專利名稱：太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間柔板曲面形態(tài)感知及其可視化的方法和裝置，尤其針對(duì)一種太空柔性帆板模型結(jié)構(gòu)的形態(tài)感知與可視化方法和裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界主要國(guó)家都在競(jìng)先發(fā)展航空航天事業(yè)，并積極地探索更深層的太空空間，進(jìn)而導(dǎo)致航天器日趨大型化和復(fù)雜化。由于航天器的主要能源來(lái)自于固定在太陽(yáng)能帆板表面的硅光電池，通過(guò)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的能量提供，因此不斷強(qiáng)化的能源需求導(dǎo)致太陽(yáng)能帆板的日趨大型和伸展，目前翼展長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的太陽(yáng)能帆板已不鮮見(jiàn)，由此對(duì)帆板結(jié)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定和拓?fù)浔Ｐ我笠哺厙?yán)格。由于太陽(yáng)能帆板、大型衛(wèi)星天線等空間柔性結(jié)構(gòu)，需要在長(zhǎng)期運(yùn)行期間保持很高的運(yùn)行精度，通常對(duì)振動(dòng)環(huán)境有著極為嚴(yán)格的要求，而這類結(jié)構(gòu)一般具有低剛度小阻尼，固有頻率較低和模態(tài)密集的特征，同時(shí)太空環(huán)境又無(wú)外阻，因此極易受到擾動(dòng)影響而發(fā)生振動(dòng)，且使得絕大數(shù)常規(guī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制方法難以達(dá)到技術(shù)要求。如航天器在太空運(yùn)行時(shí)，一旦受到機(jī)動(dòng)、折疊結(jié)構(gòu)展開(kāi)等因素激勵(lì)，或受到宇宙風(fēng)、微粒子流等外擾作用產(chǎn)生振動(dòng)，如果不采取有效的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與抑振措施，其大幅度的振動(dòng)就不會(huì)在較短時(shí)間里停止，不僅影響結(jié)構(gòu)本身的工作性能，而且通過(guò)與主體的耦合作用，進(jìn)而可產(chǎn)生影響航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和定向精度問(wèn)題；長(zhǎng)期和強(qiáng)烈的振動(dòng)還將造成結(jié)構(gòu)疲勞破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至失效，直接威脅航天結(jié)構(gòu)的安全。因此如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大型柔性航天結(jié)構(gòu)如太陽(yáng)能帆板結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化，對(duì)了解其健康運(yùn)行狀態(tài)和振動(dòng)控制起著至關(guān)重要的作用。
現(xiàn)有技術(shù)中，太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知可以采用的方法有在視覺(jué)可見(jiàn)的環(huán)境下采用CCD攝像機(jī)對(duì)帆板拍照，利用特殊的圖像處理技術(shù)，對(duì)其形變狀況進(jìn)行分析；利用激光技術(shù)，對(duì)發(fā)射激光及接受激光進(jìn)行特殊技術(shù)處理，從而獲得帆板的形變數(shù)據(jù)；同時(shí)也可以采用超聲波、三位磁場(chǎng)定位等檢測(cè)方法。這些測(cè)量方法或者采集數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，很難精確獲得帆板的形態(tài)信息，從而導(dǎo)致形態(tài)感知不精確，或者由于檢測(cè)數(shù)據(jù)方式和所需設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致不能很好的適應(yīng)空天環(huán)境，很難應(yīng)用于實(shí)際工程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種太空帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知以及可視化的方法和裝置，對(duì)太空帆板的空間變形進(jìn)行精確檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)其可視化顯示。這種方法利用離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)板面離散的若干點(diǎn)應(yīng)變信息，然后利用一定的空間曲面擬合算法計(jì)算出帆板各點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后根據(jù)這些坐標(biāo)值并利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)帆板的變形狀況進(jìn)行重建，實(shí)現(xiàn)帆板形態(tài)的三維可視化實(shí)時(shí)顯示。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化新方法，其特征是利用離散布拉格光柵傳感陣列檢測(cè)帆板表面的應(yīng)變信息，從而實(shí)現(xiàn)帆板的形態(tài)信息感知，然后利用一定的曲面擬合算法和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的可視化重建，具體步驟為(1)形態(tài)感知信息提取與處理；(2)曲面重建與可視化顯示。
上述的形態(tài)感知信息提取與處理的具體步驟如下1)離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在分析帆板形變特性的基礎(chǔ)上，在帆板表面優(yōu)化植入一系列布拉格光柵傳感器?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的要求，選擇布拉格光柵傳感器的數(shù)量，并采用相應(yīng)的植入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)離散傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。優(yōu)化的布拉格光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)可以精確測(cè)量結(jié)構(gòu)分布值入點(diǎn)處的應(yīng)變信息。
