《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》是上海航天控制技術研究所於2016年4月25日申請的專利，該專利申請號為201610261074X，公布號為CN105953906A，公布日為2016年9月21日，發明人是劉付成、朱東方、張志偉、孫俊、宋婷、黃靜。
《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》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線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線的若干個應變感測器，若干個應變感測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線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線。該發明還公開了一種超大型柔性結構全信息測量方法。該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式，可以極大提高模態坐標的測量準確度，保證太空飛行器的姿態軌道控制效果。
2021年6月24日，《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
（概述圖為《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法
- 公布號：CN105953906A
- 申請人：上海航天控制技術研究所
- 發明人：劉付成、朱東方、張志偉、孫俊、宋婷、黃靜
- 申請號：201610261074X
- 申請日：2016年4月25日
- 公布日：2016年9月21日
- 地址：上海市徐匯區宜山路710號
- 代理機構：上海信好專利代理事務所
- 代理人：張靜潔、包姝晴
- Int. Cl.：G01H9/00(2006.01)I; G01B21/32(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
隨著中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。高解析度空間遙感信息對資源、環境和農業部門制定科學發展策略，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以用於地球資源普查、植被分類、土地利用規劃、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；同時可以用於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。
為了滿足中國對大幅寬高解析度空間遙感觀測需求，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太空飛行器柔性結構占比過大，撓性附屬檔案尺寸、質量遠遠超過中心剛體的問題。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撓性附屬檔案的模態振動信息，並反饋這些信息給控制器，從而實現精確魯棒的控制。
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感測器，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靶標，通過雷射掃描雷達或可見光相機獲得靶標的振動位移信息，從而獲得模態振動信息。兩者都必須通過模態函式參與，才能獲得模態分離的模態坐標信息，供給控制器使用。而模態函式是地面理論計算得到的，必然存在誤差，而天上光熱環境複雜多變，模態函式還會發生一定的變化。所以模態函式含有誤差，導致模態坐標估計不準確，會嚴重影響控制效果。
發明內容
專利目的
《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》的目的在於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式，可以極大提高模態坐標的測量準確度，保證太空飛行器的姿態軌道控制效果。
技術方案
《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》通過以下技術方案實現：一種超大型柔性結構全信息測量系統，其特點是包含：控制器及分別與控制器連線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線的若干個應變感測器，所述的若干個應變感測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線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線。
所述的遠場振動信息測量單元包含一雷射掃描雷達及若干個反射鏡靶標，所述的雷射掃描雷達與所述振動信息處理單元連線，所述的若干個反射鏡靶標分布在超大型柔性結構上，用於獲得該位置處的振動位移信息。
所述的中近場振動信息測量單元包含若干台可見光相機及若干個LED燈靶標，所述的若干台可見光相機分別與所述的振動信息處理單元連線，所述的若干個LED燈靶標分布在超大型柔性結構上，用於獲得該位置處的振動位移信息。
一種超大型柔性結構全信息測量方法，用於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線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於測量區部應變信息，所述的非接觸式測量子系統用於測量振動位移信息，其特點是，該方法包含以下步驟：
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式得到估計模態坐標；
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式；
S3、根據估計模態函式，對理論模態函式進行修正；
S4、根據修正後的理論模態函式，再次執行步驟S1，疊代循環，逼近得到準確的模態信息。
所述的步驟S1包含：
S1.1、接觸式測量子系統的若干個應變感測器，分別採集對應位置的區部應變信息，得到對應位置的角應變信息；
S1.2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變感測器所對應的位移差信息；
S1.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；
S1.4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。
所述的步驟S1.2中計算位移差信息的公式為：Δdi＝lsensorγi，i＝1，2，…，N
其中，Δdi表示應變感測器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變感測器尺度下的應變數，lsensor表示應變感測器在應變方向上的尺度，γi表示角應變，N為接觸式測量子系統中應變感測器的數量取值。
所述的步驟S2包含：
S2.1、採用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函式；
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；
S2.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；
S2.4、求解該矛盾方程組，得到模態函式的估計值。
所述的位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式為：d＝Φηn×1
其中，d表示對應位置點的位移值，ηn×1表示前n階模態坐標，Φ表示該位置點的模態函式，模態函式為空間位置的函式。
所述的步驟S3中對理論模態函式進行修正的公式為：Φ＝KoοΦ+KNοΦnew
其中，Φ表示理論模態函式，Φnew表示模態函式的估計值，ο符號表示元素對應相乘，Ko表示過去加權係數矩陣，KN為未來加權係數矩陣。
改善效果
《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》具有以下優點：能夠準確實時地得到撓性附屬檔案的模態振動信息，反饋這些信息給控制器，使帶大型撓性附屬檔案太空飛行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，線上實時修正模態函式誤差，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
圖1為《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》測量系統的整體結構框圖；
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；
圖3為《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》測量方法的流程圖。
 圖1 |  圖2 |  圖3 |
技術領域
《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》涉及柔性結構撓性振動信息測量技術，具體涉及一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法，屬於太空飛行器姿態確定相關領域。
權利要求
