一种基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测装置及方法，包括左、右CCD相机，柔性悬臂板、一端为固定端、一端为自由端，第一、第二电阻应变片传感器粘贴在柔性悬臂板，所述柔性悬臂板的正面画有田字格，所述第一、第二电阻应变片传感器检测柔性悬臂板的弯曲振动及扭转信息，经过电荷放大器放大后，经过A/D转换卡将模拟信号转换成数字信号，再输入到计算机，所述左、右两个配置有镜头的CCD相机检测柔性悬臂板正面田字格的振动信息，传输到计算机，利用双CCD相机传感器，根据视差原理，可以将悬臂板上田字格线条交点的三维坐标解出来，从而可以得到这点的振动信息。因此，可以得到悬臂板的弯曲和扭转振动的信息。

说明书

技术领域

本发明涉及大型悬臂结构的检测领域，特别涉及一种基于双目视觉的柔性悬臂 板振动检测装置及方法。

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。

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、角速率 陀螺仪传感器、光电位置传感器和光纤光栅传感器等传感器件，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；加速度计传感器和 角速率陀螺仪传感器对噪声敏感，存在迟滞和温漂等问题影响其精度，且只能测量 物体上某一点的位移，要想获得全部信息，必须在悬臂梁上分别布置几个加速度计 或角速率陀螺仪；光电位置传感器的测量范围较小、结构复杂、操作难度大、计算 过程繁琐且成本昂贵；光纤光栅传感器最主要的问题是传感信号的解调，由于光纤 光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使 用，封装工艺和保护措施结构复杂。

在大型柔性结构振动测量及主动控制的研究中，利用双目视觉非接触测量有其 独特的优势，且还能快速获取测量数据。双目视觉在不接触被测物体表面的情况下， 不改变振动物体的频率、振幅等特性，和单目视觉相比，双目视觉可以计算出空间 点的三维坐标，可以获取物体多点的结构振动的参数信息，而不仅仅局限于一点的 振动信息等优点。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种结构简单、性能稳定、 高效准确的基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测装置及方法，实现对柔性悬臂板多 点振动位移的非接触、实时准确测量。

本发明采用如下技术方案：

一种基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测装置，包括柔性悬臂板，所述柔性悬 臂板一端通过机械支架夹持装置固定，称为固定端，另一端为自由端，电阻应变片 传感器包括两个，分别为第一、第二电阻应变片传感器，粘贴在柔性悬臂板上，所 述柔性悬臂板的正面画有田字格，还包括左、右两个配置有镜头的CCD相机，所述 两个CCD相机安装在柔性悬臂板的正面前方，且镜头距离柔性悬臂板正面为 450mm～650mm，两个CCD相机处在同一水平位置上，且检测过程中田字格在两个 CCD相机的视场内；

所述第一、第二电阻应变片传感器检测柔性悬臂板的弯曲振动及扭转信息，经 过电荷放大器放大后，经过A/D转换卡将模拟信号转换成数字信号，再输入到计算 机；

所述左、右两个配置有镜头的CCD相机检测柔性悬臂板正面田字格的振动信息， 传输到计算机。

所述左、右两个配置有镜头的CCD相机的水平距离为200mm，且镜头距离柔性悬 臂板正面为450mm-650mm。

所述第一电阻应变片传感器包括两个电阻应变片，粘贴在靠近柔性悬臂板固定 端的纵向中线处，姿态角为0°，两面对称粘贴，每面一片且并联连接；

所述第二电阻应变片传感器包括四个电阻应变片，粘贴在距离柔性悬臂板固定 端100-300mm处，姿态角为0°，两面对称粘贴，每面两片且并联连接。

所述田字格中线条之间的纵向间距为150mm，横向间距为125mm。

还包括LED光源。

所述田字格具有明显特征，所述明显特征具体是指与柔性悬臂板具有颜色的差 异性，所述田字格的交点关于柔性悬臂板纵向中线对称。

一种振动检测装置的检测方法，包括如下步骤：

第一步对两个配置镜头的CCD相机系统进行标定，所述标定包括建立坐标系， 坐标系之间的变换，然后对单个相机进行标定，完成左右图像平面相应点的匹配；

第二步两个CCD相机获取柔性悬臂板的弯曲和扭转振动信息的图像序列，通过 USB接口将图像序列传输到计算机；

第三步分别根据两个相机的第一帧图像，利用视差原理确定田字格内各个交点 的初始三维坐标，然后根据后续左右两个相机的图像获取田字格各个交叉点位置最 大变化范围，确定各个交点的子区域的图像ROI；

