一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種超大型柔性結構全信息測量系統，包含：控制器及分別與控制器連接的接觸式測量子系統和非接觸式測量子系統；接觸式測量子系統包含一應變信息處理單元及分別與應變信息處理單元連接的若干個應變傳感器，若干個應變傳感器分布在超大型柔性結構上；非接觸式測量子系統包含一振動信息處理單元及分別與振動信息處理單元連接的遠場振動信息測量單元及中近場振動信息測量單元；應變信息處理單元及振動信息處理單元分別與控制器連接。本發明還公開了一種超大型柔性結構全信息測量方法。本發明通過非接觸式和接觸式全信息測量信息融合手段，實時修正理論模態函數，可以極大提高模態坐標的測量準確度，保證航天器的姿態軌道控制效果。
【專利說明】
-種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法
技術領域
[0001] 本發明設及柔性結構曉性振動信息測量技術，具體設及一種超大型柔性結構全信 息測量系統及其方法，屬于航天器姿態確定相關領域。
【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟發展步入新常態，實現經濟、社會和環境的和諧、可持續發展，地理 信息產業已經成為發展綠色經濟、循環經濟、低碳經濟的重要支撐。高分辨率空間遙感信息 對資源、環境和農業部口制定科學發展策略，提高監管與服務職能，成為重要的參考依據。 通過利用空間遙感數據可W用于地球資源普查、植被分類、±地利用規劃、農作物病蟲害和 作物產量調查、環境污染檢測、海洋開發、地震監測等方面；同時可W用于獲取基礎地理空 間信息，測繪地形，監測災害，預測預警、防災、減災等方面。
[0003] 為了滿足我國對大幅寬高分辨率空間遙感觀測需求，發展超大尺寸的觀測載荷成 為一種有效的解決途徑，從而形成全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。但超大尺寸 的觀測載荷也帶來了航天器柔性結構占比過大，曉性附件尺寸、質量遠遠超過中屯、剛體的 問題。超大型柔性結構模態振動會嚴重干擾整星姿態穩定，給整星姿態軌道控制帶來了極 大挑戰。必須能夠準確實時地得到曉性附件的模態振動信息，并反饋運些信息給控制器，從 而實現精確魯棒的控制。
[0004] 柔性結構模態振動的測量方式一般有接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量通過在 柔性結構的關鍵點布置應變傳感器，測量多點的局部應變信息，獲得模態振動信息。而非接 觸式測量則通過在關鍵點布置祀標，通過激光掃描雷達或可見光相機獲得祀標的振動位移 信息，從而獲得模態振動信息。兩者都必須通過模態函數參與，才能獲得模態分離的模態坐 標信息，供給控制器使用。而模態函數是地面理論計算得到的，必然存在誤差，而天上光熱 環境復雜多變，模態函數還會發生一定的變化。所W模態函數含有誤差，導致模態坐標估計 不準確，會嚴重影響控制效果。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法，通過非接 觸式和接觸式全信息測量信息融合手段，實時修正理論模態函數，可W極大提高模態坐標 的測量準確度，保證航天器的姿態軌道控制效果。
[0006] 為了達到上述目的，本發明通過W下技術方案實現:一種超大型柔性結構全信息 測量系統，其特點是，包含：
[0007] 控制器及分別與控制器連接的接觸式測量子系統和非接觸式測量子系統；
[000引所述的接觸式測量子系統包含一應變信息處理單元及分別與所述應變信息處理 單元連接的若干個應變傳感器，所述的若干個應變傳感器分布在超大型柔性結構上；
[0009]所述的非接觸式測量子系統包含一振動信息處理單元及分別與所述振動信息處 理單元連接的遠場振動信息測量單元及中近場振動信息測量單元；
[0010] 所述的應變信息處理單元及振動信息處理單元分別與控制器連接。
[0011] 所述的遠場振動信息測量單元包含一激光掃描雷達及若干個反射鏡祀標，所述的 激光掃描雷達與所述振動信息處理單元連接，所述的若干個反射鏡祀標分布在超大型柔性 結構上，用于獲得該位置處的振動位移信息。
[0012] 所述的中近場振動信息測量單元包含若干臺可見光相機及若干個Lm)燈祀標，所 述的若干臺可見光相機分別與所述的振動信息處理單元連接，所述的若干個Lm)燈祀標分 布在超大型柔性結構上，用于獲得該位置處的振動位移信息。
[0013] -種超大型柔性結構全信息測量方法，用于超大型柔性結構全信息測量系統中， 所述的超大型柔性結構全信息測量系統包含控制器及分別與控制器連接的接觸式測量子 系統和非接觸式測量子系統，所述的接觸式測量子系統用于測量區部應變信息，所述的非 接觸式測量子系統用于測量振動位移信息，其特點是，該方法包含W下步驟：
[0014] S1、根據超大型柔性結構的若干個區部應變信息和理論模態函數得到估計模態坐 標；