2)光纖光柵信號(hào)的提取根據(jù)光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的分布特點(diǎn)和數(shù)量，選擇光柵傳感信號(hào)提取模塊和儀器，如選擇光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀，以提取結(jié)構(gòu)上值入光柵傳感點(diǎn)處的檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的基本數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)數(shù)據(jù))獲取。
3)光纖光柵檢測(cè)信號(hào)的處理根據(jù)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)一定處理手段，實(shí)現(xiàn)從波長(zhǎng)信息到曲率信息的轉(zhuǎn)化，具體過(guò)程如下a首先計(jì)算波長(zhǎng)差值Δλ＝λ-λc式中λ為光纖光柵解調(diào)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，λc為光柵傳感器在太空帆板變形之前的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，稱之為中心波長(zhǎng)。
b計(jì)算曲率信息由步驟a計(jì)算出的波長(zhǎng)差值和布拉格光柵傳感器的技術(shù)參數(shù)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)當(dāng)前的曲率值，計(jì)算公式如下ρ=Δλnhα]]>式中ρ為曲率，Δλ為波長(zhǎng)差，n為有效折射率，光柵的周期為α，h為板的厚度。
上述的曲面重建與可視化顯示的具體步驟如下1)曲率數(shù)據(jù)的插值由于曲率信息是由分布光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)離散測(cè)量轉(zhuǎn)化得出，測(cè)量點(diǎn)的有限性和離散性使得能夠獲得的曲率信息總是有限的，如果直接采用有限檢測(cè)點(diǎn)的曲率信息進(jìn)行曲面擬合，所擬合出來(lái)的曲面勢(shì)必非常粗糙而不能正確反映板面結(jié)構(gòu)的形變狀態(tài)，因此應(yīng)該基于離散測(cè)點(diǎn)曲率值實(shí)現(xiàn)對(duì)未測(cè)量點(diǎn)的合理插值，以獲知盡可能多的有效曲率點(diǎn)信息。不同的插值算法，對(duì)擬合曲面的準(zhǔn)確性和光滑性有著重要的影響，因此應(yīng)該針對(duì)不同的應(yīng)用和具體的要求采用相應(yīng)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、三次樣條插值等。
2)平面曲線擬合算法平面曲線擬合算法是空間曲面擬合的核心所在，其過(guò)程是根據(jù)獲得的曲率信息，對(duì)曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)遞推計(jì)算過(guò)程進(jìn)行精確計(jì)算。本發(fā)明采用斜率遞推算法。由于曲率是曲線的二次微分，因此可由曲率遞推出各點(diǎn)的斜率值，再由各點(diǎn)的斜率遞推出各點(diǎn)的坐標(biāo)值。
設(shè)第n、n+1個(gè)點(diǎn)的曲率分別為ρn，ρn+1；斜率分別為kn，kn+1；坐標(biāo)為(xn，yn)，(xn+1，yn+1)；兩點(diǎn)斜率對(duì)x軸的夾角分別為θn，θn+1；Δθn為兩點(diǎn)切向角的變化值；Δsn為兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)；如圖2所示，存在以下關(guān)系θn=arctg(kn)θn+1=arctg(kn+1)Δθn=θn+1-θnρn=·ΔθnΔsn]]>
由上式得ρn=arctg(kn+1)-arctg(kn)Δsn]]>所以kn+1＝tg[ρn·Δsn+arctg(kn)]即只要給定邊界條件，就可以遞推出各點(diǎn)的斜率，并在此基礎(chǔ)上遞推出各點(diǎn)坐標(biāo)Δx=Δsn1+kn2]]>Δy=kn·Δx=knΔsn1+kn2]]>由此可得xn+1=xn+Δx=xn+Δsn1+kn2yn+1=yn+Δy=yn+kn·Δsn1+kn2]]>根據(jù)上式可以遞推平面曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。
3)基于平面曲線的空間曲面分解與合成根據(jù)帆板的結(jié)構(gòu)特性，可以將帆板看成由一系列曲線組成，而這些曲線的變化又可以近似認(rèn)為是在一個(gè)平面內(nèi)的變化，因此可以利用上述的平面曲線擬合算法，把每條曲線的坐標(biāo)信息擬合出來(lái)，從而板面所有點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息都可以獲得。通過(guò)對(duì)板面大量點(diǎn)集的空間位置坐標(biāo)進(jìn)行圖形處理，最終達(dá)到空間曲面重建與可視化的目的。這種基于平面曲線擬合方式，并進(jìn)而組合處理為空間曲面的策略對(duì)帆板結(jié)構(gòu)的低頻彎曲振動(dòng)形態(tài)重建，理論上不存在誤差；而對(duì)于帆板結(jié)構(gòu)的扭曲振動(dòng)形態(tài)，由于進(jìn)行了一定的近似和逼近，理論上存在一定的誤差?？紤]到帆板結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式和懸臂固定方式，它的扭曲振動(dòng)幅度不會(huì)很大，特別是從視覺(jué)的角度考慮，這種誤差完全可以忽略。
4)曲面的可視化重建本發(fā)明在擬合出曲面上各點(diǎn)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上準(zhǔn)確、高效、逼真地實(shí)現(xiàn)了模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形變狀態(tài)的三維實(shí)時(shí)可視化重建和顯示。
