飛行器框架模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)方法*

易金聰，朱曉錦，張合生，李 麗，徐金星

（1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海，200072） （2.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 福州，350002）

引 言

當(dāng)前智能結(jié)構(gòu)研究獲得了廣泛關(guān)注和積極探索，尤其是面向航空航天器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主動(dòng)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域。將光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與高性能飛行器基體結(jié)構(gòu)融合，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)，從而保障飛行器健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)飛行器安全具有重要意義［1－5］。其關(guān)鍵方法技術(shù)包括分布信息感知技術(shù)、擬合重構(gòu)方法及其相應(yīng)算法，其中面向具體實(shí)驗(yàn)研究與方法驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與軟件環(huán)境構(gòu)建與開發(fā)占據(jù)重要地位［5］。

針對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)監(jiān)測(cè)要求，基于光纖光柵傳感器陣列，結(jié)合不同的重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)檢測(cè)的研究獲得了關(guān)注與重視［6－11］。文獻(xiàn)［6］進(jìn)行了利用光柵傳感器實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)形狀記憶合金柔桿形狀重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法研究。文獻(xiàn)［7］提出了一種將大長(zhǎng)度的光纖光柵曲率傳感器應(yīng)用于廢墟搜救機(jī)器人的空間形狀重建的系統(tǒng)。文獻(xiàn)［8］提出將光纖光柵傳感陣列植入于太空帆板模型中，結(jié)合OpenGL技術(shù)進(jìn)行太空帆板模型振動(dòng)形態(tài)的重建與可視化的研究。文獻(xiàn)［9］利用光纖曲率傳感器對(duì)兩支點(diǎn)間距為500mm簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形狀重建研究。以上研究側(cè)重于理論方法分析與仿真驗(yàn)算。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是相關(guān)技術(shù)方法驗(yàn)證的基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重構(gòu)方法特性，而且可為各種單元測(cè)試提供技術(shù)驗(yàn)證環(huán)境。

筆者以臨近空間飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)為研究背景，進(jìn)行模擬飛行器框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在給出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成架構(gòu)及機(jī)敏FBG曲率檢測(cè)陣列單元設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建、結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)方法過(guò)程、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。面向?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)進(jìn)行相關(guān)方法分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了良好的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

飛行器框架模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)感知與重構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭堋⒛M飛行器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀器、激振器及其信號(hào)源、激光位移傳感器、高性能計(jì)算機(jī)以及實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)解調(diào)和結(jié)構(gòu)形態(tài)感知重構(gòu)算法處理的軟件系統(tǒng)組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)形式以美國(guó)X－43A型臨近空間飛行器框架龍骨結(jié)構(gòu)為參照［4］，具體設(shè)計(jì)式樣如圖2所示。其主要由機(jī)體框架結(jié)構(gòu)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在機(jī)體框架結(jié)構(gòu)的4根龍骨梁上布設(shè)有模塊化的線狀機(jī)敏FBG曲率檢測(cè)陣列單元，在兩側(cè)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)上各布設(shè)有一個(gè)FBG傳感陣列。本研究?jī)H局限于探討框架結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的主動(dòng)感知與重構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成架構(gòu)示意圖

圖2 模擬飛行器框架模型結(jié)構(gòu)示意圖

技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程如下：當(dāng)激振器激勵(lì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)入低頻振動(dòng)狀態(tài)，嵌入至實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妄埞墙Y(jié)構(gòu)的模塊化FBG光纖光柵傳感陣列單元感知結(jié)構(gòu)形變狀況，并將結(jié)構(gòu)分布式實(shí)時(shí)形變感知信息輸入光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行解調(diào)；由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為分布式曲率信息，借助于基于曲率信息的結(jié)構(gòu)空間形態(tài)三維重構(gòu)算法和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)振動(dòng)形態(tài)。

