基于边缘视觉检测的柔性板弯曲和扭转低频振动测量与控制装置.doc

本发明公开了基于边缘视觉检测的柔性板结构低频弯曲和扭转模态振动测量及控制装置。为了检测柔性板弯曲和扭转振动，在柔性板自由端前方安装一只CCD相机，保证相机光轴与柔性板在静止时自由端横截面垂直；并且，振动时自由端边缘的ROI区域始终处于相机视场范围内。CCD相机测量边缘的振动的每一帧图像，计算机处理检测的图像序列，提取自由端面边缘，并采用提出的算法获取反映柔性板结构低频弯曲和扭转振动的参数。在柔性板两侧对称布置压电片作为驱动器，并通过对压电片的合理组合及施加电压方式，得到驱动柔性板弯曲和扭转振动的驱动器。以视觉测量的弯曲和扭转振动信号，处理后分别进行反馈控制柔性板振动。1、基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，其特征在于：基座（1）、压电陶瓷驱动片（25）、柔性悬臂板（6）、光源（7）、镜头（8）、CCD相机（9）、计算机（10）和显示器（11）、双通道D/A数模转换器（12）、双通道电压放大器（13）柔性板（6）一端固定在基座（1）上，在柔性板（6）的表面粘帖压电陶瓷驱动片；柔性板（6）自由端前方安装一只CCD相机（9），CCD相机（9）光轴与静止时的柔性板（6）自由端横截面垂直，静止时的柔性板（6）自由端横截面处于相机视场范围的水平中间位置；CCD相机（9）的镜头（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。2、根据权利要求1所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，其特征在于所述压电陶瓷驱动片包括第一压电陶瓷驱动片（2）、第二压电陶瓷驱动片（3）、第三压电陶瓷驱动片（4）、第四压电陶瓷驱动片（5）；所述第一压电陶瓷驱动片（2）、第二压电陶瓷驱动片（3）两侧压电驱动连接方式极性相反，连接方式相同；第三压电陶瓷驱动片（4）、第四压电陶瓷驱动片（5），两侧压电驱动连接方式极性相反，连接方式相同。3、根据权利要求2所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，其特征在于所述的计算机（10）外接显示器（11）。4、根据权利要求1所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，其特征在于控制方法步骤如下：a，CCD相机9获取柔性板6发生的弯曲和振动信息的图像序列，通过接口转换电路与计算机10连接；b，确定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；c，通过边缘检测算法检测柔性板（6）自由端边缘，求取每行像素中两个极大值，初步确定柔性板（6）的边缘；利用Hough变换检测图像中直线，修正初步确定的边缘，获取柔性板自由端的边缘；d，计算机（10）采用改进的快速并行中值滤波算法对CCD相机（9）拍摄的图像序列进行视觉图像处理；e，把测量得出的柔性板（6）弯曲和扭转振动的参数作计算机（10）反馈信息，由计算机（9）控制算法产生相应的控制信号，双通道D/A转换器（12）对控制信号进行D/A转换，双通道电压放大（13）器放大控制电压，驱动相应的压电陶瓷驱动片（25）。5.根据权利要求4所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，其特征在于步骤b所述采用改进的快速并行中值滤波算法减少随机噪声影响；第一幅图像处理由图像高度的1/10、全部宽度方向数据组成的ROI；计算出第一幅图像中柔性板（6）自由端横截面的中心坐标后，对于后续序列图像，采用运动跟踪方法确定ROI范围，仅处理由同样高度、100列宽度方向数据组成的ROI。6. 根据权利要求5所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，其特征在于步骤c所述采用基于一阶微分的Roberts边缘检测算子，提取出图像ROI中柔性板（6）自由端横截面的边缘；通过求取图像ROI中每行像素值的极大值点，初步得到柔性板（6）自由端横截面边缘；运用Hough变换，检测ROI中的直线，修正初步提取的边缘；柔性板（6）自由端横截面的中心即两边缘的中心，将该中心坐标与未振动时初始位置相减得到图像中柔性板自由端位移，利用标定得到的CCD相机（9）坐标系中距离与世界坐标系中距离之间的转换关系，计算得到柔性板（6）自由端横截面中心的实际位移；在图像坐标系空间中，利用最小二乘法，将柔性板（6）自由端横截面两直线边缘参数化，得到两直线边缘为，柔性板（6）扭转角为；其中为图像中自由端横截面两平行直线边缘上第个像素水平坐标，表示横截面两平行直线上的像素总数，表示图像中柔性板（6）静止时自由端横截面水平中心坐标，是图像坐标系下距离与世界坐标系下距离之间的转换关系，、分别代表两边缘直线在纵坐标上的截距，为图像中自由端两平行直线边缘的斜率，为柔性板（6）静止时图像中自由端横截面两平行直线边缘的斜率。