CN106094562A - 薄膜结构变形测量与控制实验系统 - Google Patents

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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本发明提供一种薄膜结构变形测量与控制实验系统，包括薄膜结构试验件、变形测量系统、变形控制系统和监视控制系统；所述薄膜结构试验件包括薄膜阵面以及能够调整薄膜阵面形面的调整机构，所述变形测量系统包括两台摄影测量相机，采用两台摄影测量相机在两个不同角度拍摄薄膜阵面，将拍摄到的图像发送至监视控制系统，监视控制系统通过图像处理获取薄膜阵面的三维形面数据并将该数据传输给变形控制系统，变形控制系统根据三维形面数据计算薄膜阵面所需调整量，并驱动调整机构调整到指定位置，进而实现薄膜阵面的平面度控制。本发明能够模拟真实被控对象，对采用的控制方法进行充分验证，克服了理论仿真验证可信度不高的问题。

Description

薄膜结构变形测量与控制实验系统
技术领域
本发明涉及航天器结构变形控制领域，具体说涉及一种薄膜结构的变形测量与控制实验系统。
背景技术
薄膜结构，如：太阳帆、薄膜太阳电池阵、薄膜式天线结构、薄膜式反射镜结构等，因其面积大、重量轻、收藏体积小等优点在航天领域得到越来越广泛的应用。由于薄膜结构面积大、刚度低、阻尼弱等特点，在热载荷、姿态机动载荷、轨道机动载荷等干扰情况下，容易产生变形，其形面精度难以保持。而薄膜形面精度的降低将严重影响航天任务实施，或导致工作性能下降。
现有解决方法中主要通过进一步提高边框加工精度和刚度来保证薄膜阵面的初始形面精度。但现有方法不具有可调整性，在轨飞行过程中不能实时地调整，以满足薄膜阵面的高精度形面要求。另外目前该问题主要通过理论仿真进行研究，但理论仿真验证建立在较多近似假设的基础上，可信度不高，不能对控制算法的有效性进行充分验证。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜结构变形测量与控制实验系统，通过实验的方式实现对薄膜结构的变形测量与控制方法的有效性进行充分验证。
本发明的技术方案是：
一种薄膜结构变形测量与控制实验系统，包括薄膜结构试验件、变形测量系统、变形控制系统和监视控制系统；所述薄膜结构试验件包括薄膜阵面以及能够调整薄膜阵面形面的调整机构，所述变形测量系统包括两台摄影测量相机，采用两台摄影测量相机在两个不同角度拍摄薄膜阵面，将拍摄到的图像发送至监视控制系统，监视控制系统通过图像处理获取薄膜阵面的三维形面数据并将该数据传输给变形控制系统，变形控制系统根据三维形面数据计算薄膜阵面所需调整量，并驱动调整机构调整到指定位置，进而实现薄膜阵面的平面度控制。
本发明中，所述薄膜结构试验件包含边框、张力拉索、薄膜阵面、调整机构和若干反光标志点，所述薄膜阵面固定在边框内，所述薄膜阵面的周边设有一圈张力拉索，薄膜阵面周边通过张力拉索提供张力而使整个薄膜阵面张紧，张力拉索通过多个调整结构固定在边框上，若干个反光标志点以阵列的形式布置在薄膜阵面的表面。
进一步地，本发明中的张力拉索可以为一根，张力拉索穿设在薄膜阵面的周边形成一个整圈。或者张力拉索可以为多根，相邻张力拉索之间首尾相接形成一个整圈。
进一步地，本发明中的若干个反光标志点通过印刷或粘贴的方式设置薄膜阵面的表面。
进一步地，本发明所述薄膜结构试验件还包括支撑机构，所述支撑机构为三角支撑架，所述三角支撑架与边框连接，支撑机构为薄膜结构试验件整体提供支撑。
进一步地，本发明所述调整机构为滚珠丝杆调整机构。
本发明中，所述变形测量系统包括两台摄影测量相机和同步通讯控制器，摄影测量相机和同步通讯控制器之间通过通讯电缆连接，两台摄影测量相机在同步通讯控制器的控制下对薄膜阵面发射激光闪光并拍照，利用薄膜阵面上反光标志点的反光特性，两台摄影测量相机获得极高反差的标志点图像，两台摄影测量相机将从不同角度获取的标志点图像通过同步通讯控制器转发至监视控制系统。
本发明中，所述变形控制系统包含dSPACE半物理实时仿真系统、多个与调整机构一一对应的步进电机驱动器，dSPACE半物理实时仿真系统控制步进电机驱动器，步进电机驱动器用于驱动滚珠丝杆调整机构实现薄膜阵面的平面度控制。
本发明中，所述dSPACE半物理实时仿真系统与Matlab软件无缝链接，能够直接下载Matlab Simulink中的控制算法并进行实时控制实验。
本发明中，所述监视控制系统为一台工控计算机，且其内置Matlab软件、dSPACEControl Desk软件、图像处理软件和变形控制算法。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是初始形面调整后薄膜阵面形面。
