[发明专利]基于高速相机的柔性机翼振动检测与控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性结构振动检测与控制领域，具体涉及一种基于高速相机的柔性机翼振动检测与控制装置及方法。

背景技术

随着航空业的飞速发展，飞机在货物运输和旅客运输方面扮演着一个越来越重要的角色，包括在航天飞行器上的运用和功能性无人机的发展上面，“飞机”这一个二十世纪最伟大的发明之一，越来越变成了当今世界一个不可或缺的工具。在飞机的设计和实际应用当中，机翼的振动是其中一个相当重要和关键的考虑因素，如果没有有效抑制飞机机翼振动的手段，在飞机飞行的过程当中，振动会使机翼产生机械疲劳，在应力和应变作用下，若一处或者若干处产生损伤，经过一段时间过后，当损伤累积到一定程度时，会产生裂纹甚至发生突发性断裂。机翼的振动不但会对机翼上的梁、翼肋、翼根等部件造成损伤，降低它们的使用寿命，严重时更会影响到飞机的正常飞行，导致飞机的飞行中断甚至是坠毁，造成严重的经济损失并对飞机上的乘客以及技术人员的生命造成严重威胁。在这样的一个背景之下，飞机柔性机翼的振动抑制成为了航空研究领域里面一个愈发受到重视的课题方向。

机翼的振动，在航空研究领域又名颤振，当飞行的速度达到一定的数值，即达到颤振的临界速度的时候，机翼的部件在气动力、弹性力和惯性力的相互作用下，会发生一个不衰减的振动，主要原因是机翼上表面的气流发生分离引起了大量的涡流，不断地在机翼上产生，又不断地离开机翼，使机翼上表面的气流分离现象时而严重，时而缓和，这种变化会使机翼产生抖动，致使柔性机翼产生扭曲和弯曲。

基于高速相机的机器视觉振动检测方法具有很多优点。其一，它是一种非接触式的检测方法，对被测对象无损，不影响被测对象的动态性能，不会对柔性机翼增加附加的质量而对它的正常工作产生影响。其二，这种检测方法结构简单，不需要激光光源和其它的辅助装置，随着图像处理及识别技术的发展和进步，高速相机检测振动成为了一种简单而有效的测振方法，具有非常高的实用价值。其三，高速相机检测振动是一种多点检测方法，相对比于一些单点检测的方法，高速相机检测振动在检测多个点的模态变化的时候具有很大的优势，只要高速相机的分辨率和拍摄频率足够高，拍摄的范围足够大，只需要在被测范围里面作上若干个标记点，它可以在一个范围里面精确检测多个点的振动，获取多个点的模态信息。其四，高速相机的检测速度非常快，它的摄影速率可以轻易地达到10帧每秒，在很短的时间内就可以获得足够分析柔性机翼振动的一系列图像。但是，高速相机检测柔性机翼振动仍然存在一个缺点，就是图像处理以及分析到获得机翼振动模态的时间相对较长，无法使用高速相机检测的振动信息作为反馈来控制柔性机翼的振动。压电式加速度传感器就可以弥补高速相机这方面的劣势，压电式加速度传感器的质量很小，相对于机翼几乎可以忽略不计，而且工作稳定，可靠性高。采用压电式加速度传感器，可以迅速收集柔性机翼的振动信息，将其转化为反馈信号，即时控制机翼的振动。

在控制方面，目前应用于控制领域的作动器，常用的有磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器、液压作动器、电动作动器、电磁作动器等。电磁作动器的工作原理是当电流通过导体时，在导体周围产生电磁场，从而引起铁磁物质的机械运动。在众多作动器当中，电磁作动器具有结构紧凑、能耗小、反应灵敏和输出力较大等优点，对比于其他作动器，电磁作动器非常适用于柔性机翼振动控制领域。

发明内容

本发明的目的是针对现有的柔性机翼振动检测与控制技术的缺点和不足，提供了一种基于高速相机的柔性机翼振动检测与控制装置，该装置在使用高速相机作为振动检测和分析的手段的同时使用加速度传感器作为辅助，克服了高速相机获得机翼的振动信息需要一定时间对获得的相片进行分析和处理，不能够即时将振动信息反馈到驱动器的问题，可以简单、快捷地获得被测区域里全面的振动信息，并将振动信息即时反馈到计算机，经过计算机中设定好的控制算法处理，获得控制量，输出到电磁作动器，产生控制力，使柔性机翼的振动得到抑制。

本发明的另一目的在于提供一种基于高速相机的柔性机翼振动检测与控制方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：