基于邊緣視覺檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻振動(dòng)測量與控制裝置

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1、說明書摘要 本發(fā)明公開了基于邊緣視覺檢測的柔性板結(jié)構(gòu)低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)測量及控制裝置。為了檢測柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在柔性板自由端前方安裝一只CCD相機(jī)，保證相機(jī)光軸與柔性板在靜止時(shí)自由端橫截面垂直；并且，振動(dòng)時(shí)自由端邊緣的ROI區(qū)域始終處于相機(jī)視場范圍內(nèi)。CCD相機(jī)測量邊緣的振動(dòng)的每一幀圖像，計(jì)算機(jī)處理檢測的圖像序列，提取自由端面邊緣，并采用提出的算法獲取反映柔性板結(jié)構(gòu)低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的參數(shù)。在柔性板兩側(cè)對稱布置壓電片作為驅(qū)動(dòng)器，并通過對壓電片的合理組合及施加電壓方式，得到驅(qū)動(dòng)柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。以視覺測量的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號，處理后分別進(jìn)行反饋控制柔性板振動(dòng)。 1

2、 摘要附圖 1 權(quán)利要求書 1、基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，其特征在于：基座（1）、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（2~5）、柔性懸臂板（6）、光源（7）、鏡頭（8）、CCD相機(jī)（9）、計(jì)算機(jī)（10）和顯示器（11）、雙通道D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器（12）、雙通道電壓放大器（13）柔性板（6）一端固定在基座（1）上，在柔性板（6）的表面粘帖壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片； 柔性板（6）自由端前方安裝一只CCD相機(jī)（9），CCD相機(jī)（9）光軸與靜止時(shí)的柔性板（6）自由端橫截面垂直，靜止時(shí)的柔性板（6）自由端橫截面處于相機(jī)視場范圍的水平中間位置；CCD相機(jī)（9）的鏡頭（8）前端安裝光源（7），CCD相機(jī)（

3、9）輸出端口與計(jì)算機(jī)（10）連接，計(jì)算機(jī)（10）與雙通道D/A轉(zhuǎn)換器（12）的輸入端連接，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器（12）與雙通道電壓放大器（13）連接，雙通道電壓放大器（13）與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片連接。 2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，其特征在于所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片包括第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（2）、第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（3）、第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（4）、第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（5）；所述第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（2）、第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（3）兩側(cè)壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極性相反，連接方式相同；第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（4）、第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（5），兩側(cè)壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極性相反，連接方式相同。 3、

4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)（10）外接顯示器（11）。 4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，其特征在于控制方法步驟如下： a，CCD相機(jī)9獲取柔性板6發(fā)生的彎曲和振動(dòng)信息的圖像序列，通過接口轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)10連接； b，確定第一幀圖像中的柔性板（6）自由端位置和后續(xù)圖像中柔性板(6)自由端的最大變化范圍，確定圖像ROI； c，通過邊緣檢測算法檢測柔性板（6）自由端邊緣，求取每行像素中兩個(gè)極大值，初步確定柔性板（6）的邊緣；利用Hough變換檢測圖像中直線，修正初步確定的邊緣，獲取柔性板自由端的邊緣

5、； d，計(jì)算機(jī)（10）采用改進(jìn)的快速并行中值濾波算法對CCD相機(jī)（9）拍攝的圖像序列進(jìn)行視覺圖像處理； e，把測量得出的柔性板（6）彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的參數(shù)作計(jì)算機(jī)（10）反饋信息，由計(jì)算機(jī)（9）控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器（12）對控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，雙通道電壓放大（13）器放大控制電壓，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（2~5）。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，其特征在于步驟b所述采用改進(jìn)的快速并行中值濾波算法減少隨機(jī)噪聲影響；第一幅圖像處理由圖像高度的1/10、全部寬度方向數(shù)據(jù)組成的ROI；計(jì)算出第一幅圖像中柔性板（6）自由端橫截面的