图3是变形加载后薄膜阵面。
图4是变形控制后薄膜阵面。
具体实施方式
参照图1，本发明提供一种薄膜结构变形测量与控制实验系统，包括薄膜结构试验件1、变形测量系统2、变形控制系统3和监视控制系统4。所述薄膜结构试验件1包括薄膜阵面13以及能够调整薄膜阵面13形面的滚珠丝杆调整机构14，所述变形测量系统包括两台摄影测量相机，采用两台摄影测量相机在两个不同角度拍摄薄膜阵面，将拍摄到的图像发送至监视控制系统，监视控制系统通过图像处理获取薄膜阵面的三维形面数据并将该数据传输给变形控制系统，变形控制系统根据三维形面数据计算薄膜阵面所需调整量，并驱动滚珠丝杆调整机构调整到指定位置，进而实现薄膜阵面的平面度控制。
参照图1，所述薄膜结构试验件1包含边框11、张力拉索12、薄膜阵面13、滚珠丝杆调整机构14、三角支撑架15和若干反光标志点16，所述三角支撑架15与边框11连接，三角支撑架15为薄膜结构试验件1整体提供支撑。
所述薄膜阵面固定在边框内，所述薄膜阵面的周边设有一圈张力拉索，薄膜阵面周边通过张力拉索提供张力而使整个薄膜阵面张紧，张力拉索12通过多个调整结构固定在边框上，若干个反光标志点16通过印刷或粘贴的方式以阵列的形式布置在薄膜阵面13的表面。本实施例中，调整机构为10个滚珠丝杆调整机构。所述边框11为长方形边框，边框11内部张紧的薄膜阵面13整体也是长方形。10个滚珠丝杆调整机构分别设置在长方形边框的四边上，其中长方形边框的四个顶点各设置有一个滚珠丝杆调整机构，长方形边框的长边中间均等间距设置有三个滚珠丝杆调整机构。设置有滚珠丝杆调整机构处的张力拉索12连接固定在滚珠丝杆调整机构上。
所述变形测量系统2包括两台摄影测量相机21、通讯电缆22、同步通讯控制器23、三脚架24和反光标志点16。两台摄影测量相机21和同步通讯控制器23之间分别通过通讯电缆22连接，两台摄影测量相机21在同步通讯控制器23的控制下对薄膜阵面发射激光闪光并拍照，利用薄膜阵面上反光标志点16的反光特性，两台摄影测量相机21获得极高反差的标志点图像，两台摄影测量相机21将从不同角度获取的标志点图像通过同步通讯控制器23转发至监视控制系统4，并由图像处理软件处理计算出标志点的三维坐标。
所述变形控制系统3包含dSPACE半物理实时仿真系统31、多个与调整机构一一对应的步进电机驱动器32，dSPACE半物理实时仿真系统控制步进电机驱动器，步进电机驱动器32用于驱动滚珠丝杆调整机构14实现薄膜阵面的平面度控制。所述dSPACE半物理实时仿真系统与Matlab软件无缝链接，能够直接下载Matlab Simulink中的控制算法并进行实时控制实验。
所述监视控制系统4为一台工控计算机，且其内置Matlab软件、dSPACE ControlDesk软件、图像处理软件和变形控制算法。
对薄膜结构试验件进行变形测量与控制的过程如下：
首先对所有设备上电预热，开启相关的软件和硬件。调整两台摄影测量相机的视场，使其覆盖薄膜阵面上的所有标志点，调整合适的相机曝光参数，并对摄影测量相机进行标定。然后进行初始形面调整，使得薄膜阵面形面精度满足设计要求。利用变形测量系统记录初始形面数据。在薄膜结构试验件边框上加载任意载荷，模拟太空干扰。利用变形测量系统测量干扰后的薄膜阵面形面。根据变形后形面，利用变形控制算法计算出各个滚珠丝杆调整机构的调整量。dSPACE半物理实时仿真系统驱动滚珠丝杆调整机构调整到指定位置。利用变形测量系统测量形面控制后的膜阵面形面。最后可以对比实验结果。
本发明通过薄膜结构试验件模拟卫星薄膜SAR，通过变形测量系统测量薄膜阵面的形面，通过变形控制系统对薄膜阵面实施变形控制，从而建立了薄膜结构变形测量与控制实验系统。本发明能够模拟真实被控对象，对采用的控制方法进行充分验证，克服了理论仿真验证可信度不高的问题。
所述的变形测量系统采用双相机摄影测量系统，测量时对薄膜阵面发射激光闪光并拍照，获得反光标志点的极大反差图像，再利用图像处理软件计算得到标志点的三维坐标。本发明能够实现薄膜结构的非接触测量，克服了接触式测量方法会对薄膜形面产生干扰的缺点，同时利用激光闪光和反光标志点结合的方式，测量系统能够不依赖环境光源，对被测环境要求较低。
所述的变形控制系统采用dSPACE半物理实时仿真试验系统，该系统与Matlab软件无缝链接，可以直接下载Matlab Simulink中的控制算法并进行实时控制实验。本发明能够实现变形控制算法的快速开发和实时实验测试，克服了传统方法控制算法开发流程复杂的缺点。
最后通过对比实验来验证采用本发明进行形面控制实验的控制效果。
第一步：系统初始化
启动监视控制系统4及其软件，打开变形测量系统2和变形控制系统3，通电预热10分钟。调整两台摄影测量相机21的角度使其覆盖薄膜阵面上所有测量标志点，调整其曝光参数，使拍摄的照片保留极大反差同时不过曝，标定相机。将滚珠丝杆调整机构14调整至行程中间位置。
