CN100491908C - 太空柔性帆板结构形态感知与可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建的方法和装置。这种方法采用分布植入在帆板结构表面的离散布拉格光纤光栅传感网络，检测各个测量点的结构应变信息，之后在计算机内对检测信息进行数据处理，包括对结构应变信息到曲率信息的转化、曲率数据的插值、空间曲面拟合算法的运用，最后利用计算机图形处理技术，将模拟太空柔性帆板结构的形变状态在计算机上进行精确的三维实时重建和显示。本方法所需的装置包括一个分布植入光纤光栅传感网络的模拟太空柔性帆板结构、一台光纤光栅网络信号分析仪、一台计算机和一个显示器。

Description

太空柔性帆板结构形态感知与可视化方法

技术领域

本发明涉及一种空间柔板曲面形态感知及其可视化的方法和装置，尤其针对一种太空柔性帆板模型结构的形态感知与可视化方法和装置。

背景技术

当今世界主要国家都在竞先发展航空航天事业，并积极地探索更深层的太空空间，进而导致航天器日趋大型化和复杂化。由于航天器的主要能源来自于固定在太阳能帆板表面的硅光电池，通过将太阳能转化为电能实现对航天器的能量提供，因此不断强化的能源需求导致太阳能帆板的日趋大型和伸展，目前翼展长达数十米的太阳能帆板已不鲜见，由此对帆板结构的运行稳定和拓扑保形要求也更趋严格。由于太阳能帆板、大型卫星天线等空间柔性结构，需要在长期运行期间保持很高的运行精度，通常对振动环境有着极为严格的要求，而这类结构一般具有低刚度小阻尼，固有频率较低和模态密集的特征，同时太空环境又无外阻，因此极易受到扰动影响而发生振动，且使得绝大数常规振动监测与控制方法难以达到技术要求。如航天器在太空运行时，一旦受到机动、折叠结构展开等因素激励，或受到宇宙风、微粒子流等外扰作用产生振动，如果不采取有效的振动监测与抑振措施，其大幅度的振动就不会在较短时间里停止，不仅影响结构本身的工作性能，而且通过与主体的耦合作用，进而可产生影响航天器的姿态稳定和定向精度问题；长期和强烈的振动还将造成结构疲劳破坏，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航天结构的安全。因此如何实时监测大型柔性航天结构如太阳能帆板结构的形态变化，对了解其健康运行状态和振动控制起着至关重要的作用。

现有技术中，太空柔性帆板结构形态感知可以采用的方法有：在视觉可见的环境下采用CCD摄像机对帆板拍照，利用特殊的图像处理技术，对其形变状况进行分析；利用激光技术，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，从而获得帆板的形变数据；同时也可以采用超声波、三位磁场定位等检测方法。这些测量方法或者采集数据量巨大，数据处理复杂，很难精确获得帆板的形态信息，从而导致形态感知不精确，或者由于检测数据方式和所需设备结构的限制，导致不能很好的适应空天环境，很难应用于实际工程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太空帆板结构形态感知以及可视化的方法和装置，对太空帆板的空间变形进行精确检测，并实现其可视化显示。这种方法利用离散布拉格光纤光栅传感网络，检测板面离散的若干点应变信息，然后利用一定的空间曲面拟合算法计算出帆板各点的坐标值，最后根据这些坐标值并利用计算机图形处理技术，在计算机屏幕上对帆板的变形状况进行重建，实现帆板形态的三维可视化实时显示。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种模拟太空柔性帆板结构形态感知与可视化新方法，其特征是利用离散布拉格光栅传感阵列检测帆板表面的应变信息，从而实现帆板的形态信息感知，然后利用一定的曲面拟合算法和计算机图形处理技术，实现对柔性帆板结构形态变化的可视化重建，具体步骤为：

(1)形态感知信息提取与处理；

(2)曲面重建与可视化显示。

上述的形态感知信息提取与处理的具体步骤如下：

1)离散布拉格光纤光栅传感网络

在分析帆板形变特性的基础上，在帆板表面优化植入一系列布拉格光栅传感器。可以根据应用的要求，选择布拉格光栅传感器的数量，并采用相应的植入技术，实现离散传感网络的构建。优化的布拉格光栅传感器网络可以精确测量结构分布值入点处的应变信息。

2)光纤光栅信号的提取

根据光栅传感网络的分布特点和数量，选择光栅传感信号提取模块和仪器，如选择光纤光栅网络信号分析仪，以提取结构上值入光栅传感点处的检测信号，实现针对结构应变信息的基本数据(波长数据)获取。