6、中心坐標(biāo)后，對于后續(xù)序列圖像，采用運(yùn)動(dòng)跟蹤方法確定ROI范圍，僅處理由同樣高度、100列寬度方向數(shù)據(jù)組成的ROI。 6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，其特征在于步驟c所述采用基于一階微分的Roberts邊緣檢測算子，提取出圖像ROI中柔性板（6）自由端橫截面的邊緣；通過求取圖像ROI中每行像素值的極大值點(diǎn)，初步得到柔性板（6）自由端橫截面邊緣；運(yùn)用Hough變換，檢測ROI中的直線，修正初步提取的邊緣；柔性板（6）自由端橫截面的中心即兩邊緣的中心，將該中心坐標(biāo)與未振動(dòng)時(shí)初始位置相減得到圖像中柔性板自由端位移，利用標(biāo)定得到的CCD相機(jī)（9）坐標(biāo)系中距離與世界

7、坐標(biāo)系中距離之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算得到柔性板（6）自由端橫截面中心的實(shí)際位移；在圖像坐標(biāo)系空間中，利用最小二乘法，將柔性板（6）自由端橫截面兩直線邊緣參數(shù)化，得到兩直線邊緣為，柔性板（6）扭轉(zhuǎn)角為； 其中為圖像中自由端橫截面兩平行直線邊緣上第個(gè)像素水平坐標(biāo)， 表示橫截面兩平行直線上的像素總數(shù)， 表示圖像中柔性板（6）靜止時(shí)自由端橫截面水平中心坐標(biāo)， 是圖像坐標(biāo)系下距離與世界坐標(biāo)系下距離之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 、分別代表兩邊緣直線在縱坐標(biāo)上的截距， 為圖像中自由端兩平行直線邊緣的斜率， 為柔性板（6）靜止時(shí)圖像中自由端橫截面兩平行直線邊緣的斜率。 7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于邊緣檢測的柔

8、性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，其特征在于步驟d所述的改進(jìn)的快速并行中值濾波算法：模板在圖像中按行移動(dòng)時(shí)，根據(jù)像素點(diǎn)所在的列與模板中應(yīng)該更新的列的關(guān)系；j是圖像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列。 8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，其特征在于所述模版是是模板，對于第1列（列數(shù)從0開始）的像素值，將該像素點(diǎn)的八鄰域像素值賦值給模板，按照快速并行中值濾波算法進(jìn)行處理；而對于第j（）列像素點(diǎn)，僅需將該像素點(diǎn)鄰域j+1列的像素值賦值給模板中列和對模板中的列進(jìn)行降序排列。 4 說明書 基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置與控制方法 技術(shù)領(lǐng)域 本

9、發(fā)明涉及大型柔性懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)角測量及主動(dòng)控制，特別涉及一種基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置與控制方法。 模擬大型太空帆板結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)角測量及主動(dòng)控制的方法和裝置，具體地說是提供一種針對模擬柔性太空帆板結(jié)構(gòu)、應(yīng)用基于機(jī)器視覺進(jìn)行彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)角測量及振動(dòng)主動(dòng)控制的方法和裝置。該裝置為模擬太空帆板的大型柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析和控制的目的，實(shí)現(xiàn)了利用機(jī)器視覺方法測量大型柔性板的低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及利用視覺反饋控制柔性板的振動(dòng)。 背景技術(shù) 柔性化、大型化是各類航天結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢，輕型結(jié)構(gòu)可以增加有效載荷的重量，提高運(yùn)載工具的效率；大型結(jié)構(gòu)可以增加空間的功能和航

10、天器設(shè)計(jì)、制造的靈活性。然而，由于大型柔性結(jié)構(gòu)剛度低、柔性大，在無外阻的太空中運(yùn)行時(shí)，極易受到外部激勵(lì)作用而產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長的低頻大幅值振動(dòng)，柔性板的振動(dòng)包括低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合的振動(dòng)。需要對低頻振動(dòng)進(jìn)行測量，分析振動(dòng)特性，控制柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，以保證柔性結(jié)構(gòu)及其上各種精密儀器的正常工作。在當(dāng)今世界各主要國家大力發(fā)展航空航天技術(shù)的背景下，太空條件下的大型柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測量和主動(dòng)控制就成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)性的重要課題。 現(xiàn)有的技術(shù)中，采用柔性板結(jié)構(gòu)模擬太空帆板，研究結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)測量及主動(dòng)控制，主要采用壓電片、加速度傳感器、形狀記憶合金等傳感器件，通過優(yōu)化配置傳感器，實(shí)現(xiàn)彎

