[發(fā)明專利]臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210008145.7
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102542606A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 上海大學(xué)
• 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(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及一種光纖光柵智能結(jié)構(gòu)的非視覺形態(tài)感知和重建方法，尤其針對一種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法。

背景技術(shù)

當今世界在航空航天領(lǐng)域的競爭日趨激烈，其中臨近空間飛行器的方法探索和相關(guān)技術(shù)研究已成為熱點方向。臨近空間橫跨平流層、中間層和部分熱層，具有空氣稀薄、大氣密度低、空氣動力效應(yīng)和航空浮力作用較小的特點，因此巡航于此空域的飛行器具有遠大于普通飛行器飛行速度的特征，例如超高音速臨近空間飛行器巡航速度最高可達9～12馬赫。超高聲速飛行器一旦受到機動或者外界干擾等因素的激勵，會導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變或振動響應(yīng)，如不及時采取有效的結(jié)構(gòu)形變或振動狀況監(jiān)測措施，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化或振動響應(yīng)的有效抑制，持續(xù)的結(jié)構(gòu)形變或振動響應(yīng)不僅會影響飛行器內(nèi)部各種儀器的工作性能，而且可能發(fā)生改變飛行器預(yù)定航道的嚴重問題，甚至完全導(dǎo)致飛行器巡航任務(wù)的失??；長期和劇烈的結(jié)構(gòu)形變或振動響應(yīng)還將造成飛行器結(jié)構(gòu)疲勞，從而導(dǎo)致飛行器機體結(jié)構(gòu)性能下降甚至失效，直接威脅飛行器安全。判別臨近空間飛行器結(jié)構(gòu)運行健康狀況的首要條件，是獲知飛行器機體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的形變狀況和振動形態(tài)，因此如何實現(xiàn)對飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形變狀況和低頻振動形態(tài)進行實時感知，并進而能夠獲得結(jié)構(gòu)變化形態(tài)的重構(gòu)和顯示，對飛行器的結(jié)構(gòu)安全和有效控制起著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)有相關(guān)方法和技術(shù)中，可予以考慮的主要歸納為如下幾種：在視覺可見的環(huán)境下采用高速攝像技術(shù)對監(jiān)測點進行拍照，利用相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，對其形變狀況進行綜合分析；利用激光技術(shù)，對發(fā)射激光及接受激光進行特殊技術(shù)處理，從而獲得測量點的形變數(shù)據(jù)；采用超聲波、三位磁場定位等檢測方法，直接獲取監(jiān)測點的位置坐標。這些測量方法和感知技術(shù)或者采集數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，或者采集精度太低，很難精確獲知機體結(jié)構(gòu)的形變信息，或者由于檢測數(shù)據(jù)方式和所需設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，不能適應(yīng)臨近空間飛行器的空天環(huán)境，因此很難應(yīng)用于實際工程。

發(fā)明內(nèi)容

????本發(fā)明目的在于提供一種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建方法，這種方法利用優(yōu)化分布的離散布拉格光纖光柵傳感陳列，感知飛行器模型各測量點的應(yīng)變信息，并在獲取離散應(yīng)變信息之后，根據(jù)相關(guān)算法將離散應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為離散曲率信息，并在曲率插值的基礎(chǔ)上，基于正交曲率信息的空間三維曲線擬合算法，計算獲得實驗?zāi)Ｐ蜋C身框架和機翼各點的相對坐標值，并利用坐標融合算法，得出模型各個點的絕對坐標值，最后基于計算機圖形處理技術(shù)，在計算機屏幕上對模型形態(tài)變化進行重構(gòu)，從而實現(xiàn)模型形變狀態(tài)或低頻振動形態(tài)的三維可視化實時顯示。

????為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種臨近空間飛行器模型的非視覺結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重建新方法，其特征是利用優(yōu)化設(shè)計的離散布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)陣列，檢測結(jié)構(gòu)各離散測點的應(yīng)變信息，并利用一定的曲率轉(zhuǎn)化算法將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為曲率信息，從而實現(xiàn)模型的非視覺形態(tài)信息感知，然后利用一定的曲率擬合算法、坐標融合算法和計算機圖形處理技術(shù)，實現(xiàn)實驗?zāi)Ｐ偷膶崟r形態(tài)重建和可視化顯示。具體可以分為如下兩個過程：

l????????模型形態(tài)信息的提取與處理；

l????????模型坐標點的擬合、融合和可視化顯示；

????上述模型形態(tài)信息的提取與處理具體步驟如下：

????（1）離散布拉格光纖光柵傳感陣列設(shè)計

????在分析模擬臨近空間飛行器實驗?zāi)Ｐ秃蜋C體框架結(jié)構(gòu)和翼形結(jié)構(gòu)形變特性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計并植入一系列布拉格光纖光柵傳感陳列于上述結(jié)構(gòu)表面?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的要求和儀器設(shè)備的約束，合理選擇布拉格光纖光柵傳感陣列的測點數(shù)量，并采用表面植入技術(shù)實現(xiàn)離散傳感陣列的構(gòu)建。優(yōu)化的布拉格光纖光柵傳感器陣列可以精確測量結(jié)構(gòu)測點處的應(yīng)變信息。

????（2）光纖光柵信號的提取

????根據(jù)光纖光柵傳感陣列的分布特點和數(shù)量，選擇光纖光柵傳感信號處理儀器，如光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀，以提取結(jié)構(gòu)上光柵測點處的檢測信號，實現(xiàn)針對結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的基本數(shù)據(jù)（波長數(shù)據(jù)）獲取。

????（3）應(yīng)變信息的處理

????根據(jù)波長數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從應(yīng)變信息（波長數(shù)據(jù)）到曲率信息的轉(zhuǎn)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(diào)儀器監(jiān)測到的當前波長數(shù)據(jù)，為光柵傳感器在檢測點正常狀態(tài)下(變形之前)的波長數(shù)據(jù)，稱之為中心波長，為所獲得波長差。