[發明專利]臨近空間飛行器模型的非視覺結構形態感知與重建方法

有效

• 申請號: 201210008145.7
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102542606A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 朱曉錦;張合生;易金聰;蔣麗娜;孫冰;喬曉萍;陳志燕
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01B11/16;G01B11/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種面向臨近空間飛行器模型的非視覺結構形態感知與重建方法，其特征在于具體操作步驟為：

????（1）模型形態信息的提取與處理；

????（2）模型的坐標點擬合、融合和可視化顯示。

2.根據權利要求1所述的臨近空間飛行器模型的非視覺結構形態感知與重建方法，其特征在于所述步驟（1）模型形態信息的提取與處理具體步驟如下：

①?設計離散布拉格光纖光柵傳感陣列設計：在分析模擬臨近空間飛行器實驗模型和機體框架結構和翼形結構形變特性的基礎上，根據應用的要求和儀器設備的約束，合理選擇布拉格光纖光柵傳感陣列的測點數量，優化設計并植入一系列布拉格光纖光柵傳感陳列于上述結構表面；

②光纖光柵信號的提取：利用光纖光柵網絡分析儀，提取結構上光柵測點處的檢測信號，實現針對應變信息的基本數據----波長數據獲取；

③應變信息的處理：根據波長數據，實現從波長數據到曲率信息的轉化，具體過程如下：

????a??首先計算波長差值????????????????????????????????????????????????

????式中：為光纖光柵解調儀器監測到的當前波長數據，為光柵傳感器在檢測點正常狀態下即變形之前的波長數據，稱之為中心波長，為所獲得波長差；

????b??確定測量點曲率轉化系數

在標準曲率標定設備上，對波長-曲率轉換系數進行標定，得出相應測量點的比例系數、，確定曲率的計算公式如下：

式中：為曲率，為波長差，、為標定參數；

c??計算各測點的曲率值

由步驟a計算出的波長差值和步驟b測得的標定參數，計算各個測點的曲率值。

3.根據權利1所述的臨近空間飛行器模型的非視覺結構形態感知與重建方法，其特征在于所述步驟（2）模型的坐標點擬合、融合和可視化顯示具體步驟如下：

①?曲率數據的插值：基于離散測點曲率值實現對未測量點的合理插值，以獲知盡可能多的有效曲率點信息，可針對不同的應用和具體要求采用相應的插值算法，一般所采用的插值算法有線性插值、二次樣條插值、三次樣條插值；

②?基于正交曲率的空間曲線擬合：根據當前檢測點的正交曲率，計算出其在動坐標系中的坐標值，然后根據動坐標系在固定坐標系中的屬性----旋轉和平移進行坐標變換，將動坐標系內的點坐標轉換為固定坐標系的坐標；算法運算的具體過程如下：

a?計算動坐標系下的測量點相對坐標

假設一個測量點的兩個正交曲率分別為，其對應的弧長為，則此測量點動坐標系的坐標的三個坐標點、、計算公式如下計算公式如下：

上述式中為：

b?更新下一個動坐標系的旋轉和平移屬性

此點所在動坐標系的屬性由向量和表示，表示坐標系的旋轉屬性，表示坐標系的平移屬性；符號為坐標點的序號，即前一點在固定坐標系中的坐標值；和滿足如下邊界條件：其中，（簡寫為，簡寫為，下面式子中表示方法以此類推：

的計算公式如下所示：?

其中的計算公式如下所示：

上述公式中，表示點的方向的分量，表示點的方向的分量，下面式子中表示方法以此類推；表示將某個點繞軸旋轉角度的矩陣，其中、計算公式如下：：

c?計算當前測量點在固定坐標系下的坐標

的計算公式如下所示：

③?基于空間曲線的模型框架結構相對坐標點擬合：采用模塊化正交光纖光柵檢測單元與框架機體粘合的方式，實現框架結構上各測點的應變檢測并將這些應變信息轉換為曲率并進行插值之后，利用基于正交曲率的空間曲線擬合算法，實現框架梁結構的坐標點獲知；這些坐標點都是在其算法自身坐標系的點集，因此稱為相對坐標點；

④?基于空間曲線的實驗模型翼形結構相對坐標點擬合：翼形結構屬于曲面結構，由一系列空間曲線組成，因此翼形結構坐標點集可以分解為空間曲線坐標點集的集合；曲線擬合算法仍然采用基于正交曲率的空間曲線擬合算法，所不同是的是翼形面型結構和光柵的非正交分布可以簡化曲率的分布，機翼在的形變方向主要集中在某一個方向，而其他方向的曲率總是為0；

⑤?實驗模型坐標點數據融合：將實驗模型的各個部件----翼形和機身框架的相對坐標值融合到一個統一的坐標系內，假設坐標系為笛卡爾坐標系XYZ，形成統一而完整的實驗模型坐標點集合；模型坐標點融合的過程如下：

Ⅰ?確定實驗模型形態重構的坐標系；

Ⅱ?確定實驗模型頭部的中心坐標，確定為模型的頭部平行于平面，且其中心點就是坐標原點；

Ⅲ?將模型的各個框架梁平移，使其前端處于其應當在的位置；

Ⅳ?對相應的框架梁成對進行方向均衡，均衡的方法是使框架梁繞其與模型頭部的結合點，在平面內分別在兩個相反方向上進行旋轉相同的距離，旋轉的目的是使其尾部方向的距離等于其應當的距離；

Ⅴ?對相應的框架梁成對進行方向均衡，均衡的方法是使框架梁繞其與模型頭部的結合點，在平面內分別在兩個相反方向上進行旋轉相同的距離，旋轉的目的是使其尾部方向的距離等于其應當的距離；

Ⅵ?將模型尾部平移到其應當的位置，進行尾部組合；

Ⅶ?平移實驗模型的左右機翼到模型尾部的最后一個結合點；

Ⅷ?分別在、方向旋轉模型的機翼，使其銜接到尾部第一個結合點；

Ⅸ?完成實驗模型各個部件的組合，實現坐標點的重建；

⑥?實驗模型的可視化顯示：在獲得飛行器模型的各個部件基礎上，利用計算機進行圖形處理，通過高速的循環渲染，實現臨近空間飛行器模型的準確、高效、逼真的模擬顯示，從而獲得實驗模型形態變化的實時可視化重構。