模拟高性能飞行器翼面结构形态的非视觉检测

针对高性能飞行器实验模型结构的翼面形态感知与重构技术要求,提出一种基于光纤光栅传感器阵列的翼型结构形态实时检测与可视化重构方法。首先,在分析光纤光栅结构曲率检测技术的基础上,进行基于分布式曲率感知信息的翼面结构形态实时重构算法研究;其次,针对实验模型结构振动响应特性与有限元分析结果,研究分布式光纤光栅传感器阵列优化布置方案;最后,构建飞行器模型结构实验平台与开发可视化软件环境,进行翼面结构静态形变与振动形态实时感知与重构实验分析与验证。结果表明,实验模型翼面结构形态实时感知与重构效果良好,较精确地反映了结构静态形变与振动形态的变化,验证了所提非视觉结构形态检测方法与技术的可行性与有效性。     

光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究

以大型航天柔性结构如太阳能帆板为试验模型对象,针对太空柔性结构振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究.技术方法上基于分布植入式FBG离散传感网络及其空分复用和波分复用特性,实现模型结构分布多点曲率信息检测,基于三维曲面拟合算法实现结构形态重构与可视化;综合阐述试验方案与过程,包括技术方案分析、试验对象设计、试验平台构建、试验过程描述与试验结果分析等;试验结果与验证表明,光纤光栅机敏柔性结构低模态振动形态感知与现场可视化是切实可行的,试验过程不仅效果生动逼真,而且比较精确地反映了结构振动形态,研究结果为航天柔性结构振动形态实时监测提供了技术探索思路.     

光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制

以模拟太空帆板结构为试验模型,针对振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行柔性光纤机敏结构振动形态感知及其形状记忆合金(SMA)致动控制研究。技术方法上基于分布植入式FBG传感网络的信息感知特性与结构形态曲面拟合算法,实现结构分布多点曲率检测与形态重构,并为基于SMA致动的结构振动主动控制提供判决依据;基于结构表面分布配置的SMA驱动网络,采用分组交替驱动方式实现结构低阶模态大幅振动主动控制;设计试验模型结构与构建完整试验测控平台,并综合阐述了试验方案与试验过程。试验结果验证了结构振动形态感知的有效性,以及结构振动SMA致动控制的可行性和高效性,为航天柔性结构低阶模态振动主动监控提供了较好的技术探索思路。     

基于B样条拟合的光纤光栅机敏柔性结构形态重构

研究了细长机敏柔性结构的三维形态拟合与重构方法以实现高性能飞行器结构形态主动监测.首先,介绍B样条曲线拟合基本原理,分析基于正交曲率信息的空间三维曲线重构算法和实现步骤,并进行了数值仿真分析;构建了机敏结构模型和实验环境,基于Visual C++平台和OpenGL技术开发了可视化软件;然后,描述正交分布式光纤光栅传感阵...     

非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定

为了提高FBG柔杆空间形状感知系统的重构精度,提出了一种利用3根FBG阵列、具有温度补偿特性的非正交FBG柔杆检测方法。在分析传感系统的误差组成、产生原因的基础上,建立仿真模型得到了各组成误差分别对系统空间形状重构精度的影响,得出减小安装角度误差是提升精度的关键。利用待标定参数与标定方向与实际检测方向夹角大小相关的原理,给出了一种修正安装角度误差的标定方法。经过实验证明,该方法使得系统形状重构最大相对误差降为0.25%,为高精度的三维形状感知系统提供了可靠的检测方法。     

三维结构可重构阵列在线自诊断与容错方法

目前传统的可重构阵列容错方法一般需要控制器来完成重构控制,容错重构控制算法复杂,资源利用率不高,因此提出一种面向三维结构的可重构阵列分布式自主容错方法.系统由相同的电子细胞以三维结构组成,每个细胞能进行故障定位且实现故障自修复;采用基于广度优先布线算法的重布线机制在三维细胞阵列中寻找最近冗余细胞;冗余细胞按比例均匀分布在三维阵列中,可增加容错重构控制过程的灵活性,缩短重构时间.以4位并行乘法器电路为例,对可重构阵列的功能和容错能力进行验证,实验结果表明该方法能够实现三维可重构阵列分布式自主故障诊断与修复,可容错多次故障且容错重构时间短,冗余资源利用率高.     

