【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天器结构测量，具体涉及一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量装置及方法。
技术介绍
1、近年来，随着载人登月工程的不断推进和空间站的建立，对于宇宙的探索正式进入了全新的阶段，大量在轨实验得以在此基础上展开验证。航天器的柔性结构是一种以复合材料构建的，在发射时处于折叠状态，到达预定轨道后展开，并通过一定方法保持所期望构型的一种空间结构，针对柔性结构的多元传感器数据的模型位移场测量技术对航天技术的发展具有重要作用。然而，在实际航天应用中模型反演技术仍然存在在轨动力学参数识别和柔性材料变形位移场测量等问题。
2、针对大尺寸航天器柔性结构的特征和现有问题，建立柔性结构多元传感器数据的模型位移场测量系统，通过多元传感器数据和柔性结构分析，实现大尺寸柔性结构的在轨实时反演和监测具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量装置及方法，通过测量有限个点的位移重建整个展开结构的位移场，实现在轨航天器展开结构的位移场实时测量，能够解决太空无氧环境下柔性展开结构的测量问题，解决传统有限元方法实时性较差，流程重复性高等问题，能够在地面环境及时进行振动抑制，对提高在轨航天器可靠性具有重大意义。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量装置，所述装置包括激光发射器、位移传感器、数据处理器以及地面计算机；其中激光发
4、一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，包括如下步骤：
5、s1、建立航天器展开结构有限元模型；
6、s2、采用有限元模型进行位移传感器布局优化；
7、s3、按照s2中布局优化结果布置位移传感器；
8、s4、有限元模型基于实测数据约束进行位移场测量；
9、s5、基于位移场测量数据训练神经网络模型，装置测量获取s3位移传感器安装位置位移数据并输入神经网络模型实现位移场预测。
10、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
11、上述的s1具体包括：
12、s1-1、三维建模：建立航天器柔性展开结构三维模型；
13、s1-2、模型属性设置：根据实际情况设置三维模型材料属性并划分有限元分析网格；
14、s1-3、边界条件设置：设置有限元分析过程中的边界条件，即固定柔性展开结构的根部，其他地方为自由状态；
15、s1-4、模型修正：进行试验模态分析实验，修正模型的外形结构及材料属性，包括：
16、对于n个设计变量的模型，其设计变量用向量表示为：
17、p＝[p1p2…pn]t
18、带修正的刚度矩阵[k]以及质量矩阵[m]看成设计变量p的函数为：
19、[k]＝fk(p)，[m]＝fm(p)
20、其中设计变量为刚度矩阵、质量矩阵的参数，刚度矩阵和质量矩阵由结构和材料决定；
21、则模型响应特征量f用设计变量p表示为：
22、f＝f([k],[m])＝f(fk(p),fm(p))＝f(p)
23、其中，f(p)在基于模态参数的模型修正中代表模态频率或模态振型，分别通过仿真和模态校正试验得到响应特征量fa(p)，fe(p)，则使二者一致的模态校正问题转换为如下优化函数表示：
24、min‖wfr(p)‖2，r(p)＝{fe(p)-fa(p)} (1)
25、s.tvlb≤p≤vub
26、式中，wf表示结构特征量的加权系数矩阵；r(p)为特征量的残差项；vlb和vub分别代表设计变量的上下限；
27、假设p的初始值为p0，对响应特征量f(p)进行一级泰勒展开：
28、
29、令
30、
31、δp＝p-p0
32、矩阵s称作响应特征量f对p的灵敏度矩阵s，δp为设计变量的变化值，所述优化函数转变为：
33、wfsδp＝wf(fe(x)-fa(x)) (2)
34、通过灵敏度矩阵s求得每次的迭代量δp，从而确定新的设计变量，经过多次迭代直到设计变量收敛，此时的设计变量即为通过基于灵敏度分析的模型修正方法修正的最终值。
35、上述的仿真和试验均包含多阶模态，每一阶有各自的振型，初始迭代时，为了将二者的同一阶振型对应起来，在式(1)之前，通过模态置信度mac来判断试验得到的模态振型与仿真得到的模态振型之间的匹配程度，其计算公式为：
36、
37、式中，macij为mac矩阵的第i行j列的元素；为试验的第i阶振型；为仿真的第j阶振型；
38、对于macij，当其为1时，表示试验的第i阶振型与仿真的第j阶振型完全线性相关；当macij为0时，表示其完全不相关；当mac矩阵的非对角元素≤0.1并且对角元素≥0.7时，试验得到的模态振型与仿真得到的振型一致，当作同一阶振型。
39、上述的s2利用有限元模型得到的模态矩阵对每个自由度的模态向量进行绝对值求和得到m，对比各个自由度的m来筛选位移传感器的布置位置。