2 FBG曲率檢測(cè)陣列單元

由于FBG光柵測(cè)點(diǎn)非常脆弱且封裝工藝具有差異性，因此在制作FBG曲率檢測(cè)陣列單元時(shí)，采用直徑為1mm的超彈性形狀記憶合金絲（shape memory alloy，簡(jiǎn)稱SMA）作為基材。借助SMA特有的超彈性形變恢復(fù)特性來(lái)克服基材的形變影響，且利于FBG曲率檢測(cè)陣列單元的制作、標(biāo)定和使用。實(shí)際植入到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣荦埞墙Y(jié)構(gòu)中的模塊化FBG機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元由4根光纖光柵傳感陣列彼此相隔90°，正交分布粘貼在一根SMA基材表面。每一根光纖光柵傳感陣列上的光柵測(cè)點(diǎn)沿SMA基材長(zhǎng)度方向布置，如圖3所示。圖中：內(nèi)圓代表橫截面為圓形的超彈性記憶合金絲；A，B與A′，B′表示4根光纖上成對(duì)的光柵點(diǎn)，這些成對(duì)的光柵點(diǎn)在基材軸向上相互錯(cuò)開以檢測(cè)不同的測(cè)點(diǎn)。

圖3 模塊化FBG檢測(cè)陣列單元示意圖

不考慮溫度影響時(shí)，F(xiàn)BG曲率檢測(cè)陣列單元上光柵傳感測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)變化與光柵測(cè)點(diǎn)處曲率［12］k滿足

其中：λB為FBG光柵的中心反射波長(zhǎng)；ΔλB為FBG光柵中心波長(zhǎng)的變化量；Pe為光纖有效彈光系數(shù)，y為光柵安裝位置距中性層的距離。

當(dāng)對(duì)FBG曲率檢測(cè)單元進(jìn)行封裝后，λB，Pe和y均為常數(shù)，通過(guò)測(cè)量計(jì)算波長(zhǎng)變化的大小ΔλB，就可以獲得相應(yīng)曲率k值的大小。顯然，利用植入在結(jié)構(gòu)上的檢測(cè)陣列單元可分布式地檢測(cè)到結(jié)構(gòu)不同位置的應(yīng)變，通過(guò)轉(zhuǎn)化獲得每一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置上兩個(gè)正交方向上的分布曲率信息，這為結(jié)構(gòu)形態(tài)變化實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)及其可視化顯示提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 基于曲率信息結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)算法

模塊化FBG機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元，其曲率測(cè)量平面是依附在SMA細(xì)長(zhǎng)基材的圓截面正交方向上，且曲率測(cè)量平面的方向相對(duì)于固定坐標(biāo)系的位置是隨著基材彎曲而不斷變化的。根據(jù)微分幾何思想，在彎曲變化的曲線上建立隨曲線變化的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系xiyizi，如圖4所示。設(shè)O0點(diǎn)為空間曲線O0O1O2的起點(diǎn)，將其作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并以O(shè)0的切線方向?yàn)閏軸，該點(diǎn)的兩個(gè)相互正交的曲率為a，b軸，建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，記作M0。固定坐標(biāo)系記為F，它的a，b，c軸分別與M0的x，y，z軸重合。顯然，相互正交的兩個(gè)曲率的合成曲率與c軸構(gòu)成密切平面π0，圖4中的α0表示相互正交的曲率分量的合成曲率與a方向的曲率分量的夾角。假設(shè)O0O1為微弧段，且忽略扭曲狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的圓弧角為θ0，則該微弧段可看作是密切平面π0上的曲線。在O1點(diǎn)以同樣的方法建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系x1，y1，z1，其他各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系依此方法類推建立。

圖4 空間曲線重構(gòu)示意圖

利用坐標(biāo)變換式將各個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)統(tǒng)一到固定坐標(biāo)系中，將各個(gè)離散點(diǎn)連接起來(lái)即可實(shí)現(xiàn)空間曲線的三維形狀重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)FBG機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元的形狀重構(gòu)。

將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Mi的第i點(diǎn)坐標(biāo)變換到固定坐標(biāo)系F的變換關(guān)系式為

其中：Ti為齊次變換矩陣。

設(shè)Oi＋1點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 Mi＋1的原點(diǎn)，Mi＋1坐標(biāo)系c軸的正方向指向曲線在Oi＋1點(diǎn)處的切線方向，記 Mi轉(zhuǎn)換到Mi＋1的齊次變換矩陣為ti＋1，則有

將坐標(biāo)系Mi＋1轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系F的齊次變換矩陣記做Ti＋1，則

