CN112729142A - 一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法 - Google Patents

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刘炳峰
董明利
孙广开
何彦霖
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Abstract

本发明提供一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法，该方法利用传感点提供的几何信息建立数学模型，应用微分学思想，借助运动坐标系的概念解算出不同传感点的位置坐标，并采用线性插值的方法对不同传感点之间进行位置插值，实现柔性蒙皮结构的重建。

Description

一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法
技术领域
本发明属于光纤器件领域，特别涉及一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法。
背景技术
随着航空航天科技的发展，对先进飞行器的应用需求也越来越高。自适应，高机动性能，隐身性能以及优良的飞行效率的飞行器是目前世界发达国家不断研究探索的方向。变形机翼技术由于其连续性，大尺度，多维度的变形得到了广泛的关注。变形机翼的柔性蒙皮的形状将直接影响飞行器的气动特性。因此，实时有效的柔性蒙皮监测技术能够保证变形机翼的变体形状和位置精度，从而提高飞行器高空飞行状态下的机动性，稳定性和安全性。
柔性蒙皮即为柔性表层结构。由于光纤具有体积小，重量轻，响应速度快和灵敏度高等优点，可将光纤光栅传感器植入变形机翼的柔性蒙皮中，实现多点多路分布式测量系统，快速感知柔性蒙皮变形产生的应变和位移等物理量信息，从而实现对高速飞行器变形机翼的实时监测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法，将光纤光栅传感器植入变形机翼的柔性蒙皮中，实现多点多路分布式测量系统，快速感知柔性蒙皮变形产生的应变和位移等物理量信息，从而实现对高速飞行器变形机翼的实时监测，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、将光纤光栅传感器通过弹性密封剂封装在蒙皮表面，使得各个传感点之间的距离相等；步骤b、耦合器接口分别连接所述光纤光栅传感器、宽带光源和光谱仪；所述耦合器另一接口连接解调仪，所述解调仪另一端连接上位机重构软件；步骤c、所述蒙皮表面发生弯曲，所述光纤光栅传感器中心波长发生漂移，通过所述解调仪计算出所述光纤光栅传感器特定曲率下的中心波长漂移量；步骤d、所述解调仪一组中心波长漂移量数据输入到所述上位机重构软件，所述上位机重构软件生成截面重构曲线；步骤e、通过运动坐标系原理，旋转矩阵建立各个坐标系的联系。最终得到所有所述传感点的绝对坐标位置信息，并通过插值的方法拟合出整个曲面变化的模型，实现变形机翼柔性智能蒙皮的重构和可视化。
优选的，所述传感点记为O1、O2和O3，且O1O2＝O2O3＝L，在坐标系X1-Z1中，O1(0,0)，根据几何关系可以得出O2在坐标系X1-Z1中为(1/K，sinθ1/K)，并记作(x1,z1)，其中，K表示曲率，θ1表示直角坐标系X2-Z2旋转到X1-Z1的旋转角；O3在直角坐标系X1-Z1中的坐标(x2,z2)可如下所示：
Figure BDA0002823889570000021
其中，(x2’,z2’)表示O3在直角坐标系X2-Z2中的坐标。
优选的，所述弹性密封剂为GD414，所述弹性密封剂厚度≤1mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明该重构算法利用传感点提供的几何信息建立数学模型，应用微分学思想，借助运动坐标系的概念解算出不同传感点的位置坐标，并采用线性插值的方法对不同传感点之间进行位置插值，实现柔性蒙皮结构的重建；
2、将光纤光栅传感器植入变形机翼的柔性蒙皮中，实现多点多路分布式测量系统，快速感知柔性蒙皮变形产生的应变和位移等物理量信息，从而实现对高速飞行器变形机翼的实时监测。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明曲面重构原理示意图；
图2示意性示出了本发明蒙皮样品示意图；
图3示意性示出了本发明重构实验方法示意图；
图4示意性示出了本发明重构结果示意图。
图中：
1、FBG传感器 2、光栅
3、柔性蒙皮 4、耦合器
5、宽带光源 6、光谱仪
7、解调仪 8、上位机重构软件
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本文提供了一种基于运动坐标系，由传感点形成形状重构，适用于柔性蒙皮形状实时监测的算法。