一種模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建的裝置，作為應(yīng)用上述的太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建方法的設(shè)備，包括一臺(tái)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)顯示器，其特征在于有一個(gè)被檢測(cè)的模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)(表面上植入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò))，所述的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出連接到光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀，實(shí)現(xiàn)針對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的基本感知信息的提取；所述的光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀的輸出信號(hào)連接到所述的計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法運(yùn)算和圖形處理，然后在所述的顯示器上顯示出來(lái)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見(jiàn)的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)量較少，通過(guò)檢測(cè)帆板結(jié)構(gòu)表面若干點(diǎn)的應(yīng)變信息，就可以準(zhǔn)確地反應(yīng)整個(gè)板面的形態(tài)變化信息，并且無(wú)需提供視覺(jué)可見(jiàn)的環(huán)境，如此大大提高了實(shí)際適用性和應(yīng)用可行性，非常適合航天器運(yùn)行的視覺(jué)不可見(jiàn)空天環(huán)境；感知網(wǎng)絡(luò)易于與基體集成和具有很強(qiáng)的抗干擾能力，本發(fā)明采用體積非常小的布拉格光纖光柵傳感器，這種材料非常適合植入結(jié)構(gòu)基體內(nèi)部或表層形成智能結(jié)構(gòu)，可以抗強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，抗腐蝕，并具有很強(qiáng)的復(fù)用性；空間曲面擬合算法易于實(shí)現(xiàn)，由于本發(fā)明舍棄了復(fù)雜冗余的直接計(jì)算空間坐標(biāo)的傳統(tǒng)方法，而是通過(guò)曲率方式進(jìn)行了一定轉(zhuǎn)化，減少了算法所需數(shù)據(jù)量，不但簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，而且算法本身也可以簡(jiǎn)便地在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)；由于本發(fā)明直接從模擬太空帆板結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)檢測(cè)帆板表面應(yīng)變，獲得結(jié)構(gòu)形變曲率信息，因此可以較傳統(tǒng)方法更為精確的獲得帆板結(jié)構(gòu)的形態(tài)信息，并完全克服了基于傳統(tǒng)坐標(biāo)信息的擬合方法對(duì)于航天器結(jié)構(gòu)的不適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施實(shí)例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為針對(duì)太空帆板前三階振動(dòng)變形的優(yōu)化傳感網(wǎng)絡(luò)。
圖3為分布傳感網(wǎng)絡(luò)某傳感點(diǎn)傳感器表面粘貼實(shí)物照片圖。
圖4為平面曲線擬合算法原理示意圖。
圖5為系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理流程圖。
圖6為針對(duì)結(jié)構(gòu)某彎曲變形的可視化重建結(jié)果照片圖。
圖7為針對(duì)結(jié)構(gòu)某扭轉(zhuǎn)變形的可視化重建結(jié)果照片圖。
圖8為實(shí)施實(shí)例裝置實(shí)物照片圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施實(shí)例是對(duì)一端簡(jiǎn)支固定懸臂梁方式的模擬太空柔性帆板模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)感知和可視化重建。
本太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建裝置采用圖1所示結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)①、離散分布的布拉格光纖光柵傳感器②、一臺(tái)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀③、一臺(tái)算法運(yùn)行及圖形處理計(jì)算機(jī)④和一臺(tái)顯示器⑤，裝置的實(shí)物組成結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。
本實(shí)例采用環(huán)氧樹(shù)脂板作為模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)①的物理模型。這種復(fù)合聚合物結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、較輕的質(zhì)量和較好的柔性特征，靜態(tài)時(shí)能夠保持良好的面形特征，在施加載荷或承受激勵(lì)時(shí)能產(chǎn)生較好的曲面形狀和柔性特性。其技術(shù)參數(shù)為尺寸1500×400×1.5mm(分別為長(zhǎng)、寬、厚)材料環(huán)氧樹(shù)脂密度7500kg/m3泊松比0.33彈性模量60-65GPa環(huán)氧樹(shù)脂柔性結(jié)構(gòu)板采用一段簡(jiǎn)支固定的方式，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)(具體實(shí)物如圖8中所示)，結(jié)構(gòu)表面離散分布布置一個(gè)布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，此傳感網(wǎng)絡(luò)由24個(gè)布拉格光柵傳感器組成，采用4×6的方式分布，考慮到試驗(yàn)板前三階共振狀態(tài)的應(yīng)變分布，其分布示意圖如圖2所示。每個(gè)布拉格光柵傳感器都采用表面粘貼的方式固定(見(jiàn)圖3所示)，以準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)柔板表面的應(yīng)變變化。