由式（2）～（4）可得

以機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元的首個(gè)光柵檢測(cè)點(diǎn)作為原點(diǎn)O0，設(shè)初始點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系重合，則T0為4×4的單位矩陣。為了獲得Oi＋1點(diǎn)在固定坐標(biāo)系F中的位置坐標(biāo)，可通過(guò)其在Oi點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)以及齊次轉(zhuǎn)化矩陣Ti＋1求得。形態(tài)重構(gòu)算法具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)重構(gòu)問(wèn)題可以看作是植入在框架模型4根龍骨梁表面的FBG曲率檢測(cè)陣列單元的形狀重構(gòu)問(wèn)題。首先，在分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)響應(yīng)與模態(tài)特征的基礎(chǔ)上，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的固定坐標(biāo)系；然后，分別對(duì)4根骨架梁進(jìn)行建模，建立對(duì)應(yīng)的各自獨(dú)立坐標(biāo)系，利用空間曲線重構(gòu)算法獲得各個(gè)骨架梁在各自坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（相對(duì)坐標(biāo)值）；最后，利用平移、旋轉(zhuǎn)等坐標(biāo)變換操作，將模型結(jié)構(gòu)各個(gè)骨架梁在各自坐標(biāo)系統(tǒng)中的相對(duì)坐標(biāo)融合統(tǒng)一在絕對(duì)坐標(biāo)系中，形成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)龍骨梁坐標(biāo)點(diǎn)集合，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)的擬合與重構(gòu)。實(shí)現(xiàn)方法的處理過(guò)程如下。

1）建立整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的固定坐標(biāo)系。以模型頭部的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以垂直于機(jī)體框架上表面的方向?yàn)閦軸，以垂直于龍骨梁的方向?yàn)閥軸，x軸方向垂直于機(jī)體框架尾部。對(duì)4根骨架梁和兩個(gè)機(jī)翼建立各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，并在各自坐標(biāo)系中獲得為實(shí)現(xiàn)形態(tài)重構(gòu)所需的相對(duì)坐標(biāo)值。

2）將在各個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系中獲得的骨架梁的各個(gè)相對(duì)坐標(biāo)平移，同時(shí)對(duì)各個(gè)骨架梁進(jìn)行y，z方向均衡處理，即建立各個(gè)骨架梁所在的坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的變換關(guān)系。依據(jù)變換關(guān)系將各個(gè)龍骨梁獨(dú)立坐標(biāo)系中重構(gòu)的各個(gè)特征點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)統(tǒng)一到固定坐標(biāo)系中，即確定各個(gè)特征點(diǎn)在整個(gè)模型結(jié)構(gòu)固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。均衡處理的原因在于各個(gè)龍骨梁的測(cè)點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)獲得是基于遞推的空間曲線重構(gòu)算法，在曲線末端具有最大的誤差［12］。由于封裝工藝等的影響會(huì)導(dǎo)致重構(gòu)的4根梁結(jié)構(gòu)在橫向方向長(zhǎng)度不一致，無(wú)法構(gòu)建準(zhǔn)確完整的框架形狀，因此需要對(duì)末端坐標(biāo)進(jìn)行均衡處理。

3）按照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸大小比例，將模型尾部平移到其尾端位置，進(jìn)行尾部組合。

4）在固定坐標(biāo)系下進(jìn)行各個(gè)單元的坐標(biāo)融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)框架模型結(jié)構(gòu)的形態(tài)重構(gòu)。

在實(shí)際測(cè)量中，由于利用光纖光柵傳感陣列單元只能獲取有限且離散的曲率數(shù)據(jù)，因此需要通過(guò)插值方法獲得足夠多的曲率數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)離散曲率信息的連續(xù)化，提高結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)的精度［12］。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與軟件開發(fā)

相關(guān)技術(shù)方法的實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與軟件環(huán)境開發(fā)實(shí)現(xiàn)，具體內(nèi)容主要涉及模塊化FBG曲率檢測(cè)陣列單元的制作與封裝，針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的檢測(cè)陣列單元植入以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)建與可視化重構(gòu)軟件系統(tǒng)開發(fā)等環(huán)節(jié)。

