基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置及方法與流程

本發明涉及柔性結構振動檢測與控制領域，具體涉及一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置及方法。

背景技術：

隨著航空業的飛速發展，飛機在貨物運輸和旅客運輸方面扮演著一個越來越重要的角色，包括在航天飛行器上的運用和功能性無人機的發展上面，“飛機”這一個二十世紀最偉大的發明之一，越來越變成了當今世界一個不可或缺的工具。在飛機的設計和實際應用當中，機翼的振動是其中一個相當重要和關鍵的考慮因素，如果沒有有效抑制飛機機翼振動的手段，在飛機飛行的過程當中，振動會使機翼產生機械疲勞，在應力和應變作用下，若一處或者若干處產生損傷，經過一段時間過后，當損傷累積到一定程度時，會產生裂紋甚至發生突發性斷裂。機翼的振動不但會對機翼上的梁、翼肋、翼根等部件造成損傷，降低它們的使用壽命，嚴重時更會影響到飛機的正常飛行，導致飛機的飛行中斷甚至是墜毀，造成嚴重的經濟損失并對飛機上的乘客以及技術人員的生命造成嚴重威脅。在這樣的一個背景之下，飛機柔性機翼的振動抑制成為了航空研究領域里面一個愈發受到重視的課題方向。

機翼的振動，在航空研究領域又名顫振，當飛行的速度達到一定的數值，即達到顫振的臨界速度的時候，機翼的部件在氣動力、彈性力和慣性力的相互作用下，會發生一個不衰減的振動，主要原因是機翼上表面的氣流發生分離引起了大量的渦流，不斷地在機翼上產生，又不斷地離開機翼，使機翼上表面的氣流分離現象時而嚴重，時而緩和，這種變化會使機翼產生抖動，致使柔性機翼產生扭曲和彎曲。

基于高速相機的機器視覺振動檢測方法具有很多優點。其一，它是一種非接觸式的檢測方法，對被測對象無損，不影響被測對象的動態性能，不會對柔性機翼增加附加的質量而對它的正常工作產生影響。其二，這種檢測方法結構簡單，不需要激光光源和其它的輔助裝置，隨著圖像處理及識別技術的發展和進步，高速相機檢測振動成為了一種簡單而有效的測振方法，具有非常高的實用價值。其三，高速相機檢測振動是一種多點檢測方法，相對比于一些單點檢測的方法，高速相機檢測振動在檢測多個點的模態變化的時候具有很大的優勢，只要高速相機的分辨率和拍攝頻率足夠高，拍攝的范圍足夠大，只需要在被測范圍里面作上若干個標記點，它可以在一個范圍里面精確檢測多個點的振動，獲取多個點的模態信息。其四，高速相機的檢測速度非常快，它的攝影速率可以輕易地達到10幀每秒，在很短的時間內就可以獲得足夠分析柔性機翼振動的一系列圖像。但是，高速相機檢測柔性機翼振動仍然存在一個缺點，就是圖像處理以及分析到獲得機翼振動模態的時間相對較長，無法使用高速相機檢測的振動信息作為反饋來控制柔性機翼的振動。壓電式加速度傳感器就可以彌補高速相機這方面的劣勢，壓電式加速度傳感器的質量很小，相對于機翼幾乎可以忽略不計，而且工作穩定，可靠性高。采用壓電式加速度傳感器，可以迅速收集柔性機翼的振動信息，將其轉化為反饋信號，即時控制機翼的振動。

在控制方面，目前應用于控制領域的作動器，常用的有磁致伸縮作動器、形狀記憶合金作動器、液壓作動器、電動作動器、電磁作動器等。電磁作動器的工作原理是當電流通過導體時，在導體周圍產生電磁場，從而引起鐵磁物質的機械運動。在眾多作動器當中，電磁作動器具有結構緊湊、能耗小、反應靈敏和輸出力較大等優點，對比于其他作動器，電磁作動器非常適用于柔性機翼振動控制領域。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有的柔性機翼振動檢測與控制技術的缺點和不足，提供了一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置，該裝置在使用高速相機作為振動檢測和分析的手段的同時使用加速度傳感器作為輔助，克服了高速相機獲得機翼的振動信息需要一定時間對獲得的相片進行分析和處理，不能夠即時將振動信息反饋到驅動器的問題，可以簡單、快捷地獲得被測區域里全面的振動信息，并將振動信息即時反饋到計算機，經過計算機中設定好的控制算法處理，獲得控制量，輸出到電磁作動器，產生控制力，使柔性機翼的振動得到抑制。