1.一種超大型柔性結構全信息測量方法，用於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線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於測量區部應變信息，所述的非接觸式測量子系統用於測量振動位移信息，其特徵在於，該方法包含以下步驟：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式得到估計模態坐標；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式；S3、根據估計模態函式，對理論模態函式進行修正；S4、根據修正後的理論模態函式，再次執行步驟S1，疊代循環，逼近得到準確的模態信息。
2.如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的步驟S1包含：S1.1、接觸式測量子系統的若干個應變感測器，分別採集對應位置的區部應變信息，得到對應位置的角應變信息；S1.2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變感測器所對應的位移差信息；S1.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；S1.4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。
3.如權利要求2所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的步驟S1.2中計算位移差信息的公式為：Δdi＝lsensorγi，i＝1，2，Λ，N。其中，Δdi表示應變感測器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變感測器尺度下的應變數，lsensor表示應變感測器在應變方向上的尺度，γi表示角應變，N為接觸式測量子系統中應變感測器的數量取值。
4.如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的步驟S2包含：S2.1、採用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函式；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；S2.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；S2.4、求解該矛盾方程組，得到模態函式的估計值。
5.如權利要求2或4所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式為：d＝Φηn×1。其中，d表示對應位置點的位移值，ηn×1表示前n階模態坐標，Φ表示該位置點的模態函式，模態函式為空間位置的函式。
6.如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的步驟S3中對理論模態函式進行修正的公式為：Φ＝KoοΦ+KNοΦnew。其中，Φ表示理論模態函式，Φnew表示模態函式的估計值，ο符號表示元素對應相乘，Ko表示過去加權係數矩陣，KN為未來加權係數矩陣。
7.如權利要求1所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，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線的若干個應變感測器，所述的若干個應變感測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線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線。
8.如權利要求7所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的遠場振動信息測量單元包含一雷射掃描雷達及若干個反射鏡靶標，所述的雷射掃描雷達與所述振動信息處理單元連線，所述的若干個反射鏡靶標分布在超大型柔性結構上，用於獲得各個反射鏡靶標位置處的振動位移信息。
9.如權利要求7所述的超大型柔性結構全信息測量方法，其特徵在於，所述的中近場振動信息測量單元包含若干台可見光相機及若干個LED燈靶標，所述的若干台可見光相機分別與所述的振動信息處理單元連線，所述的若干個LED燈靶標分布在超大型柔性結構上，用於獲得各個LED燈靶標位置處的振動位移信息。
實施方式
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連線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連線的若干個應變感測器202，所述的若干個應變感測器202分布在超大型柔性結構400上，應變感測器202布局最佳化形成應變感測器群，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測量應變感測器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連線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連線。
在該實施例中，如圖2所示，所述的遠場振動信息測量單元302包含一雷射掃描雷達3021及若干個反射鏡靶標3022，所述的雷射掃描雷達3021與所述振動信息處理單元301連線，所述的若干個反射鏡靶標3022分布在超大型柔性結構400上，用於獲得該位置處的振動位移信息，所述的雷射掃描雷達3021設定在服務艙500上，雷射掃描雷達3021和反射鏡靶標3022配合實現遠場振動信息的測量。
在該實施例中，如圖2所示，所述的中近場振動信息測量單元303包含若干台可見光相機3031及若干個LED燈靶標3032，所述的若干台可見光相機3032分別與所述的振動信息處理單元301連線，所述的若干個LED燈靶標3032分布在超大型柔性結構400上，用於獲得該位置處的振動位移信息，若干台可見光相機3031設定在服務艙500上，可見光相機3031和LED燈靶標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，以分別獲得中近場振動信息的測量。
結合上述的超大型柔性結構全信息測量系統，《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》還公開了一種超大型柔性結構全信息測量方法，該方法包含以下步驟：
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式得到估計模態坐標。
S1.1、接觸式測量子系統的若干個應變感測器，分別採集對應位置的區部應變信息，得到對應位置的角應變信息；
S1.2、應變信息處理單元根據角應變信息計算得到每一個應變感測器所對應的位移差信息；
S1.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；
S1.4、求解該矛盾方程組的最小二乘解，得到模態坐標的估計值。
其中，步驟S1.2中計算位移差信息的公式為：Δdi＝lsensorγii＝1，2，…，N
其中，Δdi表示應變感測器在應變方向兩端的位移差，角應變信息是整個應變感測器尺度下的應變數，lsensor表示應變感測器在應變方向上的尺度，γi表示角應變，N為接觸式測量子系統中應變感測器的數量取值。
步驟S1.3中位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式為：d＝Φηn×1
其中，d表示對應位置點的位移值，ηn×1表示前n階模態坐標，Φ表示該位置點的模態函式，模態函式為空間位置的函式。
步驟S1.3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）
經過N個應變感測器的信息融合，以減少Φ誤差對模態坐標ηn×1的影響。
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式。
S2.1、採用多項式擬合的形式，建立超大型柔性結構的模態函式；
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；
S2.3、控制器根據位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式，得到對應的矛盾方程組；
S2.4、求解該矛盾方程組，得到模態函式的估計值。
其中，步驟S2.1中，模態函式Φ可表示為如下形式：Φ＝Φ（p，a1，a2，…，am）
其中，p表示空間位置，模態函式為空間位置的函式，a1，a2，…，am為擬合多項式的係數。
步驟S2.3中位移差信息與模態坐標及模態函式的關係式為：
d＝Φηn×1
其中，d表示對應位置點的位移值，ηn×1表示前n階模態坐標，Φ表示該位置點的模態函式，模態函式為空間位置的函式。
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，則可列如下矛盾方程組
通過求解以上矛盾方程組，可得係數a1，a2，…，am的值，從而得到模態函式Φ的估計值。
S3、根據估計模態函式，對理論模態函式進行修正。
對理論模態函式進行修正的公式為：Φ＝KoοΦ+KNοΦnew
其中，Φ表示理論模態函式，Φnew表示模態函式的估計值，ο符號表示元素對應相乘，Ko表示過去加權係數矩陣，KN為未來加權係數矩陣。
S4、根據修正後的理論模態函式，再次執行步驟S1，疊代循環，逼近得到準確的模態信息。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種超大型柔性結構全信息測量系統及其方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