7、根据权利要求6所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，其特征在于步骤d所述的改进的快速并行中值滤波算法：模板在图像中按行移动时，根据像素点所在的列与模板中应该更新的列的关系；j是图像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列。8、根据权利要求7所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，其特征在于所述模版是是模板，对于第1列（列数从0开始）的像素值，将该像素点的八邻域像素值赋值给模板，按照快速并行中值滤波算法进行处理；而对于第j（）列像素点，仅需将该像素点邻域j+1列的像素值赋值给模板中列和对模板中的列进行降序排列。基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置与控制方法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，特别涉及一种基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置与控制方法。模拟大型太空帆板结构的弯曲振动和扭转角测量及主动控制的方法和装置，具体地说是提供一种针对模拟柔性太空帆板结构、应用基于机器视觉进行弯曲振动和扭转角测量及振动主动控制的方法和装置。该装置为模拟太空帆板的大型柔性板弯曲和扭转振动分析和控制的目的，实现了利用机器视觉方法测量大型柔性板的低频弯曲和扭转振动及利用视觉反馈控制柔性板的振动。背景技术柔性化、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。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。本发明中采用的机器视觉测量属于非接触测量，采用CCD相机，获取包含柔性结构弯曲和扭转振动信息的图像序列，利用计算机模拟人的视觉功能对图像数据进行处理和理解，最终获取反映结构弯曲振动和扭转的参数信息。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置与控制方法。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，柔性板6一端固定在基座1上，在柔性板6的表面粘帖压电陶瓷驱动片；柔性板6自由端前方安装一只CCD相机9，CCD相机9光轴与静止时的柔性板6自由端横截面垂直，静止时的柔性板6自由端横截面处于相机视场范围的水平中间位置；CCD相机9的镜头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13两个输出通道分别连接压电陶瓷驱动片。本发明装置采用CCD相机9获取柔性板6参数信息，保持了柔性结构的物理属性。所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，所述压电陶瓷驱动片包括第一压电陶瓷驱动片2、第二压电陶瓷驱动片3、第三压电陶瓷驱动片4、第四压电陶瓷驱动片5。所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，所述第一压电陶瓷驱动片（2）、第二压电陶瓷驱动片（3）两侧压电驱动连接方式极性相反，连接方式相同；第三压电陶瓷驱动片（4）、第四压电陶瓷驱动片（5），两侧压电驱动连接方式极性相反，连接方式相同。本发明采用这种连接方式，可以方便的得到柔性版6的弯曲和扭转运动。所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频装置，所述的计算机10还外接显示器11。基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，控制方法步骤如下：a，CCD相机9获取柔性板6发生的弯曲和振动信息的图像序列，通过接口转换电路与计算机10连接；b，计算机10采用改进的快速并行中值滤波算法对CCD相机9拍摄的图像序列进行视觉图像处理；c，确定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；d，通过边缘检测算法检测柔性板6自由端边缘，求取每行像素中两个极大值，初步确定柔性板6的边缘；利用Hough变换检测图像中直线，修正初步确定的边缘，获取柔性板自由端的边缘；e，把测量得出的柔性板6弯曲和扭转振动的参数作信息反馈给计算机10，由计算机9控制算法产生相应的控制信号，双通道D/A转换器12对控制信号进行D/A转换，双通道电压放大13器放大控制电压，驱动相应的压电陶瓷驱动器。所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，步骤b所述的改进的快速并行中值滤波算法：模板在图像中按行移动时，根据像素点所在的列与模板中应该更新的列的关系；j是图像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列。