第四步采用OTSU阈值分割法提取各个交点的子区域图像ROI中交点的特 征，利用视差原理确定各个交点的三维坐标；

第五步根据第三步得到的初始三维坐标和第四步得到的三维坐标计算出每个交 点在各个方向的位移，所述各个方向包括x轴，y轴，z轴，获取柔性悬臂板多点的 弯曲和扭转振动信息。

所述第五步具体为：

柔性悬臂板静止时，根据视差原理，将田字格任意一个线条相交点的三维坐标 设为x₀，y₀，z₀；

柔性悬臂板开始振动时，设相对点的三维坐标为(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))；

则得到田字格任意一点在x轴方向的位移为△x(t)＝x₁-x₀，y轴方向的位移为 △y(t)＝y₁-y₀，垂直柔性悬臂板的正表面的z轴方向的位移为△z(t)＝z₁-z₀；

柔性悬臂板纵向中心线上的交点z轴方向的位移记为△z₀(t)，则得到纵向中心线 的弯曲振动位移信号为z_w(t)＝△z₀(t)，将关于柔性悬臂板纵向中心线对称且相对应的两 个交点Z轴方向的位移分别记为△z₁(t)、△z₂(t)；

则得到田字格任意交叉点的弯曲振动位移信号扭转振动位 移信号其中△z₀(t)、△z₁(t)、△z₂(t)为位移信号，t为时间。

本发明的有益效果：

(1)利用机器视觉检测柔性结构的多点动态位移，具有非接触、测量范围宽、 不改变被测物的振动特性等优点。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，提高了测量精度；

(2)机器视觉在光线适度的环境中即可参与测量。本发明中采用LED光源照明， 并可以通过人工手段来调节光线的强弱，从而可以营造适宜的测量环境，优于采用 粘贴要求较高的脆性压电陶瓷材料；

(3)本发明中采用双目视觉检测方法，和单目视觉检测方法相比，双目视觉可 以计算空间中目标物的三维坐标，还原目标物的状态，可以提取柔性悬臂板的面上 特征点的振动信息；

(4)图像中信息丰富，并且具有全局信息的优势。采用不同的图像处理方法， 除了可以获取柔性板的弯曲振动位移、扭转振动位移的信息，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；

(5)本发明设计的机械装置结构简单、检测操作简单、方便实施和应用范围广， 并且两个摄像机可以灵活的上下、左右移动。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1中悬臂板正面电阻应变片传感器和田字格配置分布示意图；

图3是图1的总体结构图的前视图，从图中看出CCD相机的水平安装位置和高 度安装位置；

图4是图1中悬臂板和双相机(CCD相机)放置位置右侧视图；

图5是图1的总体结构图的上视图，从图中看出左右两个CCD相机和LED光 源的分布；

图6是双目视觉(两个CCD相机)根据视差原理测量空间某点三维坐标的原理 示意图。

图中示出：1—底座，2—固定杆底座，3—机械支架夹持装置，4—第一电阻应 变片传感器，5—第二电阻应变片传感器，6—田字格，7—柔性悬臂板，8—镜头，9 —CCD相机，10—LED光源，11—相机支架杆，12—相机支架底座。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例

如图1-图5所示，一种基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测装置，包括柔性悬 臂板7，所述柔性悬臂板7一端通过机械支架夹持装置固定，称为固定端，另一端为 自由端，电阻应变片传感器包括两个，分别为第一、第二电阻应变片传感器4、5， 粘贴在柔性悬臂板7上，所述机械支架夹持装置3固定在固定杆底座2，所述固定杆 底座2固定在底座1上；

所述第一电阻应变片传感器4包括两个电阻应变片，粘贴在靠近柔性悬臂板固 定端的纵向中线处，且距离固定端50mm，姿态角为0°，两面对称粘贴，每面一片 且并联连接；

所述第二电阻应变片传感器5包括四个电阻应变片，粘贴在距离柔性悬臂板固 定端100-300mm处，本实施例距离固定端200mm，姿态角为0°，两面对称粘贴，每 面两片且并联连接。

所述柔性悬臂板的正面画有具有明显特征的田字格6或4横4竖，交点是关于 纵向中线对称分布，所述明显特征是指田字格6的颜色与柔性悬臂板本身的颜色形 成了鲜明的对比，因此说田字格具有明显特征是指颜色的差异性。

所述田字格或4横4竖中线条的纵向间距为150mm，横向间距为125mm。

还包括左、右两个配置有镜头8的CCD相机9，所述两个CCD相机安装在柔性悬 臂板的正面前方，且镜头距离柔性悬臂板正面为450mm～650mm，所述两个CCD相 机通过相机支架杆11固定在相机支架底座12上，两个CCD相机处在同一水平位置 上，且水平距离为200mm，且检测过程中始终保持田字格6在两个CCD相机的视场 内，还包括LED光源10，所述LED光源为双目视觉的检测提供光源。