本發明的另一目的在于提供一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制方法。

本發明的目的可以通過如下技術方案實現：

一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置，包括柔性機翼本體部分、振動檢測部分、振動控制部分、信號處理模塊和計算機，所述柔性機翼本體部分包括機翼、底座和激振器，所述機翼由翼肋和梁構成支架，并在外表附上一層蒙皮組成，所述機翼通過底座安裝在實驗臺上，機翼表面與實驗臺平行，在左右機翼上表面分別設置有振動檢測的標志點，在左右機翼的下方分別對稱安裝有底部固定在實驗臺上的兩個激振器，通過激振器頂桿連接在機翼的梁上；所述振動檢測部分包括兩對由高速相機ⅰ和高速相機ⅱ組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器，由型材和角件組成的左右桁架固定安裝在實驗臺上，位于左右機翼上方，兩對雙目視覺系統分別安裝在左右桁架上方中部，兩對雙目視覺系統的鏡頭分別對準左右機翼上表面振動檢測的標志點，多個加速度傳感器對稱安裝在左右機翼下表面；所述振動控制部分包括多個電磁作動器，所述多個電磁作動器與多個加速度傳感器的安裝位置相同，分別對稱安裝在左右機翼下表面；振動檢測部分測量柔性機翼本體部分的振動信息，通過信號處理模塊處理后發送給計算機，計算機經過相應處理后來控制振動控制部分動作，從而完成對柔性機翼本體部分振動的測量與控制。

進一步地，所述信號處理模塊包括電磁放大器、a/d轉換器、電荷放大器、功率放大器、信號發生器和d/a轉換器。

進一步地，信號發生器發出振動信號，經功率放大器放大后發送給兩個激振器，兩個激振器分別通過激振器頂桿激勵左右機翼振動，在左右機翼振動的過程中，兩對由高速相機ⅰ和高速相機ⅱ組成的雙目視覺系統分別對左右機翼進行同步拍攝，照片傳輸至計算機中，經過圖像處理，獲得左右機翼的振動信息，同時，加速度傳感器測得的振動信息經由電荷放大器放大后再經過a/d轉換器轉換后輸入到計算機中，對兩路振動信息進行對比和分析后，獲得更準確的振動信息。

進一步地，計算機得到左右機翼振動的相關數據后，經過相應處理后通過d/a轉換器，再經由電磁放大器將信號放大，將控制信號施加到電磁作動器上，使電磁作動器產生相應的控制力來抑制左右機翼彎曲模態和扭轉模態振動，兩對由高速相機ⅰ和高速相機ⅱ組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器組成的振動檢測部分用于測量左右機翼的振動，形成振動反饋信號，振動反饋信號經過相應的控制算法處理后用于控制電磁作動器產生相應的控制力抑制左右機翼的振動。

進一步地，所述多個電磁作動器與多個加速度傳感器分別通過螺柱螺母機械固定在左右機翼的梁上，位于左右機翼下表面的同一位置，其中，電磁作動器緊貼在左右機翼上，以保證電磁作動器發出的控制力能夠良好地施加在左右機翼上來抑制左右機翼的振動。

進一步地，所述左右機翼上設置的振動檢測的標志點的數量和位置能夠根據左右機翼的形狀大小以及測量者想要獲得的左右機翼的振動信息來自行設計，所述電磁作動器與加速度傳感器的數量和分布位置也能夠根據左右機翼的形狀大小以及測量者想要獲得的左右機翼的振動信息來自行設計。

