一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法，该方法利用基于结构应变响应的模态叠加原理计算结构位移量和子节点间的基线量，再由基于柔性基线实时数据建立的基线动态模型预测未来时刻的基线量变化情况；利用模态法减小计算量和动态建模对柔性基线超前预测以解决由于实测应变量到基线量解算耗时引起实时传递对准时间延迟的问题，有助于实现子节点高精度位姿实时传递对准。本发明专利技术可以用于显著提高传递对准的实时性，弥补以往基线求解与估计方法研究的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法
本专利技术属于导航领域，一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法。
技术介绍
近年来，机载分布式POS(PositionandOrientationSystem)以其能实现多节点测量、位姿精度高等特点，在航空及国防军事领域，特别是多任务成像载荷高精度对地观测领域得到了广泛应用。作为分布式主节点辅助对准子节点位姿的技术，传递对准是分布式POS的关键性技术，然而传递对准技术目前在柔性杆臂条件和实时动态对准两方面尚需进一步研究。一方面，从柔性基线测量方法上看，已有的基于光纤光栅传感器应变通过拟合获得位移的方法，计算量相对较大导致快速性差，不适合动态测量；另一方面，基于光纤光栅传感器所测应变量向基线量的转化计算本身需要时间，而在实际飞行过程中，主、子节点间传递对准和传感器对当前机翼的应变测量同时进行，因而传感器当前测量时刻转换的基线量无法实时用于当前时刻传递对准过程，导致时间不同步问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为弥补现有机载分布式POS位姿测量方法在柔性基线条件下动态测量研究的不足，提供一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法，在实现柔性基线快速测量的同时，用动态预测的方法补偿实时传递对准和柔性基线值测量之间的时间不同步，进而提高分布式系统子节点的位姿精度。本专利技术采用的技术方案为：一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法，包括如下步骤：步骤一、利用对称粘贴于机翼上下表面测点处的光纤光栅传感器，测量机翼发生动态形变时的应变量；步骤二、利用机翼仿真模型提取的机翼模态信息求解机翼应变量到位移量的模态转移矩阵，再利用模态转移矩阵和步骤一中测量机翼动态形变时的测点应变量求解横向、轴向位移量和柔性基线量；步骤三、根据求解得到的柔性基线量确定柔性基线模型阶数和动态参数，得到动态模型；再根据动态模型对柔性基线量进行超前预测估计，实现对动态形变下柔性基线的预测输出。所述步骤二中，包括以下步骤：(1)首先，在机翼结构参数已知条件下利用仿真软件构建机翼仿真模型，由机翼仿真模型提取的轴向应变模态矩阵[ψu]、轴向位移模态矩阵和横向位移模态矩阵得出轴向转移矩阵DSTu和横向转移矩阵DSTw：(2)然后，以机翼自身重力作用下的变形状态为初始状态，利用光纤光栅传感器实测的应变量求取受力作用下的轴向和横向位移量：其中，表示光纤光栅传感器测量所得的N个测点处应变值，dy、dz分别是机翼受力变形相对于初始重力状态的轴向、横向位移量；(3)最后，根据求解得到的轴向、横向位移量，借助坐标转换原理计算求取柔性基线量。所述步骤三中，包括以下步骤：(1)首先，根据光纤光栅应变解调频率选定柔性基线量预测的单位数组长度，将由实测应变量转换而来的基线量序列分割为多个包含相同个数基线值的基线量单位数组；(2)根据基线量单位数组利用AIC准则确定模型阶数；(3)利用由实测应变量转换而来的基线量单位数组对柔性基线模型参数识别，得到柔性基线模型；(4)利用柔性基线模型对基线量进行多次递推预测，得到的基线预测值组成的预测数组；(5)向后选取(1)中下一组由实测应变量转换而来的基线量单位数组，重复步骤(3)(4)，即实现模型参数随实测值变化的柔性基线动态模型；(6)最后，由该柔性基线动态模型实现对动态形变下柔性基线的预测输出。上述步骤(3)中，对柔性基线模型参数识别的方法如下：(1)首先，将n时刻待预测的基线值表示为前p个时刻由实测应变转换而来的基线值的组合如下式：其中，是x(n)的预测值，x(n)是n时刻的实测值，即由x(n)过去的p个时刻的实测值预测当前值x(n)，式中ai是模型参数；(2)然后，引入x(n)在由实测应变转换来的基线量单位数组长度内的自相关函数为：其中，N是用于模型参数辨识的由实测应变转换来的基线量单位数组长度，0≤n≤N-1，基于该数组的自相关函数序列与模型参数序列写成如下矩阵方程形式：(3)最后，对该矩阵方程利用Levinson-Durbin递推算法解算求模型参数a1,a2,a3,..,ap，最终结果使误差平方和达到最小。本专利技术更详细的技术方案如下：1.