[發明專利]太空柔性帆板結構形態感知與可視化方法和裝置

無效

• 申請號: 200710040518.8
• 申請日: 2007-05-11
• 公開（公告）號: CN101050948A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 朱曉錦;張合生;謝春寧;樊紅朝;陸美玉
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G06T1/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種空間柔板曲面形態感知及其可視化的方法和裝置，尤其針對一種太空柔性帆板模型結構的形態感知與可視化方法和裝置。

背景技術

當今世界主要國家都在競先發展航空航天事業，并積極地探索更深層的太空空間，進而導致航天器日趨大型化和復雜化。由于航天器的主要能源來自于固定在太陽能帆板表面的硅光電池，通過將太陽能轉化為電能實現對航天器的能量提供，因此不斷強化的能源需求導致太陽能帆板的日趨大型和伸展，目前翼展長達數十米的太陽能帆板已不鮮見，由此對帆板結構的運行穩定和拓撲保形要求也更趨嚴格。由于太陽能帆板、大型衛星天線等空間柔性結構，需要在長期運行期間保持很高的運行精度，通常對振動環境有著極為嚴格的要求，而這類結構一般具有低剛度小阻尼，固有頻率較低和模態密集的特征，同時太空環境又無外阻，因此極易受到擾動影響而發生振動，且使得絕大數常規振動監測與控制方法難以達到技術要求。如航天器在太空運行時，一旦受到機動、折疊結構展開等因素激勵，或受到宇宙風、微粒子流等外擾作用產生振動，如果不采取有效的振動監測與抑振措施，其大幅度的振動就不會在較短時間里停止，不僅影響結構本身的工作性能，而且通過與主體的耦合作用，進而可產生影響航天器的姿態穩定和定向精度問題；長期和強烈的振動還將造成結構疲勞破壞，導致系統性能下降甚至失效，直接威脅航天結構的安全。因此如何實時監測大型柔性航天結構如太陽能帆板結構的形態變化，對了解其健康運行狀態和振動控制起著至關重要的作用。

現有技術中，太空柔性帆板結構形態感知可以采用的方法有：在視覺可見的環境下采用CCD攝像機對帆板拍照，利用特殊的圖像處理技術，對其形變狀況進行分析；利用激光技術，對發射激光及接受激光進行特殊技術處理，從而獲得帆板的形變數據；同時也可以采用超聲波、三位磁場定位等檢測方法。這些測量方法或者采集數據量巨大，數據處理復雜，很難精確獲得帆板的形態信息，從而導致形態感知不精確，或者由于檢測數據方式和所需設備結構的限制，導致不能很好的適應空天環境，很難應用于實際工程。

發明內容

本發明的目的在于提供一種太空帆板結構形態感知以及可視化的方法和裝置，對太空帆板的空間變形進行精確檢測，并實現其可視化顯示。這種方法利用離散布拉格光纖光柵傳感網絡，檢測板面離散的若干點應變信息，然后利用一定的空間曲面擬合算法計算出帆板各點的坐標值，最后根據這些坐標值并利用計算機圖形處理技術，在計算機屏幕上對帆板的變形狀況進行重建，實現帆板形態的三維可視化實時顯示。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種模擬太空柔性帆板結構形態感知與可視化新方法，其特征是利用離散布拉格光柵傳感陣列檢測帆板表面的應變信息，從而實現帆板的形態信息感知，然后利用一定的曲面擬合算法和計算機圖形處理技術，實現對柔性帆板結構形態變化的可視化重建，具體步驟為：

(1)形態感知信息提取與處理；

(2)曲面重建與可視化顯示。

上述的形態感知信息提取與處理的具體步驟如下：

1)離散布拉格光纖光柵傳感網絡

在分析帆板形變特性的基礎上，在帆板表面優化植入一系列布拉格光柵傳感器。可以根據應用的要求，選擇布拉格光柵傳感器的數量，并采用相應的植入技術，實現離散傳感網絡的構建。優化的布拉格光柵傳感器網絡可以精確測量結構分布值入點處的應變信息。

2)光纖光柵信號的提取

根據光柵傳感網絡的分布特點和數量，選擇光柵傳感信號提取模塊和儀器，如選擇光纖光柵網絡信號分析儀，以提取結構上值入光柵傳感點處的檢測信號，實現針對結構應變信息的基本數據(波長數據)獲取。

3)光纖光柵檢測信號的處理

根據波長數據，通過一定處理手段，實現從波長信息到曲率信息的轉化，具體過程如下：

a首先計算波長差值Δλ＝λ-λ_c

式中λ為光纖光柵解調設備監測到的當前波長數據，λ_c為光柵傳感器在太空帆板變形之前的波長數據，稱之為中心波長。

b計算曲率信息

由步驟a計算出的波長差值和布拉格光柵傳感器的技術參數，可以計算出對應測量點當前的曲率值，計算公式如下：