本发明专利技术公开一种微推力测量装置数字孪生模型，该数字孪生模型为对应一种包含推力臂、底座、推力器平台、配重、连接各推力臂的枢轴、连接推力臂和底座的枢轴以及传感器组成的微推力测量装置，通过Simulink软件构建数字孪生模型，实现对数字孪生模型运动状态的设计、微推力测量装置的监控与预测，从而在实体装置设计过程中减少设计成本，增加设计效率；通过微推力测量装置数字孪生模型与实体微推力测量装置的结合，解决在使用过程中缺乏实时监控与预测的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种模型，尤其是涉及一种微推力测量装置的数字孪生模型。
技术介绍
1、以电推进为代表的小推力技术迅猛发展，针对不同飞行任务下小推力航天器的提升和轨道维持、姿势调整和阻力补偿等推进要求，实现推进器产生mn级甚至μn级推力。此类推进技术产生的推力较小，易受环境等因素的干扰，无法通过商用力传感器测量，推力校准存在困难。故常采用微推力测量装置间接测量，通过测量装置受微推力产生的运动位移，利用运动方程，分析出推力器推力大小。
2、受传统工业制造与仪器研发影响，现阶段微推力测量装置主要以“部件设计-加工制造—缺陷发现-结构修改-重新加工”为主要设计方案，从开始研究到正式投入使用通常需要三到五年时间乃至更长的时间，过程中所包含的人力物力成本巨大。这种研发方式效率大打折扣。
3、此外，因推进力通常为mn和μn级别，实际测量过程中通常在真空环境下进行，以减小空气流动对结果的影响。地面测试通常在真空罐中进行，罐体可视角度较小，用户可知数据即为传感器数据，缺少对仪器结构整体的实时响应与状态预测，对于调整装置状态以保证最优测量结果存在困难。
4、数字孪生模型是一种利用数字技术构建物理对象的虚拟模型，实现物理对象与虚拟现实之间的数据交互和同步，从而实现物理对象的仿真、优化和控制的技术。利用数字孪生模型能够高效地研究和设计产品，生成与潜在性能结果相关的大量数据，便于有效改进产品设计。此外，数字孪生模型也助于真实反映和监控物理对象，以其在使用过程中获得和保持最高效率，并预测与避免未来可能出现的问题。
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br/>技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的缺陷，本专利技术公开一种微推力测量装置数字孪生模型，其技术方案如下：
2、一种微推力测量装置数字孪生模型，其包含三个模块:推力输入模块、模型装配模块与信息输出模块，其特征为：
3、所述推力输入模块：对应于微推力测量装置测量的推力器、对应于运动方程推力f；此模块用于确定微推力测量装置数字孪生模型运行前所需的外部环境参数，将实际推力转化为模型计算所需的推力数字信号；参数信号通过该模块由simulink软件各信号源模块实现；
4、所述模型装配模块：对应于推力器和微推力测量装置的几何尺寸，推力器与微推力测量装置以及测量装置内部的装配关系、对应于运动方程转动惯量j、扭转刚度k、运动部分阻尼c、推力臂长度l；通过利用推力输入模块产生的推力数字信号，计算出数字孪生模型的运动状态与3d模型实时运动图；该模块由simulink软件子模块simscape实现：包含solid模块（部件导入），rigid transform模块（部件移动和装配），bushing joint模块（枢轴功能实现）；
5、所述信息输出模块：对应于实际测量过程中各个传感器，对应于运动方程位移数据x、速度以及加速度；将该模块连接模型装配模块，用于输出模型装配模块计算结果；在模块中通过transform sensor（传感器实现）模块和电信号转换ps-simulink模块实现（数字信号转换）实现。
6、将上述三个模块过各模块的接口相连，连接顺序为：推力输入模块→模型装配模块→信息输出模块，三者关系为输入→计算→输出，对应于微推力测量装置：推力施加→测量→结果输出。
7、通过构建并连接上述三个模块，用户输入外部环境参数，模型即可计算并输出数字孪生模型的运动状态与3d模型实时运动图。用户通过分析运动状态与3d模型实时运行图：比较设计目标，多次迭代即可快速高效低成本的设计方案；或可实时监控或预测实际测量中微推力测量装置状态；
8、有益效果
9、本专利技术为解决设计成本高、研发时间长、设计效率低、使用过程无法监控与预测的问题，利用数字孪生模型，对微推力测量装置的研发与实际使用采用全生命周期服务。
10、在设计前期，为解决设计成本高、研发时间长、设计效率低的问题，通过本微推力测量装置数字孪生模型，分析模型的运动状态与3d模型实时运动图，给出设计优化方案后进行加工，省去多次加工实体装置的时间，节省多次实体加工产生的成本。此外，对装置测量过程中的环境影响，通过以推力参数误差的方式输入，计算数字孪生模型运动状态，从而分析结构抗干扰能力，给出高效的抗干扰能力控制方案，并对结构抗干扰能力提出优化方案，减少多次实验测试造成的时间与物力成本。通过上述多次迭代设计，给出最终设计方案，提高微推力测量装置的设计效率。
11、在微推力测量装置投入使用阶段，可将实际测量数据传输至数字孪生模型中，模型计算3d模型，对真空环境下的装置运动状态实时展示，解决用户观察监控装置受限的问题；通过用户拟定的假定外部环境，借助数字孪生模型预测装置未来运行情况，给出问题风险评估与风险处理方案。
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.微推力测量装置数字孪生模型，包含三个模块:推力输入模块、模型装配模块与信息输出模块，其特征为：
2.根据权利要求1所述的微推力测量装置数字孪生模型，其特征为：所述外部环境参数包含：推力器产生的推力类型参数，推力峰值，以及其他推力参数；推力类型采用Simulink软件中的多个信号源构成，每个信号源由输入的推力峰值与其他推力参数定义，利用Switch模块切换，通过Simulink-PS模块转换为模型装配模块所需要的推力数字信号。
3.根据权利要求1所述的微推力测量装置数字孪生模型，其特征为：输出微推力测量装置数字模型计算结果，包含位移x，转角，速度，加速度等数据。
【技术特征摘要】
1.微推力测量装置数字孪生模型，包含三个模块:推力输入模块、模型装配模块与信息输出模块，其特征为：
2.根据权利要求1所述的微推力测量装置数字孪生模型，其特征为：所述外部环境参数包含：推力器产生的推力类型参数，推力峰值，以及其他推力参数；推力类型采用simulink软件中的多个信号源构...
【专利技术属性】
技术研发人员：张泰华，赵守明，郑晓飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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