一种FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法，包括：步骤1，在新型馈源舱机构对应建立全局坐标系和两个局部坐标系，并采用四元数法表示旋转矩阵；步骤2，对新型馈源舱机构进行静力学建模；步骤3，设置索力优化函数；步骤4，设置防碰撞约束；步骤5，设置所述新型馈源舱机构结构参数优化的目标函数和约束条件并求解。本发明专利技术通过优化FAST新型馈源舱机构结构参数，可以在索力范围内使馈源舱机构观测角度提升到50

【技术实现步骤摘要】
一种FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法


[0001]本专利技术涉及天文设备领域，尤其涉及一种FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法。

技术介绍

[0002]500米口径球面射电望远镜(FAST，Five
‑
hundred
‑
meter Aperture Spherical radio Telescope)是目前世界上口径最大和灵敏度最高的单口径射电望远镜。FAST主要由主动反射面、六索驱动机构和一个馈源舱等组成。虽然FAST现在可以正常运行，但是因当前FAST馈源舱重量的限制，望远镜最大观测角度只有40
°
，未能观测到银河系中心。为了能够观测到银河系中心，FAST的馈源舱需要减重从而使最大观测角度提升到50
°
。
[0003]中国专利申请CN202022993173.1公开了一种FAST新型馈源舱机构，其采用柔索驱动减轻馈源舱重量，是一种新型馈源舱机构，但是未能提供确切的结构参数以及参数的优化方法。由于新型馈源舱机构独特的工作模式和柔索驱动的特点，适应于其他类型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法，其特征在于，包括：步骤1，在待优化结构参数的新型馈源舱机构上分别建立全局坐标系和两个局部坐标系，其中，在FAST的主动反射面底面中心建立全局坐标系G系；以FAST的星形框架外锚固点平面中心点作为原点
C
O建立第一局部坐标C系；以新型馈源舱机构的下平台上表面中心点作为原点
P
O建立第二局部坐标P系；根据建立的全局坐标系G系和第一局部坐标c系与第二局部坐标P系，确定星形框架所在的C系相对于G系的旋转矩阵和下平台所在的P系相对星形框架所在的C系的旋转矩阵；步骤2，建立新型馈源舱机构的静力学方程：根据所述步骤1建立的全局坐标系G系、第一局部坐标C系、第二局部坐标P系以及星形框架所在的C系相对于G系的旋转矩阵和下平台所在的P系相对星形框架所在的C系的旋转矩阵，建立所述新型馈源舱机构的静力学方程；步骤3，根据所述步骤2中的静力学方程中的力和力矩平衡方程，得到索力的表达式，因索力不唯一，设置使新型馈源舱机构的柔索驱动的九根柔索的索力都连续变化、无尖点且远离索力上下限的索力优化函数为：上述式(20)中，T
Smax
、T
Smax
分别为上拉柔索和下拉柔索的索力上限，T
Smin
、T
Umin
分别为上拉柔索和下拉柔索的索力下限；分别为上拉柔索和下拉柔索的索力均值；α
i
＝(T
Smax
‑
T
Smin
)/2、α
j
＝(T
Umax
‑
T
Umin
)/2为归一化处理项；lg()为对数障碍函数；k1和k2用于调节方差权重；μ1和μ2为权重；步骤4，设置防碰撞约束：根据新型馈源舱机构的各部件之间的防碰撞要求，设置防碰撞约束为Distance≥∈；其中，Distance＝GJK(a,b)表示将下拉柔索和上拉柔索均建模成直线，两个馈源接收机、下平台均建模成圆柱体，连接环建模成高1cm的圆柱，各物体全部为凸包，采用GJK算法在50
°
天顶角下进行全方位角的各种碰撞检测，a、b分别表示两个被检测物体；各种碰撞检测包括：下拉柔索与两个馈源接收机的碰撞检测、下拉柔索与下平台的碰撞检测、上拉柔索与连接环的防碰撞检测、上拉柔索与两个馈源接收机的防碰撞检测和连接环与星形框架内壁的防碰撞检测；步骤5，设置新型馈源舱机构结构参数优化的目标函数和约束条件并求解：将下平台原点
P
O距离C系原点
C
O在z方向的距离z
p
、六根上拉柔索在滑轨上的第一锚固点B[i]在C系中的高度H
B
、六根上拉柔索在滑轨上的第一锚固点B[i]的分布半径r
B
、六根上拉柔索在下平台上的第二锚固点P[i]的分布半径r
P
、三根下拉柔索在星形框架的第三锚固点E[j]的分布半径r
E
、三根下拉柔索在星形框架的第三锚固点E[j]在C系中的高度H
E
、三根下拉柔索在连接环上的第四锚固点W[j]的分布半径r
W
和三根下拉柔索在连接环的第四锚
固点W[j]在P系中高度H
W
，这些变量作为待优化的结构参数，优化使方位角为θ＝0，天顶角为时的各柔索的最大与最小索力的差值平方最小，则设置约束条件的目标函数为：s.t.Distance≤∈，T
s
[i]∈[T
Smin
,T
Smax
]，T
U
[i]∈[T
Umin
,T
Umax
]，z
p
∈[z
pmin
，z
pmax
]，H
B
∈[H
Bmin
，H
Bmax
]，r
B
∈[r
Bmin
，r
Bmax
]，r
P
∈[r
Pmin
，r
Pmax
]，r
E
∈[r
Emin
，r
Emax
]，H
E
∈[H
Emin
，H
Emax
]，r
W
∈[r
Wmin
，r
Wmax
]，H
W
∈[H
Wmin
，H
Wmax
]，其中，索力和索力通过上述式(20)获得，为方位角为θ＝0、天顶角为时九根柔索索力的最小值；为方位角为θ＝0、天顶角为时九根柔索索力的最大值；上述式(21)中，∈＝0.1m，z
pmin
＝
‑
1.5m，z
pmax
＝
‑
2.5m，H
Bmin
＝
‑
0.5m，H
Bmax
＝1m，r
Bmin
＝3m，r
Bmax
＝3.5m，r
Pmin
＝2.15m，r
Pmax
＝2.6m，r
Emin
＝3m，r
Emax
＝3.5m，H
Emin
＝
‑
2m，H
Emax
＝
‑
1.5m，r
Wmin
＝1m，r
Wmax
＝2m，H
Wmin
＝1.74m，H
Wmax
＝3m；求解上述目标函数，得到使各柔索的索力变化范围最小的各结构参数，即为FAST新型馈源舱机构的优化结构参数。2.根据权利要求1所述的FAST新型馈源舱机构结构参数优化方法，其特征在于，所述步骤1中，新型馈源舱机构安装在FAST的星形框架内部；建立的第一局部坐标C系的c
z
轴垂直于星形框架外锚固点平面向上；建立的第二局部坐标P系的原点
P
O为下平台的旋转中心，
P
y轴为由原点
P
O指向P[1]方向，
P
z轴垂直于新型馈源舱机构第二锚固点P[i]平面向上，
P
x轴垂直于
P
O
‑
P
y
P
z平面；当下平台相对馈源舱保持水平时，P系与C系完全平行；根据建立的全局坐标系G系，确定的用四元数法表示旋转矩阵为：其中，q＝[q
0 q
1 q
2 q3]
T
为四元数，四元数中为四元数，四元...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚伟伟，王晓燕，张彬，李朝阳，高新宇，马逸凡，张飞，姚蕊，殷家宁，李辉，杨清阁，李庆伟，朱文白，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：