專利名稱：臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光纖光柵智能結(jié)構(gòu)的非視覺形態(tài)感知和重建方法，尤其針對(duì)ー種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界在航空航天領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，其中臨近空間飛行器的方法探索和相關(guān)技術(shù)研究已成為熱點(diǎn)方向。臨近空間橫跨平流層、中間層和部分熱層，具有空氣稀薄、大氣密度低、空氣動(dòng)カ效應(yīng)和航空浮力作用較小的特點(diǎn)，因此巡航于此空域的飛行器具有遠(yuǎn)大于普通飛行器飛行速度的特征，例如超高音速臨近空間飛行器巡航速度最高可達(dá)9 12 馬赫。超高聲速飛行器一旦受到機(jī)動(dòng)或者外界干擾等因素的激勵(lì)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變或振動(dòng)響應(yīng)，如不及時(shí)采取有效的結(jié)構(gòu)形變或振動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化或振動(dòng)響應(yīng)的有效抑制，持續(xù)的結(jié)構(gòu)形變或振動(dòng)響應(yīng)不僅會(huì)影響飛行器內(nèi)部各種儀器的工作性能，而且可能發(fā)生改變飛行器預(yù)定航道的嚴(yán)重問(wèn)題，甚至完全導(dǎo)致飛行器巡航任務(wù)的失敗；長(zhǎng)期和劇烈的結(jié)構(gòu)形變或振動(dòng)響應(yīng)還將造成飛行器結(jié)構(gòu)疲勞，從而導(dǎo)致飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)性能下降甚至失效，直接威脅飛行器安全。判別臨近空間飛行器結(jié)構(gòu)運(yùn)行健康狀況的首要條件，是獲知飛行器機(jī)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的形變狀況和振動(dòng)形態(tài)，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形變狀況和低頻振動(dòng)形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并進(jìn)而能夠獲得結(jié)構(gòu)變化形態(tài)的重構(gòu)和顯示，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)安全和有效控制起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有相關(guān)方法和技術(shù)中，可予以考慮的主要?dú)w納為如下幾種在視覺可見的環(huán)境下采用高速攝像技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拍照，利用相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，對(duì)其形變狀況進(jìn)行綜合分析；利用激光技術(shù)，對(duì)發(fā)射激光及接受激光進(jìn)行特殊技術(shù)處理，從而獲得測(cè)量點(diǎn)的形變數(shù)據(jù)；采用超聲波、三位磁場(chǎng)定位等檢測(cè)方法，直接獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。這些測(cè)量方法和感知技術(shù)或者采集數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，或者采集精度太低，很難精確獲知機(jī)體結(jié)構(gòu)的形變信息，或者由于檢測(cè)數(shù)據(jù)方式和所需設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，不能適應(yīng)臨近空間飛行器的空天環(huán)境，因此很難應(yīng)用于實(shí)際工程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法，這種方法利用優(yōu)化分布的離散布拉格光纖光柵傳感陳列，感知飛行器模型各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變信息，并在獲取離散應(yīng)變信息之后，根據(jù)相關(guān)算法將離散應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為離散曲率信息，并在曲率插值的基礎(chǔ)上，基于正交曲率信息的空間三維曲線擬合算法，計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)身框架和機(jī)翼各點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值，并利用坐標(biāo)融合算法，得出模型各個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值，最后基于計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)模型形態(tài)變化進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)模型形變狀態(tài)或低頻振動(dòng)形態(tài)的三維可視化實(shí)時(shí)顯示。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建新方法，其特征是利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的離散布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)陣列，檢測(cè)結(jié)構(gòu)各離散測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信息，并利用一定的曲率轉(zhuǎn)化算法將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為曲率信息，從而實(shí)現(xiàn)模型的非視覺形態(tài)信息感知，然后利用一定的曲率擬合算法、坐標(biāo)融合算法和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)時(shí)形態(tài)重建和可視化顯示。具體可以分為如下兩個(gè)過(guò)程 1模型形態(tài)信息的提取與處理； 1模型坐標(biāo)點(diǎn)的擬合、融合和可視化顯示； 上述模型形態(tài)信息的提取與處理具體步驟如下 (1)離散布拉格光纖光柵傳感陣列設(shè)計(jì)