所述第一、第二电阻应变片传感器4、5检测柔性悬臂板的弯曲振动及扭转信息， 经过电荷放大器放大后，经过A/D转换卡将模拟信号转换成数字信号，再输入到计 算机；

所述左、右两个配置有镜头的CCD相机9检测柔性悬臂板正面田字格的振动信 息，传输到计算机。

左右两个CCD相机检测到柔性板正面田字格上多个交点的振动信息，通过USB 接口图像传输至计算机，在计算机上对两个CCD相机拍摄到的图像进行处理，提取 田字格上交点的特征，再经一定算法就可以得到交点的振动信息，从而可以反映柔 性板结构低频弯曲和扭转振动的信息。

一种基于双目视觉的柔性悬臂板振动检测方法，包括如下步骤

第一步对两个配置镜头的CCD相机系统进行标定，所述标定包括建立坐标系， 坐标系之间的变换，然后对单个相机进行标定，完成左右图像平面相应点的匹配， 具体为：

建立坐标系：以柔性悬臂板(7)固定边的前表面的中点O_w为坐标原点，建立世 界坐标系O_W-X_WY_WZ_W；以左CCD相机的光心O_c为原点，建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c； 以图像左上角第一个像素为原点O₀，建立计算机坐标系O₀-UV；以图像的中心点O₁为 原点，建立图像平面坐标系O₁-XY。

空间中任意一点(如P点)的世界坐标系与摄像机坐标系的变换，可以用旋转 矩阵R和平移向量t来描述:

$\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，(x_c，y_c，z_c)、(x_w，y_w，z_w)分别为P点在相机坐标系和世界坐标系中的坐标。 R是正交单位矩阵，t为三维平移向量，0＝[0 0 0]^T。

在摄像机坐标系下，由于存在镜头投影成像的缘故，其到图像坐标系存在如下 变换:

$x=\frac{f*x_c}{z_c},y=\frac{f*y_c}{z_c}---\left(2\right)$

其中，(x，y)为图像中P点的坐标，(x_c，y_c，z_c)为该点在相机坐标系中的坐标，f 为相机的镜头焦距。式(2)用矩阵形式表示为：

$z_c\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right)---\left(3\right)$

将(1)式代入(3)式中可以得到：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right)=\frac{1}{z_c}\left(\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

图像平面坐标系(计算机坐标系)的原点O₀位于CCD图像平面的左上角，U轴和 V轴分别沿图像的宽度和高度方向，坐标点(u，v)表示图像中第u列、第v行的像 素点，UO₀V是以像素为单位的坐标系。摄像机光轴与图像的交点为O₁(u₀，v₀)，该 点为图像的中心，以该点为原点，X轴和Y轴分别沿图像的宽度和高度方向，建立 坐标系XO₁Y，该坐标系以毫米为单位。每一个像素在X轴、Y轴方向上的物理尺寸 分别是dx、dy，则图像上任意一个像素在两个坐标系下有如下关系：

$u-u_0=\frac{x}{\mathrm{dx}},v-v_0=\frac{y}{\mathrm{dy}}---\left(5\right)$

用矩阵形式表示为：

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dx}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dy}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right)---\left(6\right)$

将(4)式代入(6)式得：

$\left(\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\frac{1}{z_c}\left(\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{dx}}& 0& u_0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{dy}}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)\\ =\frac{1}{z_c}\left(\begin{array}{cccc}\frac{f}{\mathrm{dx}}& 0& u_0& 0\\ 0& \frac{f}{\mathrm{dy}}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中，u₀，v₀四个参数只与相机内部结构有关，称为相机内部参数；而矩阵 R和向量t与相机的位置及姿态有关，而与相机结构无关，称为相机外部参数。确 定相机内、外部参数的过程，就是相机标定。

本发明中，由于相机的位置与姿态固定，故图像坐标系、相机坐标系和世界坐 标系均固定，坐标系的原点均处于光轴上，仅仅是位置不同而已，且与图像坐标系 垂直相交于图像的正中心，各坐标系其余两坐标轴分别平行且同向。故相机坐标系 与世界坐坐标系之间仅存在平移关第，而不存在旋转关系，则：

$R=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(8\right)$

实验过程中，通过提取黑白棋盘标定板图像的特征点的位置信息，可以确定计算机 视觉中像平面坐标点与空间坐标系坐标点之间的对应关系，从而可以确定 u₀，v₀和向量t五个参数。

