CN105953906B - 一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法 - Google Patents

一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超大型柔性结构全信息测量系统，包含：控制器及分别与控制器连接的接触式测量子系统和非接触式测量子系统；接触式测量子系统包含一应变信息处理单元及分别与应变信息处理单元连接的若干个应变传感器，若干个应变传感器分布在超大型柔性结构上；非接触式测量子系统包含一振动信息处理单元及分别与振动信息处理单元连接的远场振动信息测量单元及中近场振动信息测量单元；应变信息处理单元及振动信息处理单元分别与控制器连接。本发明还公开了一种超大型柔性结构全信息测量方法。本发明通过非接触式和接触式全信息测量信息融合手段，实时修正理论模态函数，可以极大提高模态坐标的测量准确度，保证航天器的姿态轨道控制效果。

Description

一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法
技术领域
本发明涉及柔性结构挠性振动信息测量技术，具体涉及一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法，属于航天器姿态确定相关领域。
背景技术
随着我国经济发展步入新常态，实现经济、社会和环境的和谐、可持续发展，地理信息产业已经成为发展绿色经济、循环经济、低碳经济的重要支撑。高分辨率空间遥感信息对资源、环境和农业部门制定科学发展策略，提高监管与服务职能，成为重要的参考依据。通过利用空间遥感数据可以用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染检测、海洋开发、地震监测等方面；同时可以用于获取基础地理空间信息，测绘地形，监测灾害，预测预警、防灾、减灾等方面。
为了满足我国对大幅宽高分辨率空间遥感观测需求，发展超大尺寸的观测载荷成为一种有效的解决途径，从而形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力。但超大尺寸的观测载荷也带来了航天器柔性结构占比过大，挠性附件尺寸、质量远远超过中心刚体的问题。超大型柔性结构模态振动会严重干扰整星姿态稳定，给整星姿态轨道控制带来了极大挑战。必须能够准确实时地得到挠性附件的模态振动信息，并反馈这些信息给控制器，从而实现精确鲁棒的控制。
柔性结构模态振动的测量方式一般有接触式和非接触式两种。接触式测量通过在柔性结构的关键点布置应变传感器，测量多点的局部应变信息，获得模态振动信息。而非接触式测量则通过在关键点布置靶标，通过激光扫描雷达或可见光相机获得靶标的振动位移信息，从而获得模态振动信息。两者都必须通过模态函数参与，才能获得模态分离的模态坐标信息，供给控制器使用。而模态函数是地面理论计算得到的，必然存在误差，而天上光热环境复杂多变，模态函数还会发生一定的变化。所以模态函数含有误差，导致模态坐标估计不准确，会严重影响控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法，通过非接触式和接触式全信息测量信息融合手段，实时修正理论模态函数，可以极大提高模态坐标的测量准确度，保证航天器的姿态轨道控制效果。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种超大型柔性结构全信息测量系统，其特点是，包含：
控制器及分别与控制器连接的接触式测量子系统和非接触式测量子系统；
所述的接触式测量子系统包含一应变信息处理单元及分别与所述应变信息处理单元连接的若干个应变传感器，所述的若干个应变传感器分布在超大型柔性结构上；
所述的非接触式测量子系统包含一振动信息处理单元及分别与所述振动信息处理单元连接的远场振动信息测量单元及中近场振动信息测量单元；
所述的应变信息处理单元及振动信息处理单元分别与控制器连接。
所述的远场振动信息测量单元包含一激光扫描雷达及若干个反射镜靶标，所述的激光扫描雷达与所述振动信息处理单元连接，所述的若干个反射镜靶标分布在超大型柔性结构上，用于获得该位置处的振动位移信息。
所述的中近场振动信息测量单元包含若干台可见光相机及若干个LED灯靶标，所述的若干台可见光相机分别与所述的振动信息处理单元连接，所述的若干个LED灯靶标分布在超大型柔性结构上，用于获得该位置处的振动位移信息。
一种超大型柔性结构全信息测量方法，用于超大型柔性结构全信息测量系统中，所述的超大型柔性结构全信息测量系统包含控制器及分别与控制器连接的接触式测量子系统和非接触式测量子系统，所述的接触式测量子系统用于测量区部应变信息，所述的非接触式测量子系统用于测量振动位移信息，其特点是，该方法包含以下步骤：
S1、根据超大型柔性结构的若干个区部应变信息和理论模态函数得到估计模态坐标；
S2、根据估计模态坐标及超大型柔性结构的若干个位置的振动位移信息得到估计模态函数；
S3、根据估计模态函数，对理论模态函数进行修正；
S4、根据修正后的理论模态函数，再次执行步骤S1，迭代循环，逼近得到准确的模态信息。
所述的步骤S1包含：
S1.1、接触式测量子系统的若干个应变传感器，分别采集对应位置的区部应变信息，得到对应位置的角应变信息；
S1.2、应变信息处理单元根据角应变信息计算得到每一个应变传感器所对应的位移差信息；
S1.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S1.4、求解该矛盾方程组的最小二乘解，得到模态坐标的估计值。
所述的步骤S1.2中计算位移差信息的公式为：