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

4.1.1 FBG曲率檢測(cè)陣列單元

采用將FBG光纖光柵傳感陣列直接封裝在直徑為1mm的圓形超彈性形狀記憶合金絲SMA表面，利用SMA材料特有的超彈性特性來(lái)克服基材材料的相變影響。同時(shí)，為了擴(kuò)大光纖光柵傳感測(cè)點(diǎn)檢測(cè)拉應(yīng)力的范圍，提高其抗拉性能，在封裝前對(duì)SMA基材進(jìn)行了預(yù)壓處理。模塊化光纖光柵檢測(cè)單元由4根光纖光柵陣列共兩組構(gòu)成，每組的2根光纖上光柵點(diǎn)對(duì)呈90°正交分布在SMA基材上，同時(shí)兩組中分別實(shí)現(xiàn)垂直或水平方向感知的2根光纖光柵測(cè)點(diǎn)，在基材軸向上相互錯(cuò)開以檢測(cè)不同的點(diǎn)。這種交錯(cuò)的布局方式使得光纖光柵傳感陣列的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)增加，在提高模型結(jié)構(gòu)形態(tài)擬合重構(gòu)精度的同時(shí)，還可以提高光纖光柵傳感陣列的容錯(cuò)性能。

所設(shè)計(jì)模塊化FBG曲率檢測(cè)陣列單元的封裝方案如圖5所示。在每一個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)兩側(cè)使用金屬套管進(jìn)行固定，封裝后的檢測(cè)單元包含4根正交分布的FBG傳感陣列（每根8個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)）。利用塑料外套管對(duì)FBG檢測(cè)陣列單元進(jìn)行保護(hù)性整體封裝。由于基于光纖光柵傳感陣列的波分復(fù)用和空分復(fù)用特性，整個(gè)FBG傳感陣列對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)所有測(cè)點(diǎn)的形變檢測(cè)是以并行方式同時(shí)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)位置形變的實(shí)時(shí)感知。

圖5 FBG曲率檢測(cè)陣列單元封裝示意圖

4.1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、一臺(tái)多通道光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀（型號(hào)為FONA－2008C；主要技術(shù)參數(shù)為：8個(gè)測(cè)量通道，波長(zhǎng)范圍為1 530nm～1 570nm，分辨率為1pm，重復(fù)性為1.3pm）以及飛行器框架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)組成。此外，還包括用于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)激勵(lì)的激振系統(tǒng)（激振器、功率放大器和信號(hào)發(fā)生器）、激光位移傳感器（型號(hào)為L(zhǎng)K－G400）以及吊裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的鋁合金外框固定架。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)尺寸如下：頭部寬為320mm、尾部寬為480mm、長(zhǎng)為1 600mm、高為230mm。選用鋁合金板材構(gòu)成，其主要性能參數(shù)：彈性模量為7GPa，密度為2 700kg／m3，泊松比為0.3。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)由橡皮繩將通過(guò)水平懸吊形式安裝在外框固定架上，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

在將模塊化光纖光柵檢測(cè)陣列單元植入到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)之前，需對(duì)每個(gè)檢測(cè)陣列單元進(jìn)行光柵測(cè)點(diǎn)在相互垂直兩個(gè)平面上的曲率數(shù)據(jù)標(biāo)定，獲得在不同的標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑下各光柵測(cè)點(diǎn)的中心波長(zhǎng)變化值。對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得各光柵測(cè)點(diǎn)波長(zhǎng)變化與曲率的關(guān)系系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，在組成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)的4根龍骨梁中，沿軸向?qū)ΨQ植入4根制作完成的模塊化光纖光柵應(yīng)變檢測(cè)陣列單元，并采用粘貼方式實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合。圖7所示為FBG曲率檢測(cè)陣列單元植入框架梁結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與組成示意圖

圖7 FBG曲率檢測(cè)陣列單元植入結(jié)構(gòu)橫截面

4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)采用Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境并結(jié)合OpenGL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。為保證程序結(jié)構(gòu)模塊化程度、數(shù)據(jù)高效傳輸和處理，滿足分布式結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重構(gòu)及其臨場(chǎng)可視化的實(shí)時(shí)性要求，軟件系統(tǒng)開發(fā)上采用了多線程、任務(wù)同步、數(shù)據(jù)緩存管理、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、程序回調(diào)和OpenGL特效等關(guān)鍵技術(shù)。另外，考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的FONA－2008C型光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)采樣速率遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，為滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)顯示的實(shí)時(shí)性要求，采用在光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀編寫數(shù)據(jù)服務(wù)器程序。同時(shí)，將分析儀連接到運(yùn)算速度較快的外置計(jì)算機(jī)上，使用遠(yuǎn)程顯示計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合重構(gòu)計(jì)算。實(shí)際軟件系統(tǒng)運(yùn)行界面截圖如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)運(yùn)行界面截圖