左右相机都标定好了，再寻找到目标物在左右CCD相机像平面图像上的相应点， 完成两个CCD像平面点的匹配。

所述的基于双相机的柔性板低频振动检测装置与方法，其特征在于目标物的三 维坐标的确定，具体方法如附图6所示：两个CCD相机像面处于同一平面上，且摄 像机光轴平行，水平距离为b。Q为空间上一点，其坐标为Q(x，y，z)。两个CCD 相机在同一时刻拍摄空间的同一目标Q，分别在左CCD像面和右CCD像面上获得 了包含目标Q的图像，该目标在两幅图像上的坐标分别为Q₁＝(X₁，Y₁)，Q₂＝(X₂，Y₂)。 由于两个CCD相机像面处于同一平面上，且摄像机光轴平行，故有Y₁＝Y₂＝Y。由图 中三角几何关系知：

$\left(\begin{array}{c}{X}_1=f\frac{x}{z}\\ X_2=f\frac{(x-b)}{z}\\ Y=f\frac{y}{z}\end{array}\right)---\left(9\right)$

因为图像“视差”Parallax＝X₁-X₂，由此可计算出目标点Q在相机坐标系下的 三维坐标为：

$\left(\begin{array}{c}x=\frac{b*X_1}{\mathrm{Parallax}*\mathrm{Pixel}}\\ y=\frac{b*Y}{\mathrm{Parallax}*\mathrm{Pixel}}\\ z=\frac{b*f}{\mathrm{Parallax}*\mathrm{Pixel}}\end{array}\right)---\left(10\right)$

因此，只要两个CCD相机能够同时采集到完整的目标图像，并且通过合适的匹 配算法在两图像中建立目标的对应关系，计算出目标在两幅图像中的偏差Parallax， 再乘以CCD像元尺寸pixel，得到实际的视差，根据式(10)即可准确计算出目标Q 的三维坐标。

所述的基于双相机的柔性板低频振动检测装置与方法，其特征在于柔性板的弯 曲和扭转振动信息的获取，具体方法为：柔性悬臂板静止时，根据视差原理，将线 条相交点处的三维坐标算出来，设为(x₀，y₀，z₀)。柔性悬臂板开始振动时，设相 对点的三维坐标为(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))。则可以得到x轴方向的位移为△x(t)＝x₁-x₀， y轴方向的位移为△y(t)＝y₁-y₀，垂直柔性悬臂板的正表面的z轴方向的位移为 △z(t)＝z₁-z₀。柔性悬臂板纵向中心线上的交点z轴方向的位移记为△z₀(t)，即田字格 中间三个交点处在柔性悬臂板的纵向中心线上，则可以得到纵向中心线的弯曲振动 位移信号为z_w(t)＝△z₀(t)。将关于柔性悬臂板纵向中心线相对称且相对应的两个交点z 轴方向的位移分别记为△z₁(t)、△z₂(t)，则也可以得到弯曲振动位移信号为： 扭转振动位移信号为：其中△z₀(t)、△z₁(t)、△z₂(t) 为位移信号，t为时间。

图1中的虚线连接表示电信号与检测驱动控制装置的连接图。

如附图2所示，所述的第一电阻应变片传感器4粘贴在柔性板靠近固定端纵向 中线处，且距离固定端50mm，两面对称粘贴，每面1片且并联连接；第二电阻应变 片传感器5粘贴在柔性板离固定端200mm处，且离柔性板纵向中线125mm处，两 面对称粘贴，每面2片且并联连接；柔性悬臂板的正面上画有明显特征的田字格且 线条之间的纵向间距为150mm，横向间距为125mm。

如附图4所示，悬臂板和双相机(CCD相机)放置位置的右侧视图。

在本实施例中，柔性板的材料选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选1000mm ×500mm×2mm，即图2所示水平方向长度为1000mm，竖直方向长度为500mm， 厚度为2mm。环氧树脂的弹性模量为E_pe＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m³。

本实例中电阻应变片传感器和电阻应变片传感器选用BHF箔式高精密级系列 BX120―2AA型传感器用电阻应变片，应变片内部敏感栅尺寸为长2mm，宽1mm， 灵敏系数0.5％。

左右两个CCD传感器由CCD相机、镜头组成。选用映美精公司的CCD相机， 其型号为The Imaging Source DMK 23U445，采集的图像大小为1280*960像素，帧 率为30帧/秒。选用理光公司的镜头，其型号为FL-HC0614-2M，焦距为6mm，大 小为Φ32mm×35.7mm。选用的计算机的CPU型号为Pentium G6202.6GHz，内存4 G，主板中有PCI插槽，可以安装数据采集控制卡。A/D转换数据采集卡可选用台湾 研华科技公司生产的型号为PCL-818HD型多通道A/D转换数据采集卡，A/D转化 器的转换精度为12位，电压输入范围设定为±10V。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例 的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、 组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。