11、曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的測量及主動(dòng)控制。但是，壓電材料和形狀記憶合金由于自身強(qiáng)度、疲勞壽命及耐溫性能等因素，應(yīng)用受到一定的限制；加速度傳感器測量得到的信號中噪聲相對較大，需要對信號進(jìn)行濾波。上述傳感器都是采用接觸式測量方法，由于傳感器需要與柔性結(jié)構(gòu)直接接觸，必將在柔性結(jié)構(gòu)上增加一些物理效應(yīng)（例如改變振動(dòng)物體的頻率、振幅等），影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。 在大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)測量及主動(dòng)控制的研究中，非接觸測量則能避免上述弊端，且還能快速獲取測量數(shù)據(jù)。非接觸測量以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，獲取反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)的參數(shù)信息。本發(fā)明中采用的機(jī)器視覺測量屬于非接觸測量，采用CCD相機(jī)，獲取

12、包含柔性結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息的圖像序列，利用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和理解，最終獲取反映結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)的參數(shù)信息。 發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置與控制方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，柔性板6一端固定在基座1上，在柔性板6的表面粘帖壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片； 柔性板6自由端前方安裝一只CCD相機(jī)9，CCD相機(jī)9光軸與靜止時(shí)的柔性板6自由端橫截面垂直，靜止時(shí)的柔性板6自由端橫截面處于相機(jī)視場范圍的水平中間位置；CCD相機(jī)9的鏡頭8前端安裝光源7，CCD相

13、機(jī)9輸出端口與計(jì)算機(jī)10連接，計(jì)算機(jī)10與雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12的輸入端連接，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12與雙通道電壓放大器13連接，雙通道電壓放大器13兩個(gè)輸出通道分別連接壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片。本發(fā)明裝置采用CCD相機(jī)9獲取柔性板6參數(shù)信息，保持了柔性結(jié)構(gòu)的物理屬性。 所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片包括第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片2、第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片3、第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片4、第四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片5。所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，所述第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（2）、第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（3）兩側(cè)壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極性相反，連接方式相同；第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片（4）、第四壓電陶瓷

14、驅(qū)動(dòng)片（5），兩側(cè)壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極性相反，連接方式相同。本發(fā)明采用這種連接方式，可以方便的得到柔性版6的彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻裝置，所述的計(jì)算機(jī)10還外接顯示器11。 基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，控制方法步驟如下： a，CCD相機(jī)9獲取柔性板6發(fā)生的彎曲和振動(dòng)信息的圖像序列，通過接口轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)10連接； b，計(jì)算機(jī)10采用改進(jìn)的快速并行中值濾波算法對CCD相機(jī)9拍攝的圖像序列進(jìn)行視覺圖像處理； c，確定第一幀圖像中的柔性板6自由端位置和后續(xù)圖像中柔性板(6)自由端的最大變化范圍，確定圖像ROI； d，通過邊緣檢測算法檢測柔

15、性板6自由端邊緣，求取每行像素中兩個(gè)極大值，初步確定柔性板6的邊緣；利用Hough變換檢測圖像中直線，修正初步確定的邊緣，獲取柔性板自由端的邊緣； e，把測量得出的柔性板6彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的參數(shù)作信息反饋給計(jì)算機(jī)10，由計(jì)算機(jī)9控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器12對控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，雙通道電壓放大13器放大控制電壓，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。 所述的基于邊緣檢測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，步驟b所述的改進(jìn)的快速并行中值濾波算法：模板在圖像中按行移動(dòng)時(shí)，根據(jù)像素點(diǎn)所在的列與模板中應(yīng)該更新的列的關(guān)系； j是圖像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列。 所述的基于邊緣檢

16、測的柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)低頻控制方法，所述模版是是模板，對于第1列列數(shù)從0開始的像素值，將該像素點(diǎn)的八鄰域像素值賦值給模板，按照快速并行中值濾波算法進(jìn)行處理；而對于第j列像素點(diǎn)，僅需將該像素點(diǎn)鄰域j+1列的像素值賦值給模板中列和對模板中的列進(jìn)行降序排列。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果： (1) 機(jī)器視覺屬于非接觸測量，本發(fā)明中的測量方法不需要在柔性板上安裝任何輔助器件或設(shè)備，不改變?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)的物理屬性，在光線適度的環(huán)境中即可參與測量，且可通過人工手段來營造適宜的測量環(huán)境，與采用粘貼要求較高的脆性壓電陶瓷材料相比，具有一定的優(yōu)勢；圖像成像不易受環(huán)境中噪聲干擾，通過調(diào)節(jié)CCD相機(jī)9上的

