临近空间飞行器模型的非视觉结构形态感知与重建方法技术

本发明专利技术涉及一种面向临近空间飞行器模型的非视觉结构形态感知与重建方法。该方法基于分布植入的离散布拉格光纤光栅传感阵列，感知和检测实验模型各测点的应变信息，并利用一定的曲率转化算法将应变信息转换为曲率信息；在曲率插值的基础上，基于正交曲率信息的空间三维曲线拟合算法，计算获得实验模型机身框架和机翼各点的相对坐标值，并利用坐标融合算法，得出模型各个点的绝对坐标值，最后通过计算机图形处理技术对实验模型的形变状况和低频振动形态进行重建，并实现模型形态变化的三维可视化实时显示。本方法的实验系统包括一个表面植入光纤光栅传感阵列的模拟临近空间飞行器模型、一台带网络服务功能的光纤光栅网络分析仪、一台高性能计算机和一个显示器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种光纤光栅智能结构的非视觉形态感知和重建方法，尤其针对ー种。
技术介绍
当今世界在航空航天领域的竞争日趋激烈，其中临近空间飞行器的方法探索和相关技术研究已成为热点方向。临近空间横跨平流层、中间层和部分热层，具有空气稀薄、大气密度低、空气动カ效应和航空浮力作用较小的特点，因此巡航于此空域的飞行器具有远大于普通飞行器飞行速度的特征，例如超高音速临近空间飞行器巡航速度最高可达9 12 马赫。超高声速飞行器一旦受到机动或者外界干扰等因素的激励，会导致机体结构产生形变或振动响应，如不及时采取有效的结构形变或振动状况监测措施，进而实现结构形态变化或振动响应的有效抑制，持续的结构形变或振动响应不仅会影响飞行器内部各种仪器的工作性能，而且可能发生改变飞行器预定航道的严重问题，甚至完全导致飞行器巡航任务的失败；长期和剧烈的结构形变或振动响应还将造成飞行器结构疲劳，从而导致飞行器机体结构性能下降甚至失效，直接威胁飞行器安全。判别临近空间飞行器结构运行健康状况的首要条件，是获知飞行器机体关键结构的形变状况和振动形态，因此如何实现对飞行器关键结构形变状况和低频振动形态进行实时感知，并进而能够获得结构变化形态的重构和显示，对飞行器的结构安全和有效控制起着至关重要的作用。现有相关方法和技术中，可予以考虑的主要归纳为如下几种在视觉可见的环境下采用高速摄像技术对监测点进行拍照，利用相应的图像处理技术，对其形变状况进行综合分析；利用激光技术，对发射激光及接受激光进行特殊技术处理，从而获得测量点的形变数据；采用超声波、三位磁场定位等检测方法，直接获取监测点的位置坐标。这些测量方法和感知技术或者采集数据量巨大、数据处理复杂，或者采集精度太低，很难精确获知机体结构的形变信息，或者由于检测数据方式和所需设备结构的限制，不能适应临近空间飞行器的空天环境，因此很难应用于实际工程。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种，这种方法利用优化分布的离散布拉格光纤光栅传感陈列，感知飞行器模型各測量点的应变信息，并在获取离散应变信息之后，根据相关算法将离散应变信息转换为离散曲率信息，并在曲率插值的基础上，基于正交曲率信息的空间三维曲线拟合算法，计算获得实验模型机身框架和机翼各点的相对坐标值，并利用坐标融合算法，得出模型各个点的绝对坐标值，最后基于计算机图形处理技术，在计算机屏幕上对模型形态变化进行重构，从而实现模型形变状态或低频振动形态的三维可视化实时显示。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案一种临近空间飞行器模型的非视觉结构形态感知与重建新方法，其特征是利用优化设计的离散布拉格光栅传感网络阵列，检测结构各离散测点的应变信息，并利用一定的曲率转化算法将应变信息转换为曲率信息，从而实现模型的非视觉形态信息感知，然后利用一定的曲率拟合算法、坐标融合算法和计算机图形处理技术，实现实验模型的实时形态重建和可视化显示。具体可以分为如下两个过程 1模型形态信息的提取与处理； 1模型坐标点的拟合、融合和可视化显示； 上述模型形态信息的提取与处理具体步骤如下 (1)离散布拉格光纤光栅传感阵列设计在分析模拟临近空间飞行器实验模型和机体框架结构和翼形结构形变特性的基础上， 优化设计并植入一系列布拉格光纤光栅传感陈列于上述结构表面。