所述的基于边缘检测的柔性板弯曲和扭转低频控制方法，所述模版是是模板，对于第1列列数从0开始的像素值，将该像素点的八邻域像素值赋值给模板，按照快速并行中值滤波算法进行处理；而对于第j列像素点，仅需将该像素点邻域j+1列的像素值赋值给模板中列和对模板中的列进行降序排列。本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果：(1) 机器视觉属于非接触测量，本发明中的测量方法不需要在柔性板上安装任何辅助器件或设备，不改变柔性结构的物理属性，在光线适度的环境中即可参与测量，且可通过人工手段来营造适宜的测量环境，与采用粘贴要求较高的脆性压电陶瓷材料相比，具有一定的优势；图像成像不易受环境中噪声干扰，通过调节CCD相机9上的镜头8焦距，可实现远距离测量。(2) 采用加速度传感器、角速率陀螺仪、压电传感器等传感器测试模拟太空帆板的柔性板低频弯曲和扭转振动，传感器所检测到的信息还会耦合航天器本体的转动加速度和角度率等信息，需采用相应的措施去掉这些信息。采用视觉传感器测试振动时，CCD相机9相对本体固定，所得到的信息就是太空帆板相对本体的运动信息。图像包含的信息广泛，可以从图像中获取柔性板的位移、扭转角等信息，采用不同的图像处理方法，还可以得到其他参数信息，具有其他传感器无法比拟的优势。(3) 传统图像处理方法需要确定图像的阈值，以分割出图像中的目标物，阈值的准确与否，直接影响到图像分割的效果，并进而影响目标物边缘定位和识别，而目前的图像处理方法很难根据图像的具体情况确定出合适的阈值。本发明中采用的边缘提取方法，不需要确定图像的阈值，且能准确的定位图像中柔性板自由端横截面的边缘，并进一步利用边缘修正方法，修正提取的边缘。通过上述方法，减少了图像处理的误差，提高了边缘识别和定位的准确性。 (4) 本发明中的改进的快速并行中值滤波算法，在保证处理结果与传统中值滤波算法相同的前提下，极大地提升了中值滤波的处理速度。附图说明图1是本发明的一种可选实施实例试验装置组成示意图， 图2是图1装置中柔性板压电片的粘贴方式示意图， 图3是图1装置中柔性板和压电片的尺寸及位置图， 图4是图3装置局部放大示意图，？图5是图3装置局部放大示意图，？图6 是图1装置中柔性板压电驱动器的弯曲和扭转驱动方式示意图。图1-6：1-基座，2-5-压电陶瓷驱动片，6-柔性板，7-光源，8-镜头，9-CCD相机，10-计算机，11-显示器，12-双通道D/A转换器，13-双通道压电放大器。具体实施方式下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，本发明的保护范围并不局限于实例所述范围。如图1所示，基于机器视觉的太空帆板低频弯曲和扭转振动的测量及主动控制装置，包括基座1、压电陶瓷驱动片25、柔性板6、光源7、镜头8、CCD相机9、计算机10和显示器11、双通道D/A转换器12、双通道电压放大器13等部分。柔性板6几何尺寸和压电陶瓷驱动片的布置如图3所示，图4和图5分别为图3的局部放大图。悬臂板的几何尺寸为，距柔性板6根部处和处两侧分别关于侧面中线对称粘贴压电片，上、下压电片之间距离，压电片尺寸为，同侧压电片关于柔性板侧面中心线对称。压电片负极与柔性板粘贴，压电片与驱动压电放大器的电源连接方式如图2所示。图2 (a)为扭转振动驱动器，图2 (b)为弯曲振动驱动器。图2 (b)中，压电片对2与3的两侧的压电驱动连接方式极性相反，且两压电片对2和3连接方式相同；这样就驱动了柔性板的弯曲运动。图2 (a)中，压电片对4和5的两侧的压电驱动连接方式极性相反，但两压电片对4和5连接方式也相反；这样就驱动了柔性板的扭转运动。这样就分别得到了柔性板弯曲和扭转振动的驱动器，产生弯曲和扭转驱动的示意图如图6所示。CCD相机型号为Imagesource DFK21BU04,采集的图像大小为，帧率为60fps(帧/秒)。CCD相机通过USB接口与计算机连接，利用CCD相机作为传感器检测柔性板低频弯曲和扭转振动。利用CCD相机测量得到的柔性板自由端横截面横向中心位移和扭转角作为反馈，由计算机主动控制算法产生控制量，经过双通道D/A转换器、双通道压电放大器后，驱动压电片产生控制作用，抑制柔性板的振动。CCD相机相对柔性板固定端的位置和姿态确定，位于悬臂板自由端正前方距离300mm处。静止时自由端横截面与CCD相机光轴线垂直，且大约处于相机视场范围的水平中间位置处，保证柔性板振动时自由端始终处于CCD相机的视场范围内且正面拍摄。整个系统中，存在以像素为单位的图像平面直角坐标系、以毫米为单位的图像平面直角坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系，各坐标系的原点分别记为、和，其中点为图像左上角第一个像素，点为图像的中心，为相机光心，为相机前方一定距离处某一点，且、均位于相机光轴线上，相机光轴线与、和均垂直。其中轴、轴、轴平行且同向，轴、轴、轴也平行同向。