Δdi＝lsensorγi i＝1，2，…，N
其中，Δdi表示应变传感器在应变方向两端的位移差，角应变信息是整个应变传感器尺度下的应变量，lsensor表示应变传感器在应变方向上的尺度，γi表示角应变，N为接触式测量子系统中应变传感器的数量取值。
所述的步骤S2包含：
S2.1、采用多项式拟合的形式，建立超大型柔性结构的模态函数；
S2.2、非接触式测量子系统测量得到若干个位置的振动位移信息；
S2.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S2.4、求解该矛盾方程组，得到模态函数的估计值。
所述的位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式为：
d＝Φηn×1
其中，d表示对应位置点的位移值，ηn×1表示前n阶模态坐标，Φ表示该位置点的模态函数，模态函数为空间位置的函数。
所述的步骤S3中对理论模态函数进行修正的公式为：
Φ＝KoοΦ+KNοΦnew
其中，Φ表示理论模态函数，Φnew表示模态函数的估计值，ο符号表示元素对应相乘，Ko表示过去加权系数矩阵，KN为未来加权系数矩阵。
本发明一种超大型柔性结构全信息测量系统及其方法与现有技术相比具有以下优点：能够准确实时地得到挠性附件的模态振动信息，反馈这些信息给控制器，使带大型挠性附件航天器的姿态轨道得到更好的控制；通过接触式和非接触式两种测量信息融合的方法，在线实时修正模态函数误差，减少该误差对模态坐标的影响，提高模态振动信息的测量精度。
附图说明
图1为本发明一种超大型柔性结构全信息测量系统的整体结构框图；
图2为远场振动信息测量单元和中近场振动信息测量单元空间分布示意图；
图3为本发明一种超大型柔性结构全信息测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1及图2所示，一种超大型柔性结构全信息测量系统，包含：控制器100及分别与控制器100连接的接触式测量子系统200和非接触式测量子系统300；所述的接触式测量子系统200包含一应变信息处理单元201及分别与所述应变信息处理单元201连接的若干个应变传感器202，所述的若干个应变传感器202分布在超大型柔性结构400上，应变传感器202布局优化形成应变传感器群，应变信息处理单元201保证应变信息的同步性，即接触式测量子系统200测量应变传感器202处的区部应变信息；所述的非接触式测量子系统300包含一振动信息处理单元301及分别与所述振动信息处理单元301连接的远场振动信息测量单元302及中近场振动信息测量单元303，振动信息处理单元301实现远中近场振动信息的同步性；所述的应变信息处理单元201及振动信息处理单元301分别与控制器100连接。
在本实施例中，如图2所示，所述的远场振动信息测量单元302包含一激光扫描雷达3021及若干个反射镜靶标3022，所述的激光扫描雷达3021与所述振动信息处理单元301连接，所述的若干个反射镜靶标3022分布在超大型柔性结构400上，用于获得该位置处的振动位移信息，所述的激光扫描雷达3021设置在服务舱500上，激光扫描雷达3021和反射镜靶标3022配合实现远场振动信息的测量。
在本实施例中，如图2所示，所述的中近场振动信息测量单元303包含若干台可见光相机3031及若干个LED灯靶标3032，所述的若干台可见光相机3032分别与所述的振动信息处理单元301连接，所述的若干个LED灯靶标3032分布在超大型柔性结构400上，用于获得该位置处的振动位移信息，若干台可见光相机3031设置在服务舱500上，可见光相机3031和LED灯靶标3032的配合实现中近场振动信息的测量，较佳地，可见光相机3031分为近场相机和中场相机，以分别获得中近场振动信息的测量。
结合上述的超大型柔性结构全信息测量系统，本发明还公开了一种超大型柔性结构全信息测量方法，该方法包含以下步骤：
S1、根据超大型柔性结构的若干个区部应变信息和理论模态函数得到估计模态坐标。
S1.1、接触式测量子系统的若干个应变传感器，分别采集对应位置的区部应变信息，得到对应位置的角应变信息；
S1.2、应变信息处理单元根据角应变信息计算得到每一个应变传感器所对应的位移差信息；
S1.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S1.4、求解该矛盾方程组的最小二乘解，得到模态坐标的估计值。
其中，步骤S1.2中计算位移差信息的公式为：
Δdi＝lsensorγi i＝1，2，…，N
其中，Δdi表示应变传感器在应变方向两端的位移差，角应变信息是整个应变传感器尺度下的应变量，lsensor表示应变传感器在应变方向上的尺度，γi表示角应变，N为接触式测量子系统中应变传感器的数量取值。
步骤S1.3中位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式为：
d＝Φηn×1
其中，d表示对应位置点的位移值，ηn×1表示前n阶模态坐标，Φ表示该位置点的模态函数，模态函数为空间位置的函数。
步骤S1.3中得到的矛盾方程组为包含N个方程、n个未知量的矛盾方程组(N＞n)
经过N个应变传感器的信息融合，以减少Φ误差对模态坐标ηn×1的影响。
S2、根据估计模态坐标及超大型柔性结构的若干个位置的振动位移信息得到估计模态函数。
S2.1、采用多项式拟合的形式，建立超大型柔性结构的模态函数；
S2.2、非接触式测量子系统测量得到若干个位置的振动位移信息；
S2.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S2.4、求解该矛盾方程组，得到模态函数的估计值。
其中，步骤S2.1中，模态函数Φ可表示为如下形式：