進一步地，所述兩個激振器分別通過激振器頂桿激勵左右機翼彎曲模態振動和扭轉模態振動；當兩個激振器接收到與彎曲模態頻率相同的正弦信號激勵時，兩個激振器按相同信號且相位相同激勵，則激勵產生左右機翼的彎曲振動；當兩個激振器接收到與扭轉模態頻率相同的正弦信號激勵時，兩個激振器按相同信號且相位相反激勵，則激勵產生左右機翼的扭轉振動。

本發明的另一目的可以通過如下技術方案實現：

一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、信號發生器發出振動信號，經功率放大器放大后發送給兩個激振器，兩個激振器分別通過激振器頂桿激勵左右機翼產生多模態振動，在左右機翼振動的過程中，兩對由高速相機ⅰ和高速相機ⅱ組成的雙目視覺系統分別對左右機翼進行同步拍攝，照片傳輸至計算機中，經過圖像處理，獲得左右機翼的振動信息，同時，加速度傳感器測得的振動信息經由電荷放大器放大后再經過a/d轉換器轉換后輸入到計算機中，對兩路振動信息進行對比和分析后，獲得更準確的振動信息；

步驟二、計算機得到左右機翼振動的相關數據后，經過相應處理后通過d/a轉換器，再經由電磁放大器將信號放大，將控制信號施加到電磁作動器上，使電磁作動器產生相應的控制力來抑制左右機翼彎曲模態和扭轉模態振動，兩對由高速相機ⅰ和高速相機ⅱ組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器組成的振動檢測部分用于測量左右機翼的振動，形成振動反饋信號，振動反饋信號經過相應的控制算法處理后用于控制電磁作動器產生相應的控制力抑制左右機翼的振動。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1、本發明的柔性機翼振動檢測與控制裝置采用兩個高速相機組成的雙目視覺系統來檢測柔性機翼的振動，可以對柔性機翼的多階模態進行檢測，機翼的振動是多階模態耦合的，通過標志點數量和位置的變化，雙目視覺系統可以對振動進行解耦，提供了獲得振動控制信號的基礎，且與傳統的傳感器接觸式檢測相比，該種檢測方式有著非接觸、幾乎不改變原本結構振動特性、檢測范圍寬的優點，是一種性能優異的振動檢測與分析方法。

2、本發明的柔性機翼振動檢測與控制裝置的振動檢測部分由高速相機以及加速度傳感器組成，高速相機和加速度傳感器配合使用，分別獲取機翼的振動信息，對這兩路振動信號進行對比和分析，可以獲得更準確的振動信號，提高了此振動檢測系統的可靠性。

3、本發明的柔性機翼振動檢測與控制裝置中的電磁作動器與加速度傳感器一體式連接，整體具有一定的質量，對于柔性機翼的振動有一定的抑制效果，采用多個電磁作動器，通過布置電磁作動器的位置，可以抑制柔性機翼的多模態振動。

附圖說明

圖1為本發明實施例1基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置結構示意圖。

圖2為本發明實施例1機翼內部的結構示意圖。

圖3為本發明實施例1基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置的俯視圖。

圖4為本發明實施例1基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置的正視圖。

圖5為本發明實施例1機翼上標志點的分布圖。

圖6為本發明實施例1電磁作動器和加速度傳感器的布置圖。

其中，1-機翼，2-蒙皮，3-梁，4-翼肋，5-底座，6-激振器，7-桁架，8-高速相機ⅰ，9-高速相機ⅱ，10-加速度傳感器，11-電磁作動器，12-實驗臺，13-電荷放大器，14-d/a轉換器，15-計算機，16-a/d轉換器，17-電磁放大器，18-信號發生器，19-功率放大器。