3)光纤光栅检测信号的处理

根据波长数据，通过一定处理手段，实现从波长信息到曲率信息的转化，具体过程如下：

a首先计算波长差值Δλ＝λ-λ_c

式中λ为光纤光栅解调设备监测到的当前波长数据，λ_c为光栅传感器在太空帆板变形之前的波长数据，称之为中心波长。

b计算曲率信息

由步骤a计算出的波长差值和布拉格光栅传感器的技术参数，可以计算出对应测量点当前的曲率值，计算公式如下：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{nh\α}}$

式中ρ为曲率，Δλ为波长差，n为有效折射率，光栅的周期为α，h为板的厚度。

上述的曲面重建与可视化显示的具体步骤如下：

1)曲率数据的插值

由于曲率信息是由分布光纤光栅传感网络离散测量转化得出，测量点的有限性和离散性使得能够获得的曲率信息总是有限的，如果直接采用有限检测点的曲率信息进行曲面拟合，所拟合出来的曲面势必非常粗糙而不能正确反映板面结构的形变状态，因此应该基于离散测点曲率值实现对未测量点的合理插值，以获知尽可能多的有效曲率点信息。不同的插值算法，对拟合曲面的准确性和光滑性有着重要的影响，因此应该针对不同的应用和具体的要求采用相应的插值算法。一般所采用的插值算法有线性插值、二次样条插值、三次样条插值等。

2)平面曲线拟合算法

平面曲线拟合算法是空间曲面拟合的核心所在，其过程是根据获得的曲率信息，对曲线上各点坐标经过递推计算过程进行精确计算。本发明采用斜率递推算法。由于曲率是曲线的二次微分，因此可由曲率递推出各点的斜率值，再由各点的斜率递推出各点的坐标值。

设第n、n+1个点的曲率分别为：ρ_n，ρ_n+1；斜率分别为：k_n，k_n+1；坐标为：(x_n，y_n)，(x_n+1，y_n+1)；两点斜率对x轴的夹角分别为：θ_n，θ_n+1；Δθ_n为两点切向角的变化值；Δs_n为两点之间的弧长；如图2所示，存在以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\mathrm{arctg}\left(k_n\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{n+1}=\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n+1}-{\mathrm{\θ}}_n\\ {\mathrm{\ρ}}_n\stackrel{\·}{=}\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_n}{{\mathrm{\Δs}}_n}\end{array}\right.$

由上式得： ${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)-\mathrm{arctg}\left(k_n\right)}{{\mathrm{\Δs}}_n}$

所以：k_n+1＝tg[ρ_n·Δs_n+arctg(k_n)]

即只要给定边界条件，就可以递推出各点的斜率，并在此基础上递推出各点坐标：

$\mathrm{\Δx}=\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

$\mathrm{\Δy}=k_n\·\mathrm{\Δx}=\frac{k_n{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

由此可得： $\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+\mathrm{\Δx}=x_n+\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\\ y_{n+1}=y_n+\mathrm{\Δy}=y_n+\frac{k_n\·{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\end{array}\right.$

根据上式可以递推平面曲线上各点的坐标值。

3)基于平面曲线的空间曲面分解与合成

根据帆板的结构特性，可以将帆板看成由一系列曲线组成，而这些曲线的变化又可以近似认为是在一个平面内的变化，因此可以利用上述的平面曲线拟合算法，把每条曲线的坐标信息拟合出来，从而板面所有点的空间坐标信息都可以获得。通过对板面大量点集的空间位置坐标进行图形处理，最终达到空间曲面重建与可视化的目的。这种基于平面曲线拟合方式，并进而组合处理为空间曲面的策略对帆板结构的低频弯曲振动形态重建，理论上不存在误差；而对于帆板结构的扭曲振动形态，由于进行了一定的近似和逼近，理论上存在一定的误差。考虑到帆板结构的具体结构形式和悬臂固定方式，它的扭曲振动幅度不会很大，特别是从视觉的角度考虑，这种误差完全可以忽略。

4)曲面的可视化重建

本发明在拟合出曲面上各点位置坐标的基础上，利用计算机软件技术和计算机图形处理技术，在计算机屏幕上准确、高效、逼真地实现了模拟太空柔性帆板结构形变状态的三维实时可视化重建和显示。