17、鏡頭8焦距，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。 (2) 采用加速度傳感器、角速率陀螺儀、壓電傳感器等傳感器測試模擬太空帆板的柔性板低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，傳感器所檢測到的信息還會耦合航天器本體的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和角度率等信息，需采用相應(yīng)的措施去掉這些信息。采用視覺傳感器測試振動(dòng)時(shí)，CCD相機(jī)9相對本體固定，所得到的信息就是太空帆板相對本體的運(yùn)動(dòng)信息。圖像包含的信息廣泛，可以從圖像中獲取柔性板的位移、扭轉(zhuǎn)角等信息，采用不同的圖像處理方法，還可以得到其他參數(shù)信息，具有其他傳感器無法比擬的優(yōu)勢。 (3) 傳統(tǒng)圖像處理方法需要確定圖像的閾值，以分割出圖像中的目標(biāo)物，閾值的準(zhǔn)確與否，直接影響到圖像分割的效果，并進(jìn)而影響目標(biāo)物

18、邊緣定位和識別，而目前的圖像處理方法很難根據(jù)圖像的具體情況確定出合適的閾值。本發(fā)明中采用的邊緣提取方法，不需要確定圖像的閾值，且能準(zhǔn)確的定位圖像中柔性板自由端橫截面的邊緣，并進(jìn)一步利用邊緣修正方法，修正提取的邊緣。通過上述方法，減少了圖像處理的誤差，提高了邊緣識別和定位的準(zhǔn)確性。 (4) 本發(fā)明中的改進(jìn)的快速并行中值濾波算法，在保證處理結(jié)果與傳統(tǒng)中值濾波算法相同的前提下，極大地提升了中值濾波的處理速度。 附圖說明 圖1是本發(fā)明的一種可選實(shí)施實(shí)例試驗(yàn)裝置組成示意圖， 圖2是圖1裝置中柔性板壓電片的粘貼方式示意圖， 圖3是圖1裝置中柔性板和壓電片的尺寸及位置圖， 圖4是圖3裝置

19、局部放大示意圖，？ 圖5是圖3裝置局部放大示意圖，？ 圖6 是圖1裝置中柔性板壓電驅(qū)動(dòng)器的彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式示意圖。 圖1-6：1--基座，2-5--壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片，6--柔性板，7--光源，8--鏡頭，9--CCD相機(jī)，10--計(jì)算機(jī)，11--顯示器，12--雙通道D/A轉(zhuǎn)換器，13--雙通道壓電放大器。 具體實(shí)施方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于實(shí)例所述范圍。 如圖1所示，基于機(jī)器視覺的太空帆板低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測量及主動(dòng)控制裝置，包括基座1、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片2—5、柔性板6、光源7、鏡頭8、CCD相機(jī)9、計(jì)算機(jī)10和顯示器11、雙通道

20、D/A轉(zhuǎn)換器12、雙通道電壓放大器13等部分。 柔性板6幾何尺寸和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片的布置如圖3所示，圖4和圖5分別為圖3的局部放大圖。懸臂板的幾何尺寸為，距柔性板6根部處和處兩側(cè)分別關(guān)于側(cè)面中線對稱粘貼壓電片，上、下壓電片之間距離，壓電片尺寸為，同側(cè)壓電片關(guān)于柔性板側(cè)面中心線對稱。 壓電片負(fù)極與柔性板粘貼，壓電片與驅(qū)動(dòng)壓電放大器的電源連接方式如圖2所示。圖2 (a)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，圖2 (b)為彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。圖2 (b)中，壓電片對2與3的兩側(cè)的壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極性相反，且兩壓電片對2和3連接方式相同；這樣就驅(qū)動(dòng)了柔性板的彎曲運(yùn)動(dòng)。圖2 (a)中，壓電片對4和5的兩側(cè)的壓電驅(qū)動(dòng)連接方式極