变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法

为解决变形机翼柔性蒙皮形状实时监测问题,研究柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法。理论分析了光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系以及基于曲率信息的插值曲面重构算法;建立了柔性蒙皮曲率标定实验系统,制备了两层硅橡胶间加入有机硅胶并布设光纤光栅传感器的柔性蒙皮;实验测量了不同曲率下不同样本之间的波长漂移,分析了光纤光栅波长漂移量与柔性蒙皮曲率的关系,采用插值算法重构出柔性蒙皮变形曲面,验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测的技术可行性。研究结果表明:光纤传感方法可用于柔性蒙皮形状实时感知,柔性变形可测量曲率范围不小于为25 m~(-1),灵敏度可达28.07 pm/m~(-1)。光纤传感方法在变形机翼形状实时监测中具有应用前景。     

基于FBG传感网络的新型内窥镜形状实时检测系统

通过基于光纤光栅(FBG)传感网络的内窥镜空间形状实时检测系统的搭建,提供了一种新型的内窥镜形状的感知手段。针对内窥镜形状感知的具体要求,进行了光纤光栅大曲率传感器原理研究以及微小尺寸光纤光栅传感网络设计。在不改变内窥镜的结构的前提下,将光纤光栅传感网络介入其固有手术钳道,通过传感网络感知内窥镜上多个离散点空间曲率变化,利用离散曲率形状重建算法重构出内窥镜形状。在此基础上搭建了智能内窥镜实时形状感知系统,给出了数据处理方法和动物试验结果。     

变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究

为解决变体飞行器变形机翼薄膜蒙皮形状实时监测问题,研究光纤传感及重建方法。采用实验方法标定光纤光栅传感器,得到聚酰亚胺薄膜蒙皮变形光纤传感校正曲线,实现光纤光栅传感器中心波长漂移量与薄膜蒙皮变形曲率参数的准确转换;实验测得不同翼型下光纤传感器反射谱特征及其随翼型变化规律,利用光纤光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同翼型下聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率数据,结合插值曲线拟合算法,重建出薄膜蒙皮三维形状;采用数字摄影测量系统进行对比实验,验证了光纤传感重建蒙皮形状参数的正确性。研究结果表明,聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率的光纤传感与摄影测量误差小于5%,光纤传感方法可以实现变形机翼薄膜蒙皮三维形状传感与重建,在变体飞行器柔性蒙皮实时传感监测方面具有应用前景。     

空间伸展结构变形与振动分布式光纤监测研究

空间伸展结构是一种最基本的可展开折叠单元,广泛应用于大型展开天线、太阳帆板以及空间机械臂等航天领域,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,提出一种基于准分布式光纤传感器的空间伸展结构变形与振动实时监测技术。借助MSC.Patran/Nastran有限元分析方法,数值模拟得到碳纤维复合材料柔性空间伸展结构在不同载荷作用下的应变、位移响应规律以及振动模态特征。分别研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的结构变形反演算法,光纤光栅中心波长偏移量与振动特征关系解析模型,计算得到空间伸展结构沿展开方向不同位置的坐标信息。在此基础上,通过在柔性复合材料伸展结构展向布设离散光纤光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,进而推导相应位置曲率特征,实现不同加载模式下的伸展结构形态重构,变形反演相对误差约为2.5%。此外,借助准分布式光纤传感器不仅可以得到伸展结构对应的变形实时响应曲线,同时还能够获取其前三阶固有模态和振型特征,所测频率与仿真结果吻合度较好,平均误差约为0.67%。研究结果表明,所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来及时准确获取空间伸展结构姿态,实现空间形态自适应调节与在轨振动主动控制提供有力保障。     

基于FBG连杆变形感知及三维重构方法研究

连杆作为柴油发动机的关键零部件,其变形直接影响动力装备的性能和寿命。因此,检测连杆变形对保证动力装备的使用寿命具有重要作用。文中提出基于光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)船用柴油机连杆的变形检测技术,根据有限元分析连杆变形特点,设计FBG栅点的传感网络,建立连杆受力变形下的三维重构模型,并开发基于FBG连杆变形检测的软硬件系统,实现连杆变形的可视化监测。实验结果表明采用基于FBG的感知和重构技术检测连杆的变形是可行的,为连杆性能的精确检测以及船舶动力装备其他关键件的变形检测提供了新思路。     

智能工作面中刮板输送机直线度感知技术

目前矿井刮板输送机直线度检测技术检测精度差,在监测、执行、控制等环节的智能化程度不足,影响了采煤工作面的生产效率.某矿致力于现代化智能煤矿开采设备的研发与应用工作,根据现场开采情况,对刮板输送机直线度感知技术进行分析研究,利用FBG光纤光栅技术并结合应变传感原理,研制出采用三维曲率技术方法的传感器.通过有限元技术分析方法得出光纤光栅曲率感知技术能够有效对刮板输送机的直线度进行感应,并具有可靠性高、抗干扰能力强的特点.     

基于 ELM 算法的柔性 FBG 形状重构末端分析

为了提高光纤光栅(FBG)柔性结构采用正交曲率三维重构方法的末端精度,通过神经网络将重构后的曲率末端坐标与实际空间坐标建立映射关系。首先利用COMSOL仿真软件对聚氨酯胶棒建立模型,将两根光纤光栅串共8支光栅正交排布,采用递推角算法建立动态坐标系进行三维重构。对重构的末端点坐标利用误差逆传播(BP)神经网络算法与极限学习机(ELM)神经网络算法进行训练检测,结果表明,BP神经网络和ELM神经网络训练平均误差分别为0.443 6和0.008 2。最后搭建实验平台,对聚氨酯胶棒在受力情况下进行形状重构,并代入ELM模型中进行训练,训练结果相关系数R²=0.985 8,均方根误差(RMSE)为1.363 0,相较于BP神经网络方法有效提高了形状重构的末端坐标精度。     

