[发明专利]压电柔性板结构振动的视觉测量装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型柔性悬臂结构的弯曲振动和扭转角测量及主动控制，特别涉及压电柔性板结构振动的视觉测量装置及控制方法。

背景技术

航天飞行器的太阳能帆板通常以大型悬臂梁结构形式存在于太空环境中，并具有低刚度、小阻尼、固有频率低和低阶模态密集等特征。由于太空环境恶劣，宇宙风、粒子流的影响，以及航天器本身的机动等动作，极易引发航天器的太阳能帆板结构的持续振动。如果不采用有效的抑制措施，其大幅度的振动相应将延续很长时间，不仅影响到柔性结构本身的工作性能，而且通过与航天器主体的耦合作用，进而可产生影响航天器的姿态稳定和定向精度问题。

柔性化、大型化是各类航天结构的一个重要发展趋势，轻型结构可以增加有效载荷的重量，提高运载工具的效率；大型结构可以增加空间的功能和航天器设计、制造的灵活性。然而，由于大型柔性结构刚度低、柔性大，在无外阻的太空中运行时，极易受到外部激励作用而产生持续时间较长的低频大幅值振动，柔性悬臂板的振动包括低频弯曲和扭转模态耦合的振动。需要对低频振动进行测量，分析振动特性，控制柔性结构的振动，以保证柔性结构及其上各种精密仪器的正常工作。在当今世界各主要国家大力发展航空航天技术的背景下，太空条件下的大型柔性结构的振动测量和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。

现有的技术中，采用柔性悬臂板结构模拟太空帆板，研究结构的弯曲和扭转模态振动测量及主动控制，主要采用压电片、加速度传感器、形状记忆合金等传感器件，通过优化配置传感器，实现弯曲和扭转模态的测量及主动控制。但是，压电材料和形状记忆合金由于自身强度、疲劳寿命及耐温性能等因素，应用受到一定的限制；加速度传感器测量得到的信号中噪声相对较大，需要对信号进行滤波。上述传感器都是采用接触式测量方法，由于传感器需要与柔性结构直接接触，必将在柔性结构上增加一些物理效应（例如改变振动物体的频率、振幅等），影响测量结果的准确性和客观性。

中国专利申请CN200810218738公开的一种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，其装置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，但该装置很难根据目标物图像的具体情况确定出合适的阈值。

在大型柔性结构振动测量及主动控制的研究中，非接触测量则能避免上述弊端，且还能快速获取测量数据。非接触测量以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，获取反映结构振动的参数信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供压电柔性板结构振动的视觉测量装置及控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

压电柔性板结构振动的视觉测量装置，柔性板6一端固定在基座1上，在柔性板6的表面粘贴压电陶瓷驱动片；柔性板6另一端为自由端，自由端前方安装CCD相机9，CCD相机9光轴与静止时的柔性板6自由端面垂直，静止时的柔性板6自由端面处于CCD相机9视场范围的水平中间位置；CCD相机9上安装镜头8，镜头8前端安装光源7，CCD相机9输出端口与计算机10连接，计算机10与显示器11连接，计算机10与双通道D/A转换器12的输入端连接，双通道D/A转换器12与双通道电压放大器13连接，双通道电压放大器13与压电陶瓷驱动片连接。

所述压电陶瓷驱动片共有8片，压电陶瓷驱动片分别分布在柔性板6两侧，每面4片，双面对位粘贴，构成第一压电陶瓷驱动片对2、第二压电陶瓷驱动片对3、第三压电陶瓷驱动片对4、第四压电陶瓷驱动片对5；所述第一压电陶瓷驱动片对2、第二压电陶瓷驱动片对3同侧压电驱动连接的极性相同；第三压电陶瓷驱动片对4和第四压电陶瓷驱动片对5同侧压电驱动连接的极性相反。

所述的8片压电陶瓷驱动片的负极与柔性板6粘贴，第一压电陶瓷驱动片对2和第二压电陶瓷驱动片对3的两极分别连接双通道电压放大器13通道Ⅰ的两极；第三压电陶瓷驱动片对4和第四压电陶瓷驱动片对5的两极分别连接双通道电压放大器13通道Ⅱ的两极。

压电柔性板结构振动的视觉测量控制方法，控制方法步骤如下：

第一步：CCD相机9获取柔性板6发生的弯曲和扭转振动信息的图像序列，通过接口转换电路传输到计算机10；

第二步：计算机10根据第一帧图像中的柔性板6自由端位置和后续图像中柔性板(6)自由端的最大变化范围，确定图像ROI（Region Of Interest,感兴趣区域）；

第三步：计算机10采用快速并行中值滤波算法对ROI进行滤波减噪；