基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置及方法與流程

本發明涉及柔性結構的定位和振動檢測領域，具體涉及一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置及方法。

背景技術：

航天器進入目標軌道后，太陽能帆板展開，板間鉸鏈處于鎖定狀態，此時兩板間的位置關系固定，太陽能帆板可以被近似地看作為薄的矩形板，由于此時太陽能帆板結構尺寸大、剛度低、柔性高，當受到外界擾動作用時會產生強烈而持續的振動，振動可能導致航天器或衛星本體的失穩，因此對太陽能帆板振動特性的研究具有重大意義。

碳纖維、鋁蜂窩復合材料以其比強度高、比剛度大、重量輕、隔熱抗振、熱膨脹系數可設計等優異性能，在航天器艙板結構、設備支架、太陽翼基板等方面得到廣泛應用。復合材料蜂窩夾芯結構由三種基本材料組合而成，包括上下面板、芯層以及粘接芯層與面板之間的膠粘劑，上下表面由薄面板構成，提供彎曲剛度、平面拉壓及剪切剛度；中間蜂窩芯較厚，密度低，它將上、下面板隔開，為橫向剪應力流提供傳遞路徑；粘接層連接蜂窩芯和面板，便于載荷傳遞。

在大型柔性結構振動測量及主動控制的研究中，利用雙目視覺系統測量結構的振動有其獨特的優勢。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更精確。數字圖像相關方法是根據物體表面隨機分布的光斑場在振動前后的統計相關性來確定物體的振動信息，該方法具有實時、非接觸、高精度、全景式測量、對被測物體干擾小等優點。傳統的二維數字圖像相關方法只能測量二維位移和應變，而基于雙目立體視覺原理和數字圖像相關方法能實現對物體的三維位移測量。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術的缺點和不足，提供了一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置，以實現對鉸接蜂窩板本體振動的非接觸、實時準確測量。

本發明的另一目的在于提供一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測方法。

本發明的目的可以通過如下技術方案實現：

一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置，包括鉸接蜂窩板本體部分、投影測量部分、振動激勵部分和計算機，所述鉸接蜂窩板本體部分包括三塊材料、尺寸相同的蜂窩夾芯板，分別為第一蜂窩夾芯板、第二蜂窩夾芯板和第三蜂窩夾芯板，每兩塊蜂窩夾芯板之間通過上下對稱位置的兩個板間鉸鏈連接在一起，構成的鉸接蜂窩板本體的第一蜂窩夾芯板端通過夾板和鋼架機械連接到金屬支座上，金屬支座垂直固定在水平放置的實驗臺座上，鉸接蜂窩板本體的另一端為自由端，且鉸接蜂窩板本體與實驗臺座的水平面垂直；所述投影測量部分包括投點器和兩個工業相機，投點器和兩個工業相機都固定在腳架上，投點器的鏡面正對鉸接蜂窩板本體表面，兩個工業相機分別安裝在投點器的兩側，保證其視場范圍充分包含第二蜂窩夾芯板和第三蜂窩夾芯板；所述振動激勵部分包括三個同型號的激振器和配套使用的高壓放大器，三個激振器均勻分布在第一蜂窩夾芯板靠近金屬支座的寬度方向上，上下兩個激振器的位置關于寬度方向中線對稱，中間位置的激振器位于寬度方向中線上。

進一步地，所述蜂窩夾芯板由蜂窩芯、粘結層和面板組成，粘結層將上下兩層面板與蜂窩芯膠結成為一個整體的剛性結構。

進一步地，所述板間鉸鏈由公鉸、母鉸、卷簧、銷軸、鎖定擺桿和偏心螺釘組成，當板間鉸鏈展開時，公鉸和母鉸在驅動元件卷簧的作用下繞銷軸相對轉動，在轉動過程中鎖定擺桿上的柱銷先沿著公鉸上的展開滑道滑動，在展開過程的末期沿公鉸上的鎖緊槽的左側滑入并最終卡在鎖緊槽底部；在鎖定狀態下，蜂窩夾芯板間的位置關系固定，鉸接蜂窩板本體充分展開，此狀態下的鉸接蜂窩板本體能夠視作一塊整體矩形板。