可以根据应用的要求和仪器设备的约束，合理选择布拉格光纤光栅传感阵列的测点数量，并采用表面植入技术实现离散传感阵列的构建。优化的布拉格光纤光栅传感器阵列可以精确測量结构测点处的应变I η息。( 2 )光纤光栅信号的提取根据光纤光栅传感阵列的分布特点和数量，选择光纤光栅传感信号处理仪器，如光纤光栅网络分析仪，以提取结构上光栅测点处的检测信号，实现针对结构应变信息的基本数据(波长数据)获取。(3)应变信息的处理根据波长数据，实现从应变信息(波长数据)到曲率信息的转化，具体过程如下 a首先计算波长差值Δス=ス-弋式中ι力光纤光栅解调仪器监测到的当前波长数据，又为光栅传感器在检测点正常状态下(变形之前)的波长数据，称之为中心波长，- 为所获得波长差。b确定测量点曲率转化系数在标准曲率标定设备上，对波长-曲率转换系数进行标定，得出相应测量点的比例系数a、b，确定曲率的计算公式如下ρ -α·ΑΛ + 式中ペ为曲率，Δ.1为波长差，a、b为标定參数。c计算各测点的曲率值由步骤a计算出的波长差值和步骤b测得的标定參数，计算各个测点的曲率值。上述模型坐标点拟合与融合的具体步骤如下 (1)曲率数据的插值光栅测点的有限性和离散性，使得能够获得的曲率信息总是有限的，如果直接采用有限测点的曲率信息进行曲线拟合，所拟合出来的曲线势必粗糙，且无法精确反映模型的形变状态，因此需要基于离散测点曲率值实现对未测量点的合理插值，以获知尽可能多的有效曲率点信息。不同的插值算法，对拟合曲线的准确性和光滑性有着重要的影响，因此可针对不同的应用和具体要求采用相应的插值算法。一般所采用的插值算法有线性插值、二次样条插值、三次样条插值等。(2)基于正交曲率的空间曲线拟合7基于正交曲率的空间曲线拟合算法核心，是根据当前检测点的正交曲率，计算出其在动坐标系中的坐标值，然后根据动坐标系在固定坐标系中的属性(旋转和平移)进行坐标变换，将动坐标系内的点坐标转换为固定坐标系的坐标。 a计算动坐标系下的測量点相对坐标假设ー个测量点的两个正交曲率分别为Pf Ai^其对应的弧长为ら，则此測量点动坐标系的坐标产》(不ァス)的三个坐标点χ、ァ、z计算公式如下权利要求1.一种面向，其特征在于具体操作步骤为(1)模型形态信息的提取与处理；(2)模型的坐标点拟合、融合和可视化显示。2.根据权利要求1所述的，其特征在于所述步骤(1)模型形态信息的提取与处理具体步骤如下①设计离散布拉格光纤光栅传感阵列设计在分析模拟临近空间飞行器实验模型和机体框架结构和翼形结构形变特性的基础上，根据应用的要求和仪器设备的约束，合理选择布拉格光纤光栅传感阵列的测点数量，优化设计并植入一系列布拉格光纤光栅传感陈列于上述结构表面；②光纤光栅信号的提取利用光纤光栅网络分析仪，提取结构上光栅测点处的检测信号，实现针对应变信息的基本数据一一波长数据获取；③应变信息的处理根据波长数据，实现从波长数据到曲率信息的转化，具体过程如下a首先计算波长差值ΑΛ = Λ式中ι力光纤光栅解调仪器监测到的当前波长数据，-I为光栅传感器在检测点正常状态下即变形之前的波长数据，称之为中心波长，ΔΛ为所获得波长差； b确定测量点曲率转化系数在标准曲率标定设备上，对波长-曲率转换系数进行标定，得出相应测量点的比例系数β、 ，确定曲率的计算公式如下p-a*tiA+b式中”カ曲率,ム〗为波长差，ο、 为标定參数； c计算各测点的曲率值由步骤a计算出的波长差值和步骤b测得的标定參数，计算各个测点的曲率值。3.根据权利1所述的，其特征在于所述步骤(2)模型的坐标点拟合、融合和可视化显示具体步骤如下①曲率数据的插值基于离散测点曲率值实现对未测量点的合理插值，以获知尽可能多的有效曲率点信息，可针对不同的应用和具体要求采用相应的插值算法，一般所采用的插值算法有线性插值、二次样条插值、三次样条插值；②基于正交曲率的空间曲线拟合根据当前检测点的正交曲率，计算出其在动坐标系中的坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓锦，张合生，易金聪，蒋丽娜，孙冰，乔晓萍，陈志燕，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：