根据对称粘贴于机翼上下表面测点处的光纤光栅传感器测量机翼发生动态形变时的测点应变量。在光栅布局上，采用在机翼的同一位置上下表面测点处对称安装的方式以隔离温度以及其他因素的影响如图1，传感器根据基线求取的需要布置的测点。假设梁受沿x轴向拉力F和z轴旋转力矩M作用，梁上第i对光纤光栅传感器敏感应变为：式中：分别为x轴向拉力F引起的线应变，分别为旋转力矩M引起的j(j＝x,y,z)轴向弯曲引起的线应变。针对机翼结构，在x轴向拉力F和z轴旋转力矩M的作用下，式(1)中，由此可由(1)式得出Y轴弯曲在第i点处的线应变为：式(2)中，为Y轴向弯曲在第i点处的线应变，为光纤光栅传感器实时获取的机翼第i点处的线应变，利用式(2)即可得到机翼发生动态形变时的应变量。2.根据机翼仿真模型提取的机翼模态信息求解机翼应变到位移的模态转移矩阵，利用模态转移矩阵和实测机翼动态形变时的测点应变量求解位移量和柔性基线量。模态叠加原理表明结构变形可以表示为位移模态矩阵和模态广义坐标的乘积。由应变模态的定义可知，结构在载荷作用下的应变也可由各阶应变模态的线性组合来表示，且与位移有相同的线性组合系数，即有相同的广义模态矩阵。其中，{D}为待估计的位移值，{S}为利用传感器所测应变值，[φd]和[ψs]分别为位移和应变模态矩阵，q为模态坐标，N为应变测点数，n为模态阶数。在获得应变模态矩阵以及实测应变值之后，当N≥n的情况下可求出：在求得前n阶应变模态所对应的模态坐标q，并且己知前n阶位移模态的条件下，计算变形量为：其中记：为应变到位移的转移矩阵。基于结构应变响应的模态叠加原理计算结构位移量，不仅可以反映出结构固有振动特性的模态参数，而且还能较灵敏地反映结构局部刚度变化带来的影响，在机翼结构参数已知条件下利用仿真软件构建其仿真模型，仿真模型由网格点组成，选择子节点位置处的对应网格，提取位移模态和应变模态，根据式(6)得到机翼的模态转移矩阵。然后，利用前n阶的模态转移矩阵能将光纤光栅传感器测量的应变量直接转换为位移量，从而实现光纤光栅对位移的求解。进一步的，机翼受力作用产生轴向变形(Y向)和横向变形(Z向)，如图2为机翼侧视几何图，基线长度就是A、B之间的直线距离。R′表示机翼在自身重力条件变形后A'(xA',yA',zA')，B'(xB',yB',zB')两点之间的基线长度；R″表示机翼受力变形后A″(xA″,yA″,zA″)，B″(xB″,yB″,zB″本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、利用对称粘贴于机翼上下表面测点处的光纤光栅传感器，测量机翼发生动态形变时的应变量；/n步骤二、利用机翼仿真模型提取的机翼模态信息求解机翼应变量到位移量的模态转移矩阵，再利用模态转移矩阵和步骤一中测量机翼动态形变时的测点应变量求解横向、轴向位移量和柔性基线量；/n步骤三、根据求解得到的柔性基线量确定柔性基线模型阶数和动态参数，得到动态模型；再根据动态模型对柔性基线量进行超前预测估计，实现对动态形变下柔性基线的预测输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅传感器和机翼模态的柔性基线动态预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用对称粘贴于机翼上下表面测点处的光纤光栅传感器，测量机翼发生动态形变时的应变量；
步骤二、利用机翼仿真模型提取的机翼模态信息求解机翼应变量到位移量的模态转移矩阵，再利用模态转移矩阵和步骤一中测量机翼动态形变时的测点应变量求解横向、轴向位移量和柔性基线量；
步骤三、根据求解得到的柔性基线量确定柔性基线模型阶数和动态参数，得到动态模型；再根据动态模型对柔性基线量进行超前预测估计，实现对动态形变下柔性基线的预测输出。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，包括以下步骤：
(1)首先，在机翼结构参数已知条件下利用仿真软件构建机翼仿真模型，由机翼仿真模型提取的轴向应变模态矩阵[ψu]、轴向位移模态矩阵和横向位移模态矩阵得出轴向转移矩阵DSTu和横向转移矩阵DSTw：






(2)然后，以机翼自身重力作用下的变形状态为初始状态，利用光纤光栅传感器实测的应变量求取受力作用下的轴向和横向位移量：



其中，表示光纤光栅传感器测量所得的N个测点处应变值，dy、dz分别是机翼受力变形相对于初始重力状态的轴向、横向位移量；
(3)最后，根据求解得到的轴向、横向位移量，借助坐标转换原理计算求取柔性基线量。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，包括以下步骤：
(1)首先，根据光纤光栅应变解调频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱庄生，谭浩，徐起飞，贾悦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11