進一步地，所述基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置能夠用來模擬并研究太陽能帆板展開后其本體的振動特性。

本發明的另一目的可以通過如下技術方案實現：

一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、計算機發出的振動激勵信號經a/d轉換后傳輸至高壓放大器，信號經高壓放大器放大后傳輸給三個激振器，激振器根據信號的不同組合形式激勵鉸接蜂窩板本體彎曲或扭轉振動；

步驟二、打開投點器，將光斑均勻投射至第二蜂窩夾芯板和第三蜂窩夾芯板表面，形成具有連續特征區域的光斑場，利用兩個工業相機組成的雙目視覺測量系統對鉸接蜂窩板振動本體采集連續的圖像，在圖像上劃分并選取感興趣的特征子區域，運行相應的數字圖像相關算法，獲得感興趣區域的三維坐標信息，從而間接得到鉸接蜂窩板本體的振動信息；

步驟三、通過改變激勵信號的形式、頻率、幅值參數，反復試驗，獲取多次實驗結果，得到鉸接蜂窩板本體的振動特性。

進一步地，步驟一中，通過給三個激振器傳輸同頻率、同相位的激勵信號，能夠激勵起鉸接蜂窩板本體的彎曲振動；通過給上下兩端的激振器傳輸同頻率、反相位的信號，能夠激勵起鉸接蜂窩板本體的扭轉振動。

進一步地，步驟二中，在采集的連續圖像上劃分并選取感興趣的特征子區域，以此作為振動檢測的參考位置，通過匹配振動前后包含該子區域的圖像，分析該位置振動前后的統計相關性來確定、提取出鉸接蜂窩板振動本體的振動位移信息，通過改變感興趣區域的數量及其在鉸接蜂窩板振動本體上的位置，檢測過程中能夠同時采集得到鉸接蜂窩板本體不同部位的振動信息，以此能夠用來測量鉸接蜂窩板的多階模態耦合振動，實現振動的解耦。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1、本發明利用投點器投射標志點結合相機檢測的方式，一方面能夠實現對鉸接蜂窩板振動的完全無接觸式測量，測量結果具有較高的準確性；另一方面相比于在振動本體表面涂敷斑點，投射光斑的方式高效、易行，并且投射出來的光斑形狀規則、抑制性好，能夠充分簡化后續的圖像分析及處理的操作，為數字圖像相關的振動檢測方法提供了良好的基礎。

2、本發明的基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置能夠用來研究鉸鏈連接處的非線性特性對振動系統的影響，板間鉸鏈的零部件連接處由于存在摩擦等非線性因素，會給鉸接蜂窩板的振動帶來影響，本裝置中同時檢測第二塊鉸接蜂窩板和第三塊鉸接蜂窩板的振動情況，采集得到的數據能夠用來研究鉸鏈本身的動力學特性。本裝置模擬了鉸鏈處非線性特性影響下的太陽能帆板的振動，為深入研究其振動特性提供了良好的基礎。

3、本發明所述振動檢測裝置采用鉸接蜂窩板和軸銷式鉸鏈結構來模擬太陽能帆板結構，能更真實地還原其在太空中的振動情況，通過測量分析得到的振動特性也對航天器太陽能帆板結構的設計、制造有指導作用。

4、本發明采用數字圖像相關的方法對實驗對象進行振動檢測，圖像處理和分析時根據感興趣區域的統計特性來提取振動信息，相比于傳統的對單個標志點進行信息提取，該方法利用了更多的圖像信息，使得測量獲得的振動信號更精確。