21、性相反，但兩壓電片對4和5連接方式也相反；這樣就驅(qū)動(dòng)了柔性板的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣就分別得到了柔性板彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的示意圖如圖6所示。 CCD相機(jī)型號為Imagesource DFK21BU04,采集的圖像大小為，幀率為60fps(幀/秒)。CCD相機(jī)通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，利用CCD相機(jī)作為傳感器檢測柔性板低頻彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。利用CCD相機(jī)測量得到的柔性板自由端橫截面橫向中心位移和扭轉(zhuǎn)角作為反饋，由計(jì)算機(jī)主動(dòng)控制算法產(chǎn)生控制量，經(jīng)過雙通道D/A轉(zhuǎn)換器、雙通道壓電放大器后，驅(qū)動(dòng)壓電片產(chǎn)生控制作用，抑制柔性板的振動(dòng)。 CCD相機(jī)相對柔性板固定端的位置和姿態(tài)確定，位于

22、懸臂板自由端正前方距離300mm處。靜止時(shí)自由端橫截面與CCD相機(jī)光軸線垂直，且大約處于相機(jī)視場范圍的水平中間位置處，保證柔性板振動(dòng)時(shí)自由端始終處于CCD相機(jī)的視場范圍內(nèi)且正面拍攝。整個(gè)系統(tǒng)中，存在以像素為單位的圖像平面直角坐標(biāo)系、以毫米為單位的圖像平面直角坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系，各坐標(biāo)系的原點(diǎn)分別記為、、和，其中點(diǎn)為圖像左上角第一個(gè)像素，點(diǎn)為圖像的中心，為相機(jī)光心，為相機(jī)前方一定距離處某一點(diǎn)，且、、均位于相機(jī)光軸線上，相機(jī)光軸線與、、和均垂直。其中軸、軸、軸平行且同向，軸、軸、軸也平行同向。攝像機(jī)位置和姿態(tài)固定，攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系只存在平移關(guān)系。 圖像中任一像素在坐標(biāo)系和下

23、關(guān)系為： 其中，、分別表示CCD相機(jī)成像芯片上每一像素在軸、軸方向上的物理尺寸。 空間中某一點(diǎn)在世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)之間關(guān)系為： 其中，和分別表示兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移關(guān)系矩陣， ，， 圖像中任一像素在圖像坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系下關(guān)系為： 其中，表示相機(jī)焦距。 圖像中任一像素在圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下關(guān)系為： 上式變形為： 其中，、、、、為CCD相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，為外部參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)由相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，外部參數(shù)通過標(biāo)定獲取。本發(fā)明中采用的CCD相機(jī)，，故圖像中像素沿和軸的物理尺寸相同。圖像中柔性梁末端橫截面中心在圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的初始位置分別為

24、和，振動(dòng)時(shí)某一時(shí)刻的位置為和，柔性板自由端橫截面中心在圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下的位移之間的關(guān)系為： 當(dāng)柔性板發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，CCD相機(jī)拍攝的包含柔性板自由端橫截面的圖像序列通過USB接口傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)程序?qū)D像序列進(jìn)行相關(guān)識別處理，獲取柔性板自由端的橫向位移和扭轉(zhuǎn)角。 測量過程中，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能獲取測量結(jié)果，而圖像數(shù)據(jù)量大，為保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，在不影響測量準(zhǔn)確性的前提下，采取選取圖像ROI的方式，大幅減少處理的數(shù)據(jù)量。首先，需要確定圖像中柔性板自由端橫截面在圖像中的初始位置，而柔性板水平振動(dòng)，故處理第一幀圖像時(shí)，處理由全部水平方向、縱向的1/10數(shù)據(jù)組成

25、的ROI，即ROI大小為。后續(xù)圖像ROI的位置由處理前一幀圖像得到的柔性板自由端橫截面水平中心位置決定，估計(jì)自由端位置的最大變化范圍，得到圖像的ROI，即ROI大小為。 確定圖像的ROI后，采用中值濾波方法對ROI進(jìn)行濾波，減少ROI中的噪聲，提高ROI質(zhì)量。采用空域模板濾波方式，即一定大小的模板在ROI上移動(dòng)，將模板上的像素值中值作為該點(diǎn)的像素值。由于傳統(tǒng)的中值濾波算法需要不斷對全部模板元素賦值和排列，耗時(shí)較長。本發(fā)明中采用改進(jìn)的快速并行中值濾波算法（模板大小為）。 快速并行中值濾波算法如下（僅考慮單個(gè)模板內(nèi)的運(yùn)算）： ① 對模板中的每一列像素值從上至下按降序排列，將每列計(jì)算出來的最大