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、圖3和圖4所示，本實施例提供了一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制裝置，包括柔性機翼本體部分、振動檢測部分、振動控制部分、信號處理模塊和計算機(15)，所述柔性機翼本體部分包括機翼(1)、底座(5)和激振器(6)，所述機翼(1)由11個翼肋(4)和6根梁(3)構成支架(機翼內部的結構示意圖如圖2所示)，并在外表附上一層蒙皮(2)組成，所述機翼(1)長1500mm，翼根處長度約為500mm，翼尾處長度約為400mm，通過底座(5)安裝在實驗臺(12)上，機翼(1)表面與實驗臺(12)平行，在左右機翼(1)上表面分別設置有振動檢測的標志點(本實施例的機翼上標志點的分布圖如圖5所示)，在左右機翼(1)的下方分別對稱安裝有底部固定在實驗臺(12)上的兩個激振器(6)，通過激振器頂桿連接在機翼(1)的梁(3)上；所述振動檢測部分包括兩對由高速相機ⅰ(8)和高速相機ⅱ(9)組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器(10)，由型材和角件組成的左右桁架(7)固定安裝在實驗臺(12)上，三根型材當中，豎直的兩根長2000mm，水平的一根長1000mm，型材之間通過角件相連接，位于左右機翼(1)上方，兩對雙目視覺系統分別安裝在左右桁架(7)上方中部，兩對雙目視覺系統的鏡頭分別對準左右機翼(1)上表面振動檢測的標志點，多個加速度傳感器(10)對稱安裝在左右機翼(1)下表面；所述振動控制部分包括多個電磁作動器(11)，所述多個電磁作動器(11)與多個加速度傳感器(10)的安裝位置相同，分別對稱安裝在左右機翼(1)下表面(本實施例電磁作動器和加速度傳感器的布置圖如圖6所示)；振動檢測部分測量柔性機翼本體部分的振動信息，通過信號處理模塊處理后發送給計算機(15)，計算機(15)經過相應處理后來控制振動控制部分動作，從而完成對柔性機翼本體部分振動的測量與控制。

其中，所述信號處理模塊包括電磁放大器(17)、a/d轉換器(16)、電荷放大器(13)、功率放大器(19)、信號發生器(18)和d/a轉換器(14)。信號發生器(18)發出振動信號，經功率放大器(19)放大后發送給兩個激振器(6)，兩個激振器(6)分別通過激振器頂桿激勵左右機翼(1)振動，在左右機翼(1)振動的過程中，兩對由高速相機ⅰ(8)和高速相機ⅱ(9)組成的雙目視覺系統分別對左右機翼(1)進行同步拍攝，照片傳輸至計算機(15)中，經過圖像處理，獲得左右機翼(1)的振動信息，同時，加速度傳感器(10)測得的振動信息經由電荷放大器(13)放大后再經過a/d轉換器(16)轉換后輸入到計算機(15)中，對兩路振動信息進行對比和分析后，獲得更準確的振動信息。計算機(15)得到左右機翼(1)振動的相關數據后，經過相應處理后通過d/a轉換器(14)，再經由電磁放大器(17)將信號放大，將控制信號施加到電磁作動器(11)上，使電磁作動器(11)產生相應的控制力來抑制左右機翼(1)彎曲模態和扭轉模態振動，兩對由高速相機ⅰ(8)和高速相機ⅱ(9)組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器(10)組成的振動檢測部分用于測量左右機翼(1)的振動，形成振動反饋信號，振動反饋信號經過相應的控制算法處理后用于控制電磁作動器(11)產生相應的控制力抑制左右機翼(1)的振動。

其中，所述多個電磁作動器(11)與多個加速度傳感器(10)分別通過螺柱螺母機械固定在左右機翼(1)的梁(3)上，位于左右機翼(1)下表面的同一位置，其中，電磁作動器(11)緊貼在左右機翼(1)上，以保證電磁作動器(11)發出的控制力能夠良好地施加在左右機翼(1)上來抑制左右機翼(1)的振動。所述左右機翼(1)上設置的振動檢測的標志點的數量和位置能夠根據左右機翼(1)的形狀大小以及測量者想要獲得的左右機翼(1)的振動信息來自行設計，所述電磁作動器(11)與加速度傳感器(10)的數量和分布位置也能夠根據左右機翼(1)的形狀大小以及測量者想要獲得的左右機翼(1)的振動信息來自行設計。