摄像机位置和姿态固定，摄像机坐标系与世界坐标系只存在平移关系。图像中任一像素在坐标系和下关系为：其中，、分别表示CCD相机成像芯片上每一像素在轴、轴方向上的物理尺寸。空间中某一点在世界坐标系和相机坐标系下坐标之间关系为：其中，和分别表示两坐标系之间的旋转和平移关系矩阵，图像中任一像素在图像坐标系和摄像机坐标系下关系为：其中，表示相机焦距。图像中任一像素在图像坐标系和世界坐标系下关系为：上式变形为：其中，、为CCD相机内部参数，为外部参数，内部参数由相机内部结构有关，外部参数通过标定获取。本发明中采用的CCD相机，故图像中像素沿和轴的物理尺寸相同。图像中柔性梁末端横截面中心在图像坐标系和世界坐标系中的初始位置分别为和，振动时某一时刻的位置为和，柔性板自由端横截面中心在图像坐标系和世界坐标系下的位移之间的关系为： 当柔性板发生弯曲和扭转振动时，CCD相机拍摄的包含柔性板自由端横截面的图像序列通过USB接口传输至计算机，由计算机程序对图像序列进行相关识别处理，获取柔性板自由端的横向位移和扭转角。测量过程中，需要对图像数据进行处理才能获取测量结果，而图像数据量大，为保证系统实时性，在不影响测量准确性的前提下，采取选取图像ROI的方式，大幅减少处理的数据量。首先，需要确定图像中柔性板自由端横截面在图像中的初始位置，而柔性板水平振动，故处理第一帧图像时，处理由全部水平方向、纵向的1/10数据组成的ROI，即ROI大小为。后续图像ROI的位置由处理前一帧图像得到的柔性板自由端横截面水平中心位置决定，估计自由端位置的最大变化范围，得到图像的ROI，即ROI大小为。确定图像的ROI后，采用中值滤波方法对ROI进行滤波，减少ROI中的噪声，提高ROI质量。采用空域模板滤波方式，即一定大小的模板在ROI上移动，将模板上的像素值中值作为该点的像素值。由于传统的中值滤波算法需要不断对全部模板元素赋值和排列，耗时较长。本发明中采用改进的快速并行中值滤波算法（模板大小为）。快速并行中值滤波算法如下（仅考虑单个模板内的运算）： 对模板中的每一列像素值从上至下按降序排列，将每列计算出来的最大值、中值和最小值分别组成最大值组、中值组和最小值组。 分析判断模板中的像素值。可知：最大值组中的最大值一定是9个像素中的最大值；最小值组的最小值一定是9个像素中的最小值；中值组中的最大值一定至少大于5个像素值，中值组中的最小值一定至少小于5个像素值；最大值组中的中值一定至少大于5个像素值，最小值组中的中值一定至少小于5个像素。由此可判断，中值只可能是剩下的3个像素值的中值。求取剩下的3个像素值的中值，得到整个模板的中值。上述快速并行中值滤波算法仅仅考虑单个模板内的运算，当模板在图像中移动时，需要不断更新整个模板的像素值；而本发明中采用的改进的快速并行中值滤波算法与上述快速并行中值滤波算法相比较，当模板在图像中按行移动时，不需要每次都更新整个模板的像素值，而是根据像素点所在的列与模板中应该更新的列的关系，j是图像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列，这里是对于的模板而言。对于第1列（列数从0开始）的像素值，将该像素点的八邻域像素值赋值给模板，按照快速并行中值滤波算法进行处理；而对于第j（）列像素点，仅需将该像素点邻域j+1列的像素值赋值给模板中列和对模板中的列进行降序排列。该方法避免了重复对模板中的元素全部赋值和排列，缩短了中值滤波的时间。ROI经过中值滤波，提高了图像质量。运用一阶导数微分算子Roberts算子，对ROI进行微分运算，提取图像边缘信息。Roberts微分算子为：  其中，、分别是微分算子中、方向的分量，表示八邻域模板中第个像素值，八邻域模板为:微分运算后，通过求取ROI中每行像素值的两个极大值，并将两极大值处的像素值置为灰度最大值255，其他位置处像素值置为灰度最小值0，即可初步确定柔性板自由端的边缘。利用Hough变换，检测ROI中的直线，修正初步提取的边缘。在图像空间中，利用最小二乘法，将柔性板自由端横截面两平行边缘直线参数化，得到两直线为： 其中，、和分别表示图像平面直角坐标系中的纵坐标和横坐标，为直线斜率，、分别是两直线在纵坐标上的截距。计算图像ROI中柔性板自由端横截面的水平中心坐标： 其中，表示图像中柔性板自由端横截面边缘上像素的横坐标，表示两直线上像素的总个数。将该中心水平坐标与未振动时初始位置横截面中心水平坐标相减，得到图像中柔性板自由端横截面中心的横向位移：其中，表示柔性板静止时自由端横截面中心水平坐标。通过标定得到的相机坐标系与世界坐标系下尺寸之间的关系，计算得到柔性板末端中心的实际水平位移：其中，是标定得到的图像坐标系中距离和世界坐标系中距离之间的数学关系，即。计算图像ROI中柔性板自由端横截面的扭转角：。其中，是柔性板静止时自由端横截面边缘直线的斜率。利用上述的位移和转角分别可以得到柔性板的弯曲和扭转振动，分别利用这两个信号反馈，运行控制算法后，经过双通道D/A转换器转换成模拟量，再经过双通道电压放大器放大后，驱动压电片分别产生弯曲和扭转控制力矩，进行控制柔性板的振动。图1图2图3图4图5图6