[0015] S2、根據估計模態坐標及超大型柔性結構的若干個位置的振動位移信息得到估計 模態函數；
[0016] S3、根據估計模態函數，對理論模態函數進行修正；
[0017] S4、根據修正后的理論模態函數，再次執行步驟SI,迭代循環，逼近得到準確的模 態f胃息。
[0018] 所述的步驟Sl包含：
[0019] SI. 1、接觸式測量子系統的若干個應變傳感器，分別采集對應位置的區部應變信 息，得到對應位置的角應變信息；
[0020] SI.2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變傳感器所對應的位 移差f目息；
[0021] SI. 3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾 方程組；
[0022] SI.4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。
[0023] 所述的步驟SI. 2中計算位移差信息的公式為：
[0024] Adi=Isensor 丫 i i = l，2，...，N
[0025] 其中，Adi表示應變傳感器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變傳 感器尺度下的應變量，1 sensor表示應變傳感器在應變方向上的尺度，丫 i表示角應變，N為接 觸式測量子系統中應變傳感器的數量取值。
[00%] 所述的步驟S2包含：
[0027] S2.1、采用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函數；
[0028] S2.2、非接觸式測量子系統測量得到若干個位置的振動位移信息；
[0029] S2.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾 方程組；
[0030] S2.4、求解該矛盾方程組，得到模態函數的估計值。
[0031] 所述的位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式為：
[0032] d=巫 TlnXl
[00削其中，d表示對應位置點的位移值，rinx讀示前n階模態坐標，巫表示該位置點的模 態函數，模態函數為空間位置的函數。
[0034] 所述的步驟S3中對理論模態函數進行修正的公式為：
[0035] 巫=KoO 巫 +KnO 巫 new
[0036] 其中，O表示理論模態函數，Onew表示模態函數的估計值，O符號表示元素對應相 乘，K。表示過去加權系數矩陣，Kn為未來加權系數矩陣。
[0037] 本發明一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法與現有技術相比具有W下 優點：能夠準確實時地得到曉性附件的模態振動信息，反饋運些信息給控制器，使帶大型曉 性附件航天器的姿態軌道得到更好的控制;通過接觸式和非接觸式兩種測量信息融合的方 法，在線實時修正模態函數誤差，減少該誤差對模態坐標的影響，提高模態振動信息的測量 精度。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發明一種超大型柔性結構全信息測量系統的整體結構框圖；
[0039] 圖2為遠場振動信息測量單元和中近場振動信息測量單元空間分布示意圖；
[0040] 圖3為本發明一種超大型柔性結構全信息測量方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0041] W下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。
[0042] 如圖1及圖2所示，一種超大型柔性結構全信息測量系統，包含:控制器100及分別 與控制器100連接的接觸式測量子系統200和非接觸式測量子系統300;所述的接觸式測量 子系統200包含一應變信息處理單元201及分別與所述應變信息處理單元201連接的若干個 應變傳感器202,所述的若干個應變傳感器202分布在超大型柔性結構400上，應變傳感器 202布局優化形成應變傳感器群，應變信息處理單元201保證應變信息的同步性，即接觸式 測量子系統200測量應變傳感器202處的區部應變信息;所述的非接觸式測量子系統300包 含一振動信息處理單元301及分別與所述振動信息處理單元301連接的遠場振動信息測量 單元302及中近場振動信息測量單元303,振動信息處理單元301實現遠中近場振動信息的 同步性;所述的應變信息處理單元201及振動信息處理單元301分別與控制器100連接。
[0043] 在本實施例中，如圖2所示，所述的遠場振動信息測量單元302包含一激光掃描雷 達3021及若干個反射鏡祀標3022,所述的激光掃描雷達3021與所述振動信息處理單元301 連接，所述的若干個反射鏡祀標3022分布在超大型柔性結構400上，用于獲得該位置處的振 動位移信息，所述的激光掃描雷達3021設置在服務艙500上，激光掃描雷達3021和反射鏡祀 標3022配合實現遠場振動信息的測量。