为达到上述所列目的，本发明采用的技术方案为：该重构算法利用传感点提供的几何信息建立数学模型，应用微分学思想，借助运动坐标系的概念解算出不同传感点的位置坐标，并采用线性插值的方法对不同传感点之间进行位置插值，实现柔性蒙皮结构的重建。
柔性蒙皮曲面重构的原理如图1所示。
将FBG传感器1均匀布设与柔性蒙皮3之上，各个传感点之间的距离相等。如图所示，O1，O2，O3为三个不同的传感点，且O1O2＝O2O3＝L。当柔性蒙皮发生弯曲后，线段成为若干个圆弧的组合，并且各个圆弧的圆心角和曲率均可以通过光纤光栅传感器波长的漂移量求出。在坐标系X1-Z1中，O1(0,0)，根据几何关系可以得出O2坐标为(1/K，sinθ/K)，并记作(x1,z1)。以O2为坐标原点建立直角坐标系如图所示，同理可以求出O3在直角坐标系X2-Z2中的坐标，并记为(x2’,z2’)。在算法实现中利用坐标系的旋转和平移，从而得到O3在坐标系X1-Z1中的坐标。通过曲面重构原理图中几何关系可以得出，后一个坐标系与前一个坐标系的旋转夹角为前一个坐标系圆弧的圆心角。因此，由直角坐标系X2-Z2旋转到X1-Z1的旋转角为θ1。则O3在直角坐标系X1-Z1中的坐标(x2,z2)可如下所示：
Figure BDA0002823889570000041
同理，以此类推，通过运动坐标系原理，旋转矩阵建立各个坐标系的联系。最终得到所有传感点的绝对坐标位置信息，并通过插值的方法拟合出整个曲面变化的模型，实现变形机翼柔性智能蒙皮的重构和可视化。如图2所示为柔性蒙皮式样。
蒙皮样品长度为20cm，材料上共布设4个FBG，传感器间隔为5cm，分别位于从右侧开始2.5cm、7.5cm、12.5cm、17.5cm处分别记为S1,S2,S3,S4。将FBG用GD414弹性密封剂封装在蒙皮表面，厚度≤1mm。采用如图3所示实验系统，利用该曲率重建方法，对柔性蒙皮进行线性重构。
宽带光源5发射的光经耦合器4后入射FBG传感器1，FBG传感器1将与自身中心波长相同周期的光反射回耦合器4并传递给光谱仪6，光谱仪6将FBG传感器1的中心波长以图像和数值的方式实时保存。当封装好的传感器以某种曲率弯曲时，FBG传感器的中心波长会产生漂移，利用解调仪再次记录数据，通过对比原始中心波长即可解算出特定曲率下的中心波长漂移量。将一组中心波长漂移量数据输入到重构算法，即可生成截面重构曲线。采用曲率半径为5.00m-1为例，进行重构结果如图4所示。
本发明的有益效果：本发明该重构算法利用传感点提供的几何信息建立数学模型，应用微分学思想，借助运动坐标系的概念解算出不同传感点的位置坐标，并采用线性插值的方法对不同传感点之间进行位置插值，实现柔性蒙皮结构的重建；将光纤光栅传感器植入变形机翼的柔性蒙皮中，实现多点多路分布式测量系统，快速感知柔性蒙皮变形产生的应变和位移等物理量信息，从而实现对高速飞行器变形机翼的实时监测。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种适用于柔性蒙皮形状重构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将光纤光栅传感器通过弹性密封剂封装在蒙皮表面，使得各个传感点之间的距离相等；
步骤b、耦合器接口分别连接所述光纤光栅传感器、宽带光源和光谱仪；所述耦合器另一接口连接解调仪，所述解调仪另一端连接上位机重构软件；
步骤c、所述蒙皮表面发生弯曲，所述光纤光栅传感器中心波长发生漂移，通过所述解调仪计算出所述光纤光栅传感器特定曲率下的中心波长漂移量；
步骤d、所述解调仪一组中心波长漂移量数据输入到所述上位机重构软件，所述上位机重构软件生成截面重构曲线；
步骤e、通过运动坐标系原理，旋转矩阵建立各个坐标系的联系。最终得到所有所述传感点的绝对坐标位置信息，并通过插值的方法拟合出整个曲面变化的模型，实现变形机翼柔性智能蒙皮的重构和可视化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感点记为O1、O2和O3，且O1O2＝O2O3＝L，在坐标系X1-Z1中，O1(0,0)，根据几何关系可以得出O2在坐标系X1-Z1中为(1/K，sinθ1/K)，并记作(x1,z1)，其中，K表示曲率，θ1表示直角坐标系X2-Z2旋转到X1-Z1的旋转角；O3在直角坐标系X1-Z1中的坐标(x2,z2)可如下所示：
Figure FDA0002823889560000011
其中，(x2’,z2’)表示O3在直角坐标系X2-Z2中的坐标。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性密封剂为GD414，所述弹性密封剂厚度≤1mm。
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CN114852372A (zh) * 2022-07-06 2022-08-05 沈阳建筑大学 一种具有折叠机翼功能的空天变体飞行器及其发射系统

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