在分析模擬臨近空間飛行器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)體框架結(jié)構(gòu)和翼形結(jié)構(gòu)形變特性的基礎(chǔ)上， 優(yōu)化設(shè)計(jì)并植入一系列布拉格光纖光柵傳感陳列于上述結(jié)構(gòu)表面。可以根據(jù)應(yīng)用的要求和儀器設(shè)備的約束，合理選擇布拉格光纖光柵傳感陣列的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，并采用表面植入技術(shù)實(shí)現(xiàn)離散傳感陣列的構(gòu)建。優(yōu)化的布拉格光纖光柵傳感器陣列可以精確測(cè)量結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)
變I η息。( 2 )光纖光柵信號(hào)的提取
根據(jù)光纖光柵傳感陣列的分布特點(diǎn)和數(shù)量，選擇光纖光柵傳感信號(hào)處理儀器，如光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀，以提取結(jié)構(gòu)上光柵測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的基本數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)數(shù)據(jù))獲取。(3)應(yīng)變信息的處理
根據(jù)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從應(yīng)變信息(波長(zhǎng)數(shù)據(jù))到曲率信息的轉(zhuǎn)化，具體過(guò)程如下 a首先計(jì)算波長(zhǎng)差值Δス=ス-弋
式中ι力光纖光柵解調(diào)儀器監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，又為光柵傳感器在檢測(cè)點(diǎn)正常
狀態(tài)下(變形之前)的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，稱之為中心波長(zhǎng)，- 為所獲得波長(zhǎng)差。b確定測(cè)量點(diǎn)曲率轉(zhuǎn)化系數(shù)
在標(biāo)準(zhǔn)曲率標(biāo)定設(shè)備上，對(duì)波長(zhǎng)-曲率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得出相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的比例系數(shù)a、b，確定曲率的計(jì)算公式如下
ρ -α·ΑΛ +
式中ペ為曲率，Δ.1為波長(zhǎng)差，a、b為標(biāo)定參數(shù)。c計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的曲率值
由步驟a計(jì)算出的波長(zhǎng)差值和步驟b測(cè)得的標(biāo)定參數(shù)，計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲率值。上述模型坐標(biāo)點(diǎn)擬合與融合的具體步驟如下 (1)曲率數(shù)據(jù)的插值
光柵測(cè)點(diǎn)的有限性和離散性，使得能夠獲得的曲率信息總是有限的，如果直接采用有限測(cè)點(diǎn)的曲率信息進(jìn)行曲線擬合，所擬合出來(lái)的曲線勢(shì)必粗糙，且無(wú)法精確反映模型的形變狀態(tài)，因此需要基于離散測(cè)點(diǎn)曲率值實(shí)現(xiàn)對(duì)未測(cè)量點(diǎn)的合理插值，以獲知盡可能多的有效曲率點(diǎn)信息。不同的插值算法，對(duì)擬合曲線的準(zhǔn)確性和光滑性有著重要的影響，因此可針對(duì)不同的應(yīng)用和具體要求采用相應(yīng)的插值算法。一般所采用的插值算法有線性插值、二次樣條插值、三次樣條插值等。(2)基于正交曲率的空間曲線擬合
7基于正交曲率的空間曲線擬合算法核心，是根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)的正交曲率，計(jì)算出其在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，然后根據(jù)動(dòng)坐標(biāo)系在固定坐標(biāo)系中的屬性(旋轉(zhuǎn)和平移)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系的坐標(biāo)。
a計(jì)算動(dòng)坐標(biāo)系下的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)
假設(shè)ー個(gè)測(cè)量點(diǎn)的兩個(gè)正交曲率分別為Pf Ai^其對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為ら，則此測(cè)量點(diǎn)動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)產(chǎn)》(不ァス)的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)χ、ァ、z計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種面向臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法，其特征在于具體操作步驟為(1)模型形態(tài)信息的提取與處理；(2)模型的坐標(biāo)點(diǎn)擬合、融合和可視化顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法，其特征在于所述步驟(1)模型形態(tài)信息的提取與處理具體步驟如下①設(shè)計(jì)離散布拉格光纖光柵傳感陣列設(shè)計(jì)在分析模擬臨近空間飛行器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)體框架結(jié)構(gòu)和翼形結(jié)構(gòu)形變特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