離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)所測(cè)量信息由光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀提取，從而獲得某時(shí)刻模擬帆板結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變變化。本實(shí)例通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，在Windows下基于Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值(采用線性插值方法)和對(duì)曲線進(jìn)行擬合，最后利用OpenGL三維圖形處理與渲染技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)變形狀況進(jìn)行三維空間重建和可視化顯示。數(shù)據(jù)的處理流程如下(1)程序初始化初始化系統(tǒng)資源、全局變量、相關(guān)類中變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)境的初始設(shè)置；(2)初始化OpenGL運(yùn)行環(huán)境完成OpenGL與MFC的接口工作，使FMC程序能識(shí)別并正確調(diào)用OpenGL的API，包括創(chuàng)建設(shè)備描述表、設(shè)置像素格式和繪制模式等；(3)數(shù)據(jù)采集調(diào)用光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀提供的API函數(shù)，以獲得分布測(cè)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息，以波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的形式獲得；(4)計(jì)算曲率根據(jù)FBG傳感器的特性計(jì)算出對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的曲率值，同時(shí)基于插值算法進(jìn)行合理有效的曲率插值；(5)擬合與計(jì)算位置坐標(biāo)利用基于曲率信息的曲面擬合斜率遞推算法，由分布曲率信息擬合計(jì)算出各點(diǎn)位置坐標(biāo)；(6)顯示圖形在分布位置信息和坐標(biāo)值獲得的基礎(chǔ)上，利用OpenGL所提供的API函數(shù)將各點(diǎn)擬合成面，進(jìn)而基于三維重建方式動(dòng)態(tài)顯示曲面形態(tài)，并提供光照、紋理等逼真特效處理，實(shí)現(xiàn)模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化三維實(shí)時(shí)重建與可視化顯示。
程序流程圖如圖5所示。
利用上述方法和步驟對(duì)實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化進(jìn)行了感知重建，圖6為實(shí)驗(yàn)板彎曲變形的形態(tài)感知可視化三維重建結(jié)果，圖7為實(shí)驗(yàn)板扭轉(zhuǎn)變形的形態(tài)感知可視化三維重建結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建方法，其特征在于利用離散光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)被測(cè)的太空柔性帆板結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變信息，并通過(guò)相應(yīng)的曲率轉(zhuǎn)化、曲率插值和擬合算法，獲得太空柔性帆板結(jié)構(gòu)表面各檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，最后利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬太空帆板結(jié)構(gòu)形變狀態(tài)的可視化重建顯示；其具體步驟為(1)形態(tài)感知信息的提取與處理；(2)曲面重建與可視化顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建方法，其特征在于所述的形態(tài)感知和信息的提取與處理的步驟如下1)構(gòu)建離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在分析太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形變特性的基礎(chǔ)上，在帆板結(jié)構(gòu)表面優(yōu)化植入一系列布拉格光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)離散光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；2)提取光纖光柵信號(hào)根據(jù)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的分布特點(diǎn)和數(shù)量，選擇光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀，以提取光柵傳感器所檢測(cè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變基本感知數(shù)據(jù)的獲取；3)根據(jù)檢測(cè)到的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)如下的處理手段，實(shí)現(xiàn)從波長(zhǎng)信息到曲率信息的轉(zhuǎn)化(a)首先計(jì)算波長(zhǎng)差值Δλ＝λ-λc式中λ為光纖光柵解調(diào)