[发明专利]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

说明书

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，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，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α，绕y坐标轴旋转β，绕z坐标轴旋转γ；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Δx₂＝x₂-x₂₀-l(1-cosθ)；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