Φ＝Φ(p，a1，a2，…，am)
其中，p表示空间位置，模态函数为空间位置的函数，a1，a2，…，am为拟合多项式的系数。
步骤S2.3中位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式为：
d＝Φηn×1
其中，d表示对应位置点的位移值，ηn×1表示前n阶模态坐标，Φ表示该位置点的模态函数，模态函数为空间位置的函数。
步骤S2.2中非接触式测量子系统测量得到M个位置(标记点)的振动位移信息，则可列如下矛盾方程组
通过求解以上矛盾方程组，可得系数a1，a2，…，am的值，从而得到模态函数Φ的估计值。
S3、根据估计模态函数，对理论模态函数进行修正。
对理论模态函数进行修正的公式为：
Φ＝KoοΦ+KNοΦnew
其中，Φ表示理论模态函数，Φnew表示模态函数的估计值，ο符号表示元素对应相乘，Ko表示过去加权系数矩阵，KN为未来加权系数矩阵。
S4、根据修正后的理论模态函数，再次执行步骤S1，迭代循环，逼近得到准确的模态信息。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种超大型柔性结构全信息测量方法，用于超大型柔性结构全信息测量系统中，所述的超大型柔性结构全信息测量系统包含控制器及分别与控制器连接的接触式测量子系统和非接触式测量子系统，所述的接触式测量子系统用于测量区部应变信息，所述的非接触式测量子系统用于测量振动位移信息，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S1、根据超大型柔性结构的若干个区部应变信息和理论模态函数得到估计模态坐标；
S2、根据估计模态坐标及超大型柔性结构的若干个位置的振动位移信息得到估计模态函数；
S3、根据估计模态函数，对理论模态函数进行修正；
S4、根据修正后的理论模态函数，再次执行步骤S1，迭代循环，逼近得到准确的模态信息。
2.如权利要求1所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的步骤S1包含：
S1.1、接触式测量子系统的若干个应变传感器，分别采集对应位置的区部应变信息，得到对应位置的角应变信息；
S1.2、应变信息处理单元根据角应变信息计算得到每一个应变传感器所对应的位移差信息；
S1.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S1.4、求解该矛盾方程组的最小二乘解，得到模态坐标的估计值。
3.如权利要求2所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的步骤S1.2中计算位移差信息的公式为：
Δdi＝lsensorγi ， i＝1,2,Λ,N
其中，Δdi表示应变传感器在应变方向两端的位移差，角应变信息是整个应变传感器尺度下的应变量，lsensor表示应变传感器在应变方向上的尺度，γi表示角应变，N为接触式测量子系统中应变传感器的数量取值。
4.如权利要求1所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的步骤S2包含：
S2.1、采用多项式拟合的形式，建立超大型柔性结构的模态函数；
S2.2、非接触式测量子系统测量得到若干个位置的振动位移信息；
S2.3、控制器根据位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式，得到对应的矛盾方程组；
S2.4、求解该矛盾方程组，得到模态函数的估计值。
5.如权利要求2或4所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的位移差信息与模态坐标及模态函数的关系式为：
d＝Φηn×1
其中，d表示对应位置点的位移值，ηn×1表示前n阶模态坐标，Φ表示该位置点的模态函数，模态函数为空间位置的函数。
6.如权利要求1所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的步骤S3中对理论模态函数进行修正的公式为：
Φ＝KoοΦ+KNοΦnew
其中，Φ表示理论模态函数，Φnew表示模态函数的估计值，ο符号表示元素对应相乘，Ko表示过去加权系数矩阵，KN为未来加权系数矩阵。
7.如权利要求1所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的接触式测量子系统包含一应变信息处理单元及分别与所述应变信息处理单元连接的若干个应变传感器，所述的若干个应变传感器分布在超大型柔性结构上；
所述的非接触式测量子系统包含一振动信息处理单元及分别与所述振动信息处理单元连接的远场振动信息测量单元及中近场振动信息测量单元；
所述的应变信息处理单元及振动信息处理单元分别与控制器连接。
8.如权利要求7所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的远场振动信息测量单元包含一激光扫描雷达及若干个反射镜靶标，所述的激光扫描雷达与所述振动信息处理单元连接，所述的若干个反射镜靶标分布在超大型柔性结构上，用于获得各个反射镜靶标位置处的振动位移信息。
9.如权利要求7所述的超大型柔性结构全信息测量方法，其特征在于，所述的中近场振动信息测量单元包含若干台可见光相机及若干个LED灯靶标，所述的若干台可见光相机分别与所述的振动信息处理单元连接，所述的若干个LED灯靶标分布在超大型柔性结构上，用于获得各个LED灯靶标位置处的振动位移信息。
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