[0044] 在本實施例中，如圖2所示，所述的中近場振動信息測量單元303包含若干臺可見 光相機3031及若干個Lm)燈祀標3032,所述的若干臺可見光相機3032分別與所述的振動信 息處理單元301連接，所述的若干個Lm)燈祀標3032分布在超大型柔性結構400上，用于獲得 該位置處的振動位移信息，若干臺可見光相機3031設置在服務艙500上，可見光相機3031和 L邸燈祀標3032的配合實現中近場振動信息的測量，較佳地，可見光相機3031分為近場相機 和中場相機，W分別獲得中近場振動信息的測量。
[0045] 結合上述的超大型柔性結構全信息測量系統，本發明還公開了一種超大型柔性結 構全信息測量方法，該方法包含W下步驟：
[0046] S1、根據超大型柔性結構的若干個區部應變信息和理論模態函數得到估計模態坐 標。
[0047] SI. 1、接觸式測量子系統的若干個應變傳感器，分別采集對應位置的區部應變信 息，得到對應位置的角應變信息；
[004引SI.2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變傳感器所對應的位 移差f目息；
[0049] SI. 3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾 方程組；
[0050] Sl .4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。
[0051 ]其中，步驟Sl. 2中計算位移差信息的公式為：
[0052] Adi=Isensor 丫 i i = l，2，...，N
[0053] 其中，Adi表示應變傳感器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變傳 感器尺度下的應變量，1 sensor表示應變傳感器在應變方向上的尺度，丫 i表示角應變，N為接 觸式測量子系統中應變傳感器的數量取值。
[0054] 步驟SI. 3中位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式為：
[0化5] d=巫 HnXi
[0056]其中，d表示對應位置點的位移值，Ilnx讀示前n階模態坐標，巫表示該位置點的模 態函數，模態函數為空間位置的函數。
[0化7] 步驟Sl.3中得到的矛盾方程組為包含N個方程、n個未知量的矛盾方程組(N>n) [0化引
[0059] 經過N個應變傳感器的信息融合，W減少O誤差對模態坐標Ilnxi的影響。
[0060] S2、根據估計模態坐標及超大型柔性結構的若干個位置的振動位移信息得到估計 模態函數。
[0061] S2.1、采用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函數；
[0062] S2.2、非接觸式測量子系統測量得到若干個位置的振動位移信息；
[0063] S2.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾 方程組；
[0064] S2.4、求解該矛盾方程組，得到模態函數的估計值。
[0065] 其中，步驟S2.1中，模態函數巫可表示為如下形式：
[0066] 巫二巫(p，ai，a2，...，am)
[0067] 其中，P表示空間位置，模態函數為空間位置的函數，曰1，曰2,…，am為擬合多項式的 系數。
[0068] 步驟S2.3中位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式為：
[0069] d=巫 TlnXl
[0070] 其中，d表示對應位置點的位移值，Ilnx讀示前n階模態坐標，巫表示該位置點的模 態函數，模態函數為空間位置的函數。
[0071] 步驟S2.2中非接觸式測量子系統測量得到M個位置(標記點）的振動位移信息，貝U 可列如下矛盾方程組
[0072]
[0073] 通過求解W上矛盾方程組，可得系數日1，日2,…，am的值，從而得到模態函數O的估 計值。
[0074] S3、根據估計模態函數，對理論模態函數進行修正。
[0075] 對理論模態函數進行修正的公式為：
[0076] 巫=KoO 巫+Kno 巫 new
[0077] 其中，O表示理論模態函數，Onew表示模態函數的估計值，O符號表示元素對應相 乘，K。表示過去加權系數矩陣，Kn為未來加權系數矩陣。
[0078] S4、根據修正后的理論模態函數，再次執行步驟SI,迭代循環，逼近得到準確的模 態fs息。
[0079] 盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
【主權項】