其中，所述兩個激振器(6)分別通過激振器頂桿激勵左右機翼(1)彎曲模態振動和扭轉模態振動；當兩個激振器(6)接收到與彎曲模態頻率相同的正弦信號激勵時，兩個激振器(6)按相同信號且相位相同激勵，則激勵產生左右機翼(1)的彎曲振動；當兩個激振器(6)接收到與扭轉模態頻率相同的正弦信號激勵時，兩個激振器(6)按相同信號且相位相反激勵，則激勵產生左右機翼(1)的扭轉振動。

在本實施例中，激振器(6)選用美國gst公司生產的型號為jzk-50的激振器，此激振器(6)最大激振力為500n，最大振幅為±12.5mm，最大加速度為55g，最大輸入電流為30arms，頻率范圍為dc-2k，外形尺寸為φ240mm×345mm，輸出方式是由激振器頂桿傳輸力到柔性機翼上。機翼內部的翼肋(4)和梁(3)是機翼的主要受力件，采用鈦合金作為材料，機翼蒙皮(2)采用疲勞性能好的硬鋁，整個機翼大概長1500mm，翼根處長度約為500mm。高速相機(8、9)選用日本photron公司的型號為fastcam-sa4的高速攝像機，拍照速率在圖像分辨率為1024×1024像素時可以達到3600fps，在圖像分辨率為512×512像素時可以達到13500fps，在圖像分辨率為256×256像素時可以達到45000fps，在圖像分辨率為128×128像素時可以達到125000fps，在圖像分辨率為128×16像素時可以達到500000fps，內存為64gb，工作溫度范圍為0～40攝氏度，重量約為5.9kg，需要的電源為100v～240vac～1.5a，50～60hz。壓電式加速度傳感器(10)選用德國kistler公司生產的型號為8688a的壓電式加速度傳感器，加速度檢測范圍為±50g，靈敏度為100mv/g，頻率響應為0.5～5000hz，工作溫度在-40攝氏度到65攝氏度之間，輸入電壓為22～30vdc，輸入直流電為2～6ma，最大隨機振動為100grms。功率放大器(19)采用美國ar公司的型號為50wd1000的功率放大器，工作頻率為dc～1000mhz。a/d轉換器(16)采用intersil公司的型號為hi5812的a/d轉換器，位數為12，速率為0.05msps，輸出范圍為0～5v。d/a轉換器(14)采用intersil公司的型號為isl5861的d/a轉換器，位數為12，速率為210msps，工作電壓為3.3v。

實施例2：

本實施例提供了一種基于高速相機的柔性機翼振動檢測與控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、信號發生器(18)發出振動信號，經功率放大器(19)放大后發送給兩個激振器(6)，兩個激振器(6)分別通過激振器頂桿激勵左右機翼(1)產生多模態振動，在左右機翼(1)振動的過程中，兩對由高速相機ⅰ(8)和高速相機ⅱ(9)組成的雙目視覺系統分別對左右機翼(1)進行同步拍攝，照片傳輸至計算機(15)中，經過圖像處理，獲得左右機翼(1)的振動信息，同時，加速度傳感器(10)測得的振動信息經由電荷放大器(13)放大后再經過a/d轉換器(16)轉換后輸入到計算機(15)中，對兩路振動信息進行對比和分析后，獲得更準確的振動信息；

步驟二、計算機(15)得到左右機翼(1)振動的相關數據后，經過相應處理后通過d/a轉換器(14)，再經由電磁放大器(17)將信號放大，將控制信號施加到電磁作動器(11)上，使電磁作動器(11)產生相應的控制力來抑制左右機翼(1)彎曲模態和扭轉模態振動，兩對由高速相機ⅰ(8)和高速相機ⅱ(9)組成的雙目視覺系統和多個加速度傳感器(10)組成的振動檢測部分用于測量左右機翼(1)的振動，形成振動反饋信號，振動反饋信號經過相應的控制算法處理后用于控制電磁作動器(11)產生相應的控制力抑制左右機翼(1)的振動。

通過改變激振和控制的參數，反復實驗，獲取多次實驗結果，得到左右機翼(1)振動特性和控制效果。

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。