附圖說明

圖1為本發明實施例1基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置總體結構示意圖。

圖2為本發明實施例1板間鉸鏈的結構示意圖。

圖3為本發明實施例1蜂窩夾芯板的結構示意圖。

圖4為本發明實施例2投射點形成的光斑場示意圖。

圖5為本發明實施例2數字圖像相關算法匹配振動前后包含子區域圖像的原理示意圖。

其中，1-腳架，2-工業相機，3-投點器，4-第三蜂窩夾芯板(4-1-蜂窩芯，4-2-粘結層，4-3-面板)，5-板間鉸鏈(5-1-公鉸，5-2-卷簧，5-3-滑道，5-4-母鉸，5-5-偏心螺釘，5-6-銷軸，5-7-鎖定擺桿，5-8-柱銷)，6-第二蜂窩夾芯板，7-第一蜂窩夾芯板，8-激振器，9-鋼架，10-金屬支座，11-實驗臺座，12-高壓放大器，13-計算機。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發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數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置，包括鉸接蜂窩板本體部分、投影測量部分、振動激勵部分和計算機(13)，所述鉸接蜂窩板本體部分包括三塊材料、尺寸相同的蜂窩夾芯板，分別為第一蜂窩夾芯板(7)、第二蜂窩夾芯板(6)和第三蜂窩夾芯板(4)，每兩塊蜂窩夾芯板之間通過上下對稱位置的兩個板間鉸鏈(5)連接在一起，構成的鉸接蜂窩板本體的第一蜂窩夾芯板端通過夾板和鋼架(9)機械連接到金屬支座(10)上，金屬支座(10)垂直固定在水平放置的實驗臺座(11)上，鉸接蜂窩板本體的另一端為自由端，且鉸接蜂窩板本體與實驗臺座(11)的水平面垂直；所述投影測量部分包括投點器(3)和兩個工業相機(2)，投點器(3)和兩個工業相機(2)都固定在腳架(1)上，投點器(3)的鏡面正對鉸接蜂窩板本體表面，兩個工業相機(2)分別安裝在投點器(3)的兩側，保證其視場范圍充分包含第二蜂窩夾芯板(6)和第三蜂窩夾芯板(4)；所述振動激勵部分包括三個同型號的激振器(8)和配套使用的高壓放大器(12)，三個激振器(8)均勻分布在第一蜂窩夾芯板(7)靠近金屬支座(10)的寬度方向上，上下兩個激振器(8)的位置關于寬度方向中線對稱，中間位置的激振器(8)位于寬度方向中線上。

所述蜂窩夾芯板的結構圖如圖3所示，由蜂窩芯(4-1)、粘結層(4-2)和面板(4-3)組成，粘結層(4-2)將上下兩層面板(4-3)與蜂窩芯(4-1)膠結成為一個整體的剛性結構。所述板間鉸鏈(5)的結構圖如圖2所示，由公鉸(5-1)、母鉸(5-4)、卷簧(5-2)、銷軸(5-6)、鎖定擺桿(5-7)和偏心螺釘(5-5)組成，當板間鉸鏈(5)展開時，公鉸(5-1)和母鉸(5-4)在驅動元件卷簧(5-2)的作用下繞銷軸(5-6)相對轉動，在轉動過程中鎖定擺桿(5-7)上的柱銷(5-8)先沿著公鉸(5-1)上的展開滑道(5-3)滑動，在展開過程的末期沿公鉸(5-1)上的鎖緊槽的左側滑入并最終卡在鎖緊槽底部；在鎖定狀態下，蜂窩夾芯板間的位置關系固定，鉸接蜂窩板本體充分展開，此狀態下的鉸接蜂窩板本體能夠視作一塊整體矩形板。

所述基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測裝置能夠用來模擬并研究太陽能帆板展開后其本體的振動特性。