26、值、中值和最小值分別組成最大值組、中值組和最小值組。 ② 分析判斷模板中的像素值。可知：最大值組中的最大值一定是9個(gè)像素中的最大值；最小值組的最小值一定是9個(gè)像素中的最小值；中值組中的最大值一定至少大于5個(gè)像素值，中值組中的最小值一定至少小于5個(gè)像素值；最大值組中的中值一定至少大于5個(gè)像素值，最小值組中的中值一定至少小于5個(gè)像素。由此可判斷，中值只可能是剩下的3個(gè)像素值的中值。 求取剩下的3個(gè)像素值的中值，得到整個(gè)模板的中值。 上述快速并行中值濾波算法僅僅考慮單個(gè)模板內(nèi)的運(yùn)算，當(dāng)模板在圖像中移動(dòng)時(shí)，需要不斷更新整個(gè)模板的像素值；而本發(fā)明中采用的改進(jìn)的快速并行中值濾波算法與上述快速并行中值

27、濾波算法相比較，當(dāng)模板在圖像中按行移動(dòng)時(shí)，不需要每次都更新整個(gè)模板的像素值，而是根據(jù)像素點(diǎn)所在的列與模板中應(yīng)該更新的列的關(guān)系，j是圖像中像素所在的列，J是模板中需要更新的列，這里是對于的模板而言。對于第1列（列數(shù)從0開始）的像素值，將該像素點(diǎn)的八鄰域像素值賦值給模板，按照快速并行中值濾波算法進(jìn)行處理；而對于第j（）列像素點(diǎn)，僅需將該像素點(diǎn)鄰域j+1列的像素值賦值給模板中列和對模板中的列進(jìn)行降序排列。該方法避免了重復(fù)對模板中的元素全部賦值和排列，縮短了中值濾波的時(shí)間。 ROI經(jīng)過中值濾波，提高了圖像質(zhì)量。運(yùn)用一階導(dǎo)數(shù)微分算子Roberts算子，對ROI進(jìn)行微分運(yùn)算，提取圖像邊緣信息。Rober

28、ts微分算子為： 其中，、分別是微分算子中、方向的分量，表示八鄰域模板中第個(gè)像素值，八鄰域模板為: 微分運(yùn)算后，通過求取ROI中每行像素值的兩個(gè)極大值，并將兩極大值處的像素值置為灰度最大值255，其他位置處像素值置為灰度最小值0，即可初步確定柔性板自由端的邊緣。利用Hough變換，檢測ROI中的直線，修正初步提取的邊緣。 在圖像空間中，利用最小二乘法，將柔性板自由端橫截面兩平行邊緣直線參數(shù)化，得到兩直線為： 其中，、和分別表示圖像平面直角坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，為直線斜率，、分別是兩直線在縱坐標(biāo)上的截距。 計(jì)算圖像ROI中柔性板自由

29、端橫截面的水平中心坐標(biāo)： 其中，表示圖像中柔性板自由端橫截面邊緣上像素的橫坐標(biāo)，表示兩直線上像素的總個(gè)數(shù)。將該中心水平坐標(biāo)與未振動(dòng)時(shí)初始位置橫截面中心水平坐標(biāo)相減，得到圖像中柔性板自由端橫截面中心的橫向位移： 其中，表示柔性板靜止時(shí)自由端橫截面中心水平坐標(biāo)。通過標(biāo)定得到的相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系下尺寸之間的關(guān)系，計(jì)算得到柔性板末端中心的實(shí)際水平位移： 其中，是標(biāo)定得到的圖像坐標(biāo)系中距離和世界坐標(biāo)系中距離之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即。 計(jì)算圖像ROI中柔性板自由端橫截面的扭轉(zhuǎn)角： 。 其中，是柔性板靜止時(shí)自由端橫截面邊緣直線的斜率。 利用上述的位移和轉(zhuǎn)角分別可以得到柔性板的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，分別利用這兩個(gè)信號反饋，運(yùn)行控制算法后，經(jīng)過雙通道D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)過雙通道電壓放大器放大后，驅(qū)動(dòng)壓電片分別產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)控制力矩，進(jìn)行控制柔性板的振動(dòng)。 12 說明書附圖 圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 2