40、上述的
41、其中，|φik|为第p个自由度的第k阶模态分量，m为模态分量总数。
42、上述的s3将位移传感器安装在s2中布局优化结果在柔性展开结构上的相应位置。
43、上述的s4具体包括：
44、s4-1、添加实测数据约束条件：将各个位置的位移传感器的量程和同一时间不同位置传感器的位移示值作为位移约束加入到有限元模型；
45、s4-2、施加初始位移：给予柔性展开结构一个初始位移，添加初始位移时确保传感器布置点的位移不超过传感器量程；
46、s4-3、进行动态响应分析：以初始位移作为激励，以所有划分节点的位移作为响应进行动态响应分析，记录有限个时刻的激励和响应数据，实现位移场测量。
47、上述的s5具体包括：
48、s5-1、数据集划分：将s4得到的位移场测量数据划分为训练集、测试集和验证集；
49、s5-2、训练神经网络模型：将训练集输入神经网络模型进行训练并通过测试集进行网络模型性能优化，最终通过验证集验证网络模型性能；
50、s5-3、测量传感器安装位置位移：通过装置测量获取移动传感器安装位置位移数据；
51、s5-4、预测柔性展开结构位移场：将移动传感器安装位置位移数据输入s5-2得到的神经网络模型进行预测，得到柔性展开结构的位移场。
52、上述的神经网络模型包括5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量装置，其特征在于，所述装置包括激光发射器、位移传感器、数据处理器以及地面计算机；其中激光发射器安装在柔性展开结构根部，位移传感器安装在柔性展开结构上，接收激光发射器发射的激光，数据处理器与位移传感器相连，将激光信号转换为位移数据并回传地面计算机，实现位移传感器安装位置位移数据测量。
2.基于权利要求1所述装置实现的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述S1具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述仿真和试验均包含多阶模态，每一阶有各自的振型，初始迭代时，为了将二者的同一阶振型对应起来，在式(1)之前，通过模态置信度MAC来判断试验得到的模态振型与仿真得到的模态振型之间的匹配程度，其计算公式为：
5.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述S2利用有限元模型得到的模态
6.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述S3将位移传感器安装在S2中布局优化结果在柔性展开结构上的相应位置。
7.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述S4具体包括：
8.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述S5具体包括：
9.根据权利要求8所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述神经网络模型包括5个全连接层，其中前4层进行特征提取，最后1层作为特征融合；所述神经网络模型优化损失函数为：Loss＝∥P,Pgt∥1，其中，∥P,Pgt∥1为预测值P与实际值Pgt的差距。
...【技术特征摘要】
1.一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量装置，其特征在于，所述装置包括激光发射器、位移传感器、数据处理器以及地面计算机；其中激光发射器安装在柔性展开结构根部，位移传感器安装在柔性展开结构上，接收激光发射器发射的激光，数据处理器与位移传感器相连，将激光信号转换为位移数据并回传地面计算机，实现位移传感器安装位置位移数据测量。
2.基于权利要求1所述装置实现的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述s1具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种在轨航天器柔性展开结构位移场实时测量方法，其特征在于，所述仿真和试验均包含多阶模态，每一阶有各自的振型，初始迭代时，为了将二者的同一阶振型对应起来，在式(1)之前，通过模态置信度mac来判断试验得到的模态振型与仿真得到的模态振型之间的匹配程度，其计算公式为：
5.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：李大伟，徐健华，李桂东，
申请(专利权)人：南京耘瞳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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