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，λc為光柵傳感器在太空帆板變形之前的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，稱之為中心波長(zhǎng)；(b)計(jì)算曲率信息由步驟a計(jì)算出的波長(zhǎng)差值和布拉格光柵傳感器的技術(shù)參數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)當(dāng)前的曲率值，計(jì)算公式如下ρ=Δλnhα]]>式中ρ為曲率，Δλ為波長(zhǎng)差，n為有效折射率，光柵的周期為α，h為板的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化方法，其特征在于所述的曲面重建與可視化顯示的具體步驟如下1)曲率數(shù)據(jù)的插值所采用的插值算法為線性插值、或二次樣條插值、或三次樣條插值；2)平面曲線擬合算法根據(jù)所獲得的曲率信息，對(duì)曲線上各點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)遞推計(jì)算，采用斜率遞推算法，其過(guò)程如下設(shè)第n、n+1個(gè)點(diǎn)的曲率分別為ρn，ρn+1；斜率分別為kn，kn+1；坐標(biāo)為(xn，yn)，(xn+1，yn+1)；兩點(diǎn)斜率對(duì)x軸的夾角分別為θn，θn+1；Δθn為兩點(diǎn)切向角的變化值；Δsn為兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)；存在以下關(guān)系θn=arctg(kn)θn+1=arctg(kn+1)Δθn=θn+1-θnρn=·ΔθnΔsn]]>由上式得ρn=arctg(kn+1)-arctg(kn)Δsn]]>所以kn+1＝tg[ρn·Δsn+arctg(kn)]根據(jù)固定邊界條件遞推出各點(diǎn)的斜率，在此基礎(chǔ)上遞推出各點(diǎn)坐標(biāo)Δx=Δsn1+kn2]]>Δy=kn·Δx=knΔsn1+kn2]]>平面曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值由下式遞推得出xn+1=xn+Δx=xn+Δsn1+kn2yn+1=yn+Δy=yn+kn·Δsn1+kn2]]>3)基于平面曲線的空間曲面分解與合成利用上述的平面曲線擬合算法，把每條曲線的坐標(biāo)信息擬合出來(lái)，從而整個(gè)板面所有點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息都可以求出，通過(guò)對(duì)板面大量點(diǎn)集的空間位置坐標(biāo)進(jìn)行圖形處理，最終達(dá)到空間曲面重建與可視化的目的；4)曲面的可視化重建在擬合出曲面上各點(diǎn)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形處理，在計(jì)算機(jī)屏幕上準(zhǔn)確、高效、逼真地實(shí)現(xiàn)了模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化，以及實(shí)時(shí)三維可視化重建與顯示。
4.一種太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建裝置，作為應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1所述的太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建方法的設(shè)備，包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)(4)和一個(gè)顯示器(5)，其特征在于有一個(gè)被檢測(cè)的模擬太空柔性帆板(1)的表面上植入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)(2)，所述的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)(2)的輸出連接到一臺(tái)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀(3)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變基本感知信息的提取；所述的光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀(3)的輸出信號(hào)連接到所述的計(jì)算機(jī)(4)，進(jìn)行算法運(yùn)算并由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的圖形處理，然后在所述的顯示器(5)上三維實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太空柔性帆板結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與可視化重建的方法和裝置。這種方法采用分布植入在帆板結(jié)構(gòu)表面的離散布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息，之后在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息到曲率信息的轉(zhuǎn)化、曲率數(shù)據(jù)的插值、空間曲面擬合算法的運(yùn)用，最后利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，將模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)的形變狀態(tài)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行精確的三維實(shí)時(shí)重建和顯示。本方法所需的裝置包括一個(gè)分布植入光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的模擬太空柔性帆板結(jié)構(gòu)、一臺(tái)光纖光柵網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)顯示器。
文檔編號(hào)G06T1/00GK101050948SQ200710040518
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者朱曉錦, 張合生, 謝春寧, 樊紅朝, 陸美玉 申請(qǐng)人:上海大學(xué)