本實施例中使用的三塊蜂窩板夾芯板的尺寸均為500mm×500mm×16.3mm，其中蜂窩芯的每一個胞元的形狀均為規則的正六邊形，邊長6mm，壁厚0.07mm，高15mm，材料牌號為a3003-h19，面板厚度為0.5mm，采用環氧樹脂材料。環氧樹脂的彈性模量為ep＝34.64gpa，密度為ρ＝1840kg/m³。工業相機(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。投點器(3)選用geodeticsystem公司生產的型號為pro-spot/a的投點器，單次可投射600-2300個點，精度可達10μm。激振器(8)選用cedrattechnologies公司生產的型號為apa1000xl的激振器，無載荷情況下其能產生的最大位移量為1297um，激勵力最大為471.21n，精度可達10.99nm；高壓放大器(12)選用tegam公司生產的型號為2350的雙通道放大器，峰值最大400vp-p。

實施例2：

本實施例提供了一種基于數字圖像相關算法的鉸接蜂窩板振動檢測方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、計算機(13)發出的振動激勵信號經a/d轉換后傳輸至高壓放大器(12)，信號經高壓放大器(12)放大后傳輸給三個激振器(8)，激振器(8)根據信號的不同組合形式激勵鉸接蜂窩板本體彎曲或扭轉振動；

本步驟中，通過給三個激振器(8)傳輸同頻率、同相位的激勵信號，能夠激勵起鉸接蜂窩板本體的彎曲振動；通過給上下兩端的激振器(8)傳輸同頻率、反相位的信號，能夠激勵起鉸接蜂窩板本體的扭轉振動。

步驟二、打開投點器(3)，將光斑均勻投射至第二蜂窩夾芯板(6)和第三蜂窩夾芯板(4)表面，投射點形成的光斑場示意圖如圖4所示，形成具有連續特征區域的光斑場，利用兩個工業相機(2)組成的雙目視覺測量系統對鉸接蜂窩板振動本體采集連續的圖像，在圖像上劃分并選取感興趣的特征子區域，運行相應的數字圖像相關算法，獲得感興趣區域的三維坐標信息，從而間接得到鉸接蜂窩板本體的振動信息；

本步驟中，在采集的連續圖像上劃分并選取感興趣的特征子區域，以此作為振動檢測的參考位置，通過匹配振動前后包含該子區域的圖像，分析該位置振動前后的統計相關性來確定、提取出鉸接蜂窩板振動本體的振動位移信息，通過改變感興趣區域的數量及其在鉸接蜂窩板振動本體上的位置，檢測過程中能夠同時采集得到鉸接蜂窩板本體不同部位的振動信息，以此能夠用來測量鉸接蜂窩板的多階模態耦合振動，實現振動的解耦。

其中，數字圖像相關算法匹配振動前后包含子區域圖像的原理示意圖如圖5所示，其中一幅圖像作為參考圖像，表示為f(x,y)，另一幅作為待匹配圖像，表示為g(x,y)，二維數字相關方法通過相關運算來匹配兩幅圖像，獲得位移場。在參考圖像f(x,y)中選一個以m(x0,y0)為中心的(2n+1)×(2n+1)的子區，利用子區中的灰度信息，通過一定的相關匹配算法，在待匹配圖像g(x,y)中的待匹配區域進行逐行掃描操作，找到以m′(x0′,y0′)為中心的目標圖像子區，圖像子區可根據要提取的振動信息自行劃分和選擇。

三維數字相關方法將二維數字相關方法與雙目立體視覺測量相結合，在三維數字相關方法的測量過程中匹配包含兩個環節：二維匹配和立體匹配。二維匹配指同一相機采集的物體振動前后圖像的匹配，立體匹配指同一時刻左右圖像的匹配，其中立體匹配過程也可采用圖5所示的匹配方法。

本實施例中采用的相似度判別準則為歸一化互相關(ncc)，計算公式為：

該算法計算得到的相關系數矩陣的ncc(x,y)的范圍為[-1,1]，系數為1的位置表示完全匹配，-1表示糟糕的匹配，0表示無相關性。考慮到干擾噪聲等因素的影響，最佳匹配位置的相關系數通常取0.8。

步驟三、通過改變激勵信號的形式、頻率、幅值參數，反復試驗，獲取多次實驗結果，得到鉸接蜂窩板本體的振動特性。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發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明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明專利構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。