一种模拟太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建的装置，作为应用上述的太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建方法的设备，包括一台光纤光栅网络信号分析仪、一台计算机和一个显示器，其特征在于有一个被检测的模拟太空柔性帆板结构(表面上植入光纤光栅传感网络)，所述的光纤光栅传感网络的输出连接到光纤光栅网络信号分析仪，实现针对结构应变信息的基本感知信息的提取；所述的光纤光栅网络信号分析仪的输出信号连接到所述的计算机，由计算机进行算法运算和图形处理，然后在所述的显示器上显示出来。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：检测数据量较少，通过检测帆板结构表面若干点的应变信息，就可以准确地反应整个板面的形态变化信息，并且无需提供视觉可见的环境，如此大大提高了实际适用性和应用可行性，非常适合航天器运行的视觉不可见空天环境；感知网络易于与基体集成和具有很强的抗干扰能力，本发明采用体积非常小的布拉格光纤光栅传感器，这种材料非常适合植入结构基体内部或表层形成智能结构，可以抗强电磁场干扰，抗腐蚀，并具有很强的复用性；空间曲面拟合算法易于实现，由于本发明舍弃了复杂冗余的直接计算空间坐标的传统方法，而是通过曲率方式进行了一定转化，减少了算法所需数据量，不但简化了数据检测设备的结构，而且算法本身也可以简便地在计算机中实现；由于本发明直接从模拟太空帆板结构入手，通过检测帆板表面应变，获得结构形变曲率信息，因此可以较传统方法更为精确的获得帆板结构的形态信息，并完全克服了基于传统坐标信息的拟合方法对于航天器结构的不适应性。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施实例结构示意图。

图2为针对太空帆板前三阶振动变形的优化传感网络。

图3为分布传感网络某传感点传感器表面粘贴实物照片图。

图4为平面曲线拟合算法原理示意图。

图5为系统软件数据处理流程图。

图6为针对结构某弯曲变形的可视化重建结果照片图。

图7为针对结构某扭转变形的可视化重建结果照片图。

图8为实施实例装置实物照片图。

具体实施方式

本发明的一个实施实例是对一端简支固定悬臂梁方式的模拟太空柔性帆板模型进行结构形态感知和可视化重建。

本太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建装置采用图1所示结构，包括一个模拟太空柔性帆板结构①、离散分布的布拉格光纤光栅传感器②、一台光纤光栅网络信号分析仪③、一台算法运行及图形处理计算机④和一台显示器⑤，装置的实物组成结构图如图8所示。

本实例采用环氧树脂板作为模拟太空柔性帆板结构①的物理模型。这种复合聚合物结构具有较高的强度、较轻的质量和较好的柔性特征，静态时能够保持良好的面形特征，在施加载荷或承受激励时能产生较好的曲面形状和柔性特性。其技术参数为：

尺寸：1500×400×1.5mm(分别为长、宽、厚)

材料：环氧树脂

密度：7500kg/m³

泊松比：0.33

弹性模量：60-65GPa

环氧树脂柔性结构板采用一段简支固定的方式，形成悬臂梁结构(具体实物如图8中所示)，结构表面离散分布布置一个布拉格光纤光栅传感网络，此传感网络由24个布拉格光栅传感器组成，采用4×6的方式分布，考虑到试验板前三阶共振状态的应变分布，其分布示意图如图2所示。每个布拉格光栅传感器都采用表面粘贴的方式固定(见图3所示)，以准确测量环氧树脂结构柔板表面的应变变化。

离散布拉格光纤光栅传感网络所测量信息由光纤光栅网络信号分析仪提取，从而获得某时刻模拟帆板结构表面的应变变化。本实例通过计算机软件技术，在Windows下基于Visual C++6.0开发环境对数据进行转化处理，并对数据进行插值(采用线性插值方法)和对曲线进行拟合，最后利用OpenGL三维图形处理与渲染技术，对实验板的结构变形状况进行三维空间重建和可视化显示。数据的处理流程如下：

(1)程序初始化：初始化系统资源、全局变量、相关类中变量，实现系统环境的初始设置；

(2)初始化OpenGL运行环境：完成OpenGL与MFC的接口工作，使FMC程序能识别并正确调用OpenGL的API，包括创建设备描述表、设置像素格式和绘制模式等；