大型柔性曲面振动智能检测

以太空太阳能帆板的振动为对象建立大型柔性曲面振动检测样机,提供一种基于非视觉传感方法的大型柔性曲面振动智能检测方法和系统。系统将光纤光栅(Fiber bragg grating,FBG)分布式地封装于形状记忆合金基材中构成传感阵列,采用预应力封装提高FBG传感器的测量范围。根据波分复用和空分复用技术将传感阵列设计为传感网络,植入于曲面中,当被测曲面发生振动时, FBG解调仪检测到分布传感器的波长变化,转化为相应曲面上特征曲线的曲率信息。由曲率信息和弧长信息重建曲面形状,并在屏幕上显示出来,实现柔性曲面智能形状检测。试验结果表明,检测系统的FBG传感网络检测灵敏度高,重建算法速度快,重建曲面精度高,能够应用于大型柔性曲面的安全检测和监控。     

石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料结构3D打印与性能研究

为了深入研究石墨烯复合材料压阻特性,解决压阻复合材料定量传感问题,实现自传感结构变形监测,通过球磨混合工艺和单螺杆挤出工艺制备了石墨烯/柔性聚乳酸复合丝材,采用材料挤出成形3D打印作为石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料的结构成型工艺,对导电高分子复合材料的压阻特性展开研究,探究了不同载荷条件对复合材料压阻特性的影响规律,为实现自传感结构变形监测提供了可靠的依据.最后搭建了基于LabVIEW和实时数据采集模块的自传感结构变形重构实时监测系统,通过建立平面弯曲变形传感单元的计算模型,使用阵列传感单元实现了结构变形重构实时监测功能,其中重构形状误差低于3％.     

临近空间飞艇蒙皮三维形变多芯光纤重构技术

为解决临近空间飞艇气囊形态实时监测问题,提出了基于温度自解耦多芯光纤传感器的气囊蒙皮三维形变重构方法。根据飞艇气囊三维形态特征,设计了多芯光纤传感器布局和布设方式。将多芯光纤传感结构与Frenet-Serret方程相结合,建立了具备温度自解耦功能的蒙皮三维形变重构算法。以飞艇气囊柔性复合蒙皮为试验对象,设计并集成建立了蒙皮三维形变多芯光纤重构试验系统。试验分析了温度变化环境下多芯光纤传感器三维形变重构精度以及不同弯曲度下蒙皮三维形变型面重构精度,验证了所提方法的有效性。研究结果表明：利用多芯光纤传感器和温度自解耦方法能够在大变温环境下准确重构气囊蒙皮形变,蒙皮三维型面重构误差平均值小于1.5%,所提方法在临近空间飞艇气囊形态实时监测领域具有应用前景。     

一种新型的内窥镜三维形状重构与定位算法

本文在研究智能内窥镜显示系统前提下,提出了一种新的内窥镜形状重构算法以及内窥镜前端的定位方法.在不改变内窥镜结构的情况下,将FBG(fiber bragg grating)传感器阵列内置于内窥镜钳道中,通过测得内窥镜中FBG传感器波长的变化来推导内窥镜任一点相对于内窥镜末端点的位姿,从而利用曲线拟合的方法重构出整个内窥镜的形状以及对前端的定位.受安装条件的限制,FBG传感器检测单元封装在SMA (shape memory alloy)合金丝上的真实位置与理论位置有较大的误差.为了减少安装精度对整个形状重建的影响,对传感器安装误差进行了分析以及对形状重构算法进行了修正.实验结果表明内窥镜前端的位置精度提高到了4.5 mm.     

变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7 mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前...     

基于空间多点悬挂机载云台的轻量化设计分析

多轴增稳云台作为小型无人飞行器载荷系统重要的组成单元,小型化、轻量化与高集成化是云台设计发展的基本趋势之一。提出了一种基于空间多点悬挂、多轴系框架闭环的云台系统轻量化设计方法,分析了封闭环架多点自由度约束设计模型,通过载荷的力矩计算,创建了云台系统的轻量化模型。通过有限元力学建模仿真,结合多旋翼无人飞行器的振动特性,与实验相结合,分析了云台系统的振动特性和随着载荷重量改变的模态响应,验证了系统设计的可行性和稳定性,为云台系统的轻量化设计提供了理论参考。     

基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法研究

本文提出了一种基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法,在结构中央布置环形压电传感器阵列实现对结构的全方位扫描监测,消除了主动Lamb波空间滤波器监测方法中盲区及远场对监测效果的影响。环形阵列由直径方向不同角度的4个线阵组成,每个线阵采用主动Lamb波空间滤波监测方法对结构损伤进行监测、成像,各阵列成像结果通过PCA-小波变换进行融合对损伤位置进行判别,从而实现结构全方位损伤扫描监测,消除单个阵列损伤监测的盲区、远场及虚假成像等影响,进而获得更加准确的损伤监测结果。通过实验研究,验证了该方法的有效性和实用性。