第二步：初始形面精度调整
由于系统机械加工存在误差，系统初始化后薄膜阵面13的形面会存在较大误差，通过调整滚珠丝杆调整机构14，使薄膜阵面13的形面精度小于3mm(3σ)。经试验测定初始形面调整后薄膜阵面13的形面如图2所示，形面精度为2.779mm(3σ)。
第三步：无控状态下
在边框11上的端部角点处施加集中力载荷10N，待结构稳定后利用变形测量系统2对薄膜阵面13进行摄影测量，获得干扰状态下无控的薄膜阵面13形面，如图3所示，形面精度为5.596mm(3σ)。
第四步：有控状态下
运行变形控制算法，算法根据薄膜阵面13的形面数据，计算得到滚珠丝杆调整机构14所需的调整量，由dSPACE半物理实时仿真系统31发出控制脉冲信号，经由步进电机驱动器32转换成PWM波信号，驱动滚珠丝杆调整机构14调整相应的位移。调整完毕后，利用变形测量系统2对薄膜阵面13进行摄影测量，获得变形控制后薄膜阵面13的形面，如图4所示，形面精度为2.299mm(3σ)。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：包括薄膜结构试验件、变形测量系统、变形控制系统和监视控制系统；所述薄膜结构试验件包括薄膜阵面以及能够调整薄膜阵面形面的调整机构，所述变形测量系统包括两台摄影测量相机，采用两台摄影测量相机在两个不同角度拍摄薄膜阵面，将拍摄到的图像发送至监视控制系统，监视控制系统通过图像处理获取薄膜阵面的三维形面数据并将该数据传输给变形控制系统，变形控制系统根据三维形面数据计算薄膜阵面所需调整量，并驱动调整机构调整到指定位置，进而实现薄膜阵面的平面度控制。
2.根据权利要求1所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述薄膜结构试验件包含边框、张力拉索、薄膜阵面、调整机构和若干反光标志点，所述薄膜阵面固定在边框内，所述薄膜阵面的周边设有一圈张力拉索，薄膜阵面周边通过张力拉索提供张力而使整个薄膜阵面张紧，张力拉索通过多个调整结构固定在边框上，若干个反光标志点以阵列的形式布置在薄膜阵面的表面。
3.根据权利要求2所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：张力拉索为一根，张力拉索穿设在薄膜阵面的周边形成一个整圈；或者张力拉索为多根，相邻张力拉索之间首尾相接形成一个整圈。
4.根据权利要求2所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：若干个反光标志点通过印刷或粘贴的方式设置薄膜阵面的表面。
5.根据权利要求2所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述薄膜结构试验件还包括支撑机构，所述支撑机构为三角支撑架，所述三角支撑架与边框连接，支撑机构为薄膜结构试验件整体提供支撑。
6.根据权利要求2所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述调整机构为滚珠丝杆调整机构。
7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述变形测量系统包括两台摄影测量相机和同步通讯控制器，摄影测量相机和同步通讯控制器之间通过通讯电缆连接，两台摄影测量相机在同步通讯控制器的控制下对薄膜阵面发射激光闪光并拍照，利用薄膜阵面上反光标志点的反光特性，两台摄影测量相机获得标志点图像，两台摄影测量相机将从不同角度获取的标志点图像通过同步通讯控制器转发至监视控制系统。
8.根据权利要求7所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述变形控制系统包含dSPACE半物理实时仿真系统、多个与调整机构一一对应的步进电机驱动器，dSPACE半物理实时仿真系统控制步进电机驱动器，步进电机驱动器用于驱动滚珠丝杆调整机构实现薄膜阵面的平面度控制。
9.根据权利要求8所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：dSPACE半物理实时仿真系统与Matlab软件无缝链接，能够直接下载Matlab Simulink中的控制算法并进行实时控制实验。
10.根据权利要求8所述的薄膜结构变形测量与控制实验系统，其特征在于：所述监视控制系统为一台工控计算机，且其内置Matlab软件、dSPACE Control Desk软件、图像处理软件和变形控制算法。
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