(3)数据采集：调用光纤光栅网络信号分析仪提供的API函数，以获得分布测量点的结构应变信息，以波长数据的形式获得；

(4)计算曲率：根据FBG传感器的特性计算出对应检测点的曲率值，同时基于插值算法进行合理有效的曲率插值；

(5)拟合与计算位置坐标：利用基于曲率信息的曲面拟合斜率递推算法，由分布曲率信息拟合计算出各点位置坐标；

(6)显示图形：在分布位置信息和坐标值获得的基础上，利用OpenGL所提供的API函数将各点拟合成面，进而基于三维重建方式动态显示曲面形态，并提供光照、纹理等逼真特效处理，实现模拟太空柔性帆板结构的形态变化三维实时重建与可视化显示。

程序流程图如图5所示。

利用上述方法和步骤对实验板的结构形态变化进行了感知重建，图6为实验板弯曲变形的形态感知可视化三维重建结果，图7为实验板扭转变形的形态感知可视化三维重建结果。

Claims (2)

1.一种太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建方法，其特征在于利用离散光纤光栅传感网络检测被测的太空柔性帆板结构表面应变信息，并通过相应的曲率转化、曲率插值和拟合算法，获得太空柔性帆板结构表面各检测点的坐标信息，最后利用计算机图形处理技术，实现模拟太空帆板结构形变状态的可视化重建显示；其具体步骤为：

(1)形态感知信息的提取与处理；

(2)曲面重建与可视化显示；

所述的形态感知和信息的提取与处理的步骤如下：

1)构建离散布拉格光纤光栅传感网络

在分析太空柔性帆板结构形变特性的基础上，在帆板结构表面优化植入一系列布拉格光栅传感器，实现离散光纤光栅传感网络的构建；

2)提取光纤光栅信号

根据光纤光栅传感网络的分布特点和数量，选择光纤光栅网络信号分析仪，以提取光栅传感器所检测的结构应变信息，实现结构应变基本感知数据的获取；

3)根据检测到的波长数据，通过如下的处理手段，实现从波长信息到曲率信息的转化：

(a)首先计算波长差值Δλ＝λ-λ_c

式中λ为光纤光栅解调设备监测到的当前波长数据，λ_c为光栅传感器在太空帆板变形之前的波长数据，称之为中心波长；

(b)计算曲率信息

由步骤a计算出的波长差值和布拉格光栅传感器的技术参数，计算出对应测量点当前的曲率值，计算公式如下：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{nh\α}}$

式中ρ为曲率，Δλ为波长差，n为有效折射率，光栅的周期为α，h为板的厚度。

2.根据权利要求1所述的太空柔性帆板结构形态感知与可视化重建方法，其特征在于所述的曲面重建与可视化显示的具体步骤如下：

1)曲率数据的插值

所采用的插值算法为线性插值、或二次样条插值、或三次样条插值；

2)平面曲线拟合算法

根据所获得的曲率信息，对曲线上各点坐标经过递推计算，采用斜率递推算法，其过程如下：

设第n、n+1个点的曲率分别为：ρ_n，ρ_n+1；斜率分别为：k_n，k_n+1；坐标为：(x_n，y_n)，(x_n+1，y_n+1)；两点斜率对x轴的夹角分别为：θ_n，θ_n+1；Δθ_n为两点切向角的变化值；Δs_n为两点之间的弧长；存在以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\mathrm{arctg}\left(k_n\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{n+1}=\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n+1}-{\mathrm{\θ}}_n\\ {\mathrm{\ρ}}_n\stackrel{\·}{=}\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_n}{{\mathrm{\Δs}}_n}\end{array}\right.$

由上式得： ${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)-\mathrm{arctg}\left(k_n\right)}{{\mathrm{\Δs}}_n}$

所以：k_n+1＝tg[ρ_n·Δs_n+arctg(k_n)]

根据固定边界条件递推出各点的斜率，在此基础上递推出各点坐标：

$\mathrm{\Δx}=\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

$\mathrm{\Δy}=k_n\·\mathrm{\Δx}=\frac{k_n{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

平面曲线上各点的坐标值由下式递推得出：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+\mathrm{\Δx}=x_n+\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\\ y_{n+1}=y_n+\mathrm{\Δy}=y_n+\frac{k_n\·{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\end{array}\right.$

3)基于平面曲线的空间曲面分解与合成

利用上述的平面曲线拟合算法，把每条曲线的坐标信息拟合出来，从而整个板面所有点的空间坐标信息都可以求出，通过对板面大量点集的空间位置坐标进行图形处理，最终达到空间曲面重建与可视化的目的；

4)曲面的可视化重建

在拟合出曲面上各点位置坐标的基础上，利用计算机进行图形处理，在计算机屏幕上准确、高效、逼真地实现了模拟太空柔性帆板结构的形态变化，以及实时三维可视化重建与显示。

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