5 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

5.1 FBG曲率檢測(cè)陣列單元驗(yàn)證

為驗(yàn)證所制作的FBG機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元形態(tài)感知與重構(gòu)的有效性，基于所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與軟件系統(tǒng)，進(jìn)行FBG檢測(cè)陣列單元的形態(tài)重構(gòu)與可視化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖9為該檢測(cè)陣列單元形態(tài)變化實(shí)時(shí)可視化重構(gòu)的效果截圖。實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果表明，所研究的形態(tài)擬合與重構(gòu)算法能夠比較精確地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的空間形變狀態(tài)，且空間坐標(biāo)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.1［12］。

圖9 FBG機(jī)敏曲率檢測(cè)陣列單元形態(tài)重構(gòu)效果

5.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)重構(gòu)驗(yàn)證

針對(duì)模擬飛行器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芙Y(jié)構(gòu)，基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與軟件環(huán)境進(jìn)行結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)形態(tài)實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以便于驗(yàn)證重構(gòu)算法的動(dòng)態(tài)特性和現(xiàn)場(chǎng)可視化效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程在結(jié)構(gòu)激勵(lì)頻率為5～50Hz范圍內(nèi)進(jìn)行，著重觀察各振動(dòng)模態(tài)下結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)重構(gòu)狀況。圖10所示為在20Hz激勵(lì)頻率下，某一時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)效果截圖。可以看出，重構(gòu)出的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)效果良好，具有很好的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性。

為驗(yàn)證框架結(jié)構(gòu)形態(tài)變化實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)精度，引入相對(duì)均方根誤差（relative RMSE，簡(jiǎn)稱其中：w為框架結(jié)構(gòu)上某實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的垂直方向偏移測(cè)量值；為依據(jù)結(jié)構(gòu)形變感知信息與重構(gòu)算法所獲得某點(diǎn)垂直方向偏移計(jì)算值；n為針對(duì)框架結(jié)構(gòu)某點(diǎn)的測(cè)量與計(jì)算次數(shù)。

圖10 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)某時(shí)刻振動(dòng)形態(tài)重構(gòu)效果截圖

相對(duì)均方根差值ERRMSE可依據(jù)n組某點(diǎn)垂直方向偏移測(cè)量值與重構(gòu)值計(jì)算獲得。通過(guò)選定框架結(jié)構(gòu)若干檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量與計(jì)算其ERRMSE值，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)效果的定量評(píng)價(jià)。

具體實(shí)施過(guò)程采用激光位移傳感器進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)某測(cè)量點(diǎn)實(shí)際偏移量測(cè)量。取100個(gè)周期時(shí)間內(nèi)每個(gè)周期內(nèi)的一個(gè)測(cè)量偏移最大值，結(jié)合該點(diǎn)的形態(tài)重構(gòu)對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值求取相對(duì)均方根誤差值，可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)激振頻率下的結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)精度分析，同時(shí)通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量實(shí)現(xiàn)重構(gòu)效果定量評(píng)估。由于受測(cè)量?jī)x器單通道測(cè)量性能的限制，本研究?jī)H針對(duì)若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)在5～50Hz的激振頻率范圍內(nèi)（5，10，20Hz）進(jìn)行了ERRMSE值計(jì)算，ERRMSE值均不大于5%，表明重構(gòu)出的振動(dòng)形態(tài)的變化幅度與結(jié)構(gòu)實(shí)際的振動(dòng)變化幅度相差較小。當(dāng)處于30Hz以上激振頻率時(shí)，ERRMSE值迅速增大到10%以上，表明結(jié)構(gòu)變化形態(tài)實(shí)時(shí)重構(gòu)效果逐步變差和重構(gòu)誤差迅速變大。原因在于隨著實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化