用的要求和儀器設(shè)備的約束，合理選擇布拉格光纖光柵傳感陣列的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，優(yōu)化設(shè)計(jì)并植入一系列布拉格光纖光柵傳感陳列于上述結(jié)構(gòu)表面；②光纖光柵信號(hào)的提取利用光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀，提取結(jié)構(gòu)上光柵測(cè)點(diǎn)處的檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)應(yīng)變信息的基本數(shù)據(jù)一一波長(zhǎng)數(shù)據(jù)獲取；③應(yīng)變信息的處理根據(jù)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從波長(zhǎng)數(shù)據(jù)到曲率信息的轉(zhuǎn)化，具體過(guò)程如下a首先計(jì)算波長(zhǎng)差值ΑΛ = Λ式中ι力光纖光柵解調(diào)儀器監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，-I為光柵傳感器在檢測(cè)點(diǎn)正常狀態(tài)下即變形之前的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，稱之為中心波長(zhǎng)，ΔΛ為所獲得波長(zhǎng)差； b確定測(cè)量點(diǎn)曲率轉(zhuǎn)化系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)曲率標(biāo)定設(shè)備上，對(duì)波長(zhǎng)-曲率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得出相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的比例系數(shù)β、 ，確定曲率的計(jì)算公式如下p-a*tiA+b式中”カ曲率,ム〗為波長(zhǎng)差，ο、 為標(biāo)定參數(shù)； c計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的曲率值由步驟a計(jì)算出的波長(zhǎng)差值和步驟b測(cè)得的標(biāo)定參數(shù)，計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲率值。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法，其特征在于所述步驟(2)模型的坐標(biāo)點(diǎn)擬合、融合和可視化顯示具體步驟如下①曲率數(shù)據(jù)的插值基于離散測(cè)點(diǎn)曲率值實(shí)現(xiàn)對(duì)未測(cè)量點(diǎn)的合理插值，以獲知盡可能多的有效曲率點(diǎn)信息，可針對(duì)不同的應(yīng)用和具體要求采用相應(yīng)的插值算法，一般所采用的插值算法有線性插值、二次樣條插值、三次樣條插值；②基于正交曲率的空間曲線擬合根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)的正交曲率，計(jì)算出其在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，然后根據(jù)動(dòng)坐標(biāo)系在固定坐標(biāo)系中的屬性一一旋轉(zhuǎn)和平移進(jìn)行坐標(biāo)變換，將動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系的坐標(biāo)；算法運(yùn)算的具體過(guò)程如下a計(jì)算動(dòng)坐標(biāo)系下的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)假設(shè)ー個(gè)測(cè)量點(diǎn)的兩個(gè)正交曲率分別為,其對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為ら，則此測(cè)量點(diǎn)動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)i^feァメ)的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)χ、ァ、z計(jì)算公式如下計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法。該方法基于分布植入的離散布拉格光纖光柵傳感陣列，感知和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳒y(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信息，并利用一定的曲率轉(zhuǎn)化算法將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為曲率信息；在曲率插值的基礎(chǔ)上，基于正交曲率信息的空間三維曲線擬合算法，計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)身框架和機(jī)翼各點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值，并利用坐標(biāo)融合算法，得出模型各個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男巫儬顩r和低頻振動(dòng)形態(tài)進(jìn)行重建，并實(shí)現(xiàn)模型形態(tài)變化的三維可視化實(shí)時(shí)顯示。本方法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)表面植入光纖光柵傳感陣列的模擬臨近空間飛行器模型、一臺(tái)帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀、一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)和一個(gè)顯示器。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102542606SQ20121000814
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者喬曉萍, 孫冰, 張合生, 易金聰, 朱曉錦, 蔣麗娜, 陳志燕 申請(qǐng)人:上海大學(xué)