1. 一種超大型柔性結構全信息測量系統，其特征在于，包含： 控制器及分別與控制器連接的接觸式測量子系統和非接觸式測量子系統； 所述的接觸式測量子系統包含一應變信息處理單元及分別與所述應變信息處理單元 連接的若干個應變傳感器，所述的若干個應變傳感器分布在超大型柔性結構上； 所述的非接觸式測量子系統包含一振動信息處理單元及分別與所述振動信息處理單 元連接的遠場振動信息測量單元及中近場振動信息測量單元； 所述的應變信息處理單元及振動信息處理單元分別與控制器連接。2. 如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量系統，其特征在于，所述的遠場振動 信息測量單元包含一激光掃描雷達及若干個反射鏡靶標，所述的激光掃描雷達與所述振動 信息處理單元連接，所述的若干個反射鏡靶標分布在超大型柔性結構上，用于獲得該位置 處的振動位移信息。3. 如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量系統，其特征在于，所述的中近場振 動信息測量單元包含若干臺可見光相機及若干個LED燈靶標，所述的若干臺可見光相機分 別與所述的振動信息處理單元連接，所述的若干個LED燈靶標分布在超大型柔性結構上，用 于獲得該位置處的振動位移信息。4. 一種超大型柔性結構全信息測量方法，用于超大型柔性結構全信息測量系統中，所 述的超大型柔性結構全信息測量系統包含控制器及分別與控制器連接的接觸式測量子系 統和非接觸式測量子系統，所述的接觸式測量子系統用于測量區部應變信息，所述的非接 觸式測量子系統用于測量振動位移信息，其特征在于，該方法包含以下步驟： 51、 根據超大型柔性結構的若干個區部應變信息和理論模態函數得到估計模態坐標； 52、 根據估計模態坐標及超大型柔性結構的若干個位置的振動位移信息得到估計模態 函數； 53、 根據估計模態函數，對理論模態函數進行修正； 54、 根據修正后的理論模態函數，再次執行步驟Sl，迭代循環，逼近得到準確的模態信 息。5. 如權利要求4所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特征在于，所述的步驟Sl包 含： SI. 1、接觸式測量子系統的若干個應變傳感器，分別采集對應位置的區部應變信息，得 到對應位置的角應變信息； Sl. 2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變傳感器所對應的位移差 信息； SI. 3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾方程 組； SI.4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。6. 如權利要求5所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特征在于，所述的步驟Sl. 2 中計算位移差信息的公式為： A di - Ise nsor γ i i = l,2,···,N 其中，Ad1表示應變傳感器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變傳感器尺 度下的應變量，Isenscir表示應變傳感器在應變方向上的尺度，γι表示角應變，N為接觸式測 量子系統中應變傳感器的數量取值。7. 如權利要求4所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特征在于，所述的步驟S2包 含： 52.1、 采用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函數； 52.2、 非接觸式測量子系統測量得到若干個位置的振動位移信息； 52.3、 控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函數的關系式，得到對應的矛盾方程 組； 52.4、 求解該矛盾方程組，得到模態函數的估計值。8. 如權利要求5或7所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特征在于，所述的位移 差信息與模態坐標及模態函數的關系式為： d 一 Φ HnXl 其中，d表示對應位置點的位移值，ηηχι表示前η階模態坐標，Φ表示該位置點的模態函 數，模態函數為空間位置的函數。9. 如權利要求4所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特征在于，所述的步驟S3中 對理論模態函數進行修正的公式為： Φ = K0O Φ +Κν〇 Φ new 其中，Φ表示理論模態函數，Φη?表示模態函數的估計值，〇符號表示元素對應相乘，κ。 表;^過去加權系數矩陣，Kn為未來加權系數矩陣。
【文檔編號】G01H9/00GK105953906SQ201610261074
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】劉付成, 朱東方, 張志偉, 孫俊, 宋婷, 黃靜
【申請人】上海航天控制技術研究所