動片連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置，其特征在于所述壓電陶瓷驅(qū)動片共有8片，分別分布在柔性板(6 )兩側(cè)，每面4片，雙面對位粘貼，構(gòu)成第一壓電陶瓷驅(qū)動片對(2)、第二壓電陶瓷驅(qū)動片對(3)、第三壓電陶瓷驅(qū)動片對(4)、第四壓電陶瓷驅(qū)動片對(5)；所述第一壓電陶瓷驅(qū)動片對(2)、第二壓電陶瓷驅(qū)動片對(3)同側(cè)壓電驅(qū)動連接的極性相同；第三壓電陶瓷驅(qū)動片對(4)和第四壓電陶瓷驅(qū)動片對(5)同側(cè)壓電驅(qū)動連接的極性相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量裝置，其特征在于所述的8 片壓電陶瓷驅(qū)動片的負極與柔性板(6)粘貼，第一壓電陶瓷驅(qū)動片對(2)和第二壓電陶瓷驅(qū)動片對(3)的兩極分別連接雙通道電壓放大器(13)通道I的兩極；第三壓電陶瓷驅(qū)動片對(4)和第四壓電陶瓷驅(qū)動片對(5)的兩極分別連接雙通道電壓放大器(13)通道II的兩極。
4.應(yīng)用權(quán)利要求廣3之一所述裝置壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，其特征在于控制方法步驟如下第一步C⑶相機(9)獲取柔性板(6)發(fā)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動信息的圖像序列，通過接口轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)接嬎銠C(10)；第二步計算機(10)根據(jù)第一幀圖像中的柔性板(6)自由端位置和后續(xù)圖像中柔性板 (6)自由端的最大變化范圍，確定圖像ROI ；第三步計算機(10)采用快速并行中值濾波算法對ROI進行濾波減噪；第四步運用一階導(dǎo)數(shù)微分算子Roberts邊緣檢測算子對第三步中確定的ROI進行微分運算，初步確定柔性板(6)的邊緣信息；利用Hough變換檢測圖像中直線，修正初步確定的邊緣，獲取柔性板(6)自由端的邊緣信息；第五步把由第四步獲取的柔性板(6)自由端的邊緣信息作為計算機(10)反饋信息， 由計算機(10)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器(12)對控制信號進行D/A轉(zhuǎn)換，雙通道電壓放大器(13)放大控制電壓，驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，其特征在于第二步處理第一幅圖像時，處理由圖像高度的1/10、全部寬度方向數(shù)據(jù)組成的ROI ；計算出第一幅圖像中柔性板(6)自由端面的中心坐標(biāo)后，對于后續(xù)序列圖像，采用運動跟蹤方法確定 ROI范圍，僅處理由同樣高度、100列寬度方向數(shù)據(jù)組成的R0I。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，其特征在于第三步所述的快速并行中值濾波算法還可以采用改進的快速并行中值濾波算法模板在圖像中按行移動時，根據(jù)像素點所在的列與模板中應(yīng)該更新的列的關(guān)系
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，其特征在于所述模板是是3x3模板，對于第1列(列數(shù)從0開始)的像素值，將該像素點的八鄰域像素值賦值給模板，按照快速并行中值濾波算法進行處理；而對于第j )列像素點，僅需將該像素點鄰域j+Ι列的像素值賦值給模板中(J - 2)%3列和對模板中的U - 2)%3列進行降序排列，％表示求余運算。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量控制方法，其特征在于第四步所述采用一階導(dǎo)數(shù)微分算子Roberts邊緣檢測算子，提取出圖像ROI中柔性板(6)自由端面的邊緣；通過求取圖像ROI中每行像素值的極大值點，初步得到柔性板(6)自由端面邊緣；運用Hough變換，檢測ROI中的直線，修正初步提取的邊緣；柔性板(6)自由端面的中心即兩邊緣的中心C^fer = If^，將該中心坐標(biāo)與未振動時初始位置相減得到圖像中拽 -ι柔性板自由端位移u =CWsr-^0 ,利用標(biāo)定得到的圖像坐標(biāo)系中距離與世界坐標(biāo)系中距離之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算得到柔性板(6)自由端面中心的實際位移= ；在圖像坐標(biāo)系空間中，利用最小二乘法，將柔性板(6)自由端面兩直線邊緣參數(shù)化，得到兩直線邊緣為 Γ V1，柔性板(6)扭轉(zhuǎn)角為-m\y2 = ^x+b2θ. = ar Ctan(I) — arctm(k )其中巧為圖像中自由端面兩平行直線邊緣上第,個像素水平坐標(biāo)， 表示自由端面兩平行直線邊緣上的像素總數(shù)，^0表示圖像中柔性板(6)靜止時自由端面水平中心坐標(biāo)，I是圖像坐標(biāo)系下距離與世界坐標(biāo)系下距離之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，h、h分別代表兩邊緣直線在縱坐標(biāo)上的截距，λ為圖像中自由端兩平行直線邊緣的斜率，l·:為柔性板(6)靜止時圖像中自由端面兩平行直線邊緣的斜率。
全文摘要
本發(fā)明公開了壓電柔性板結(jié)構(gòu)振動的視覺測量及控制裝置。為了檢測柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，在柔性板自由端前方安裝CCD相機，保證相機光軸與柔性板在靜止時自由端面垂直；并且振動時自由端邊緣的ROI區(qū)域始終處于相機視場范圍內(nèi)。CCD相機測量邊緣的振動的每一幀圖像，計算機處理檢測的圖像序列，提取自由端面邊緣，并采用提出的算法獲取反映柔性板結(jié)構(gòu)低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的參數(shù)。在柔性板兩側(cè)對稱布置壓電片作為驅(qū)動器，并通過對壓電片的合理組合及施加電壓方式，得到驅(qū)動柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的驅(qū)動器。以視覺測量的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動信號，處理后分別進行反饋控制柔性板振動。
文檔編號G01H9/00GK102322938SQ20111024111
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者張祥通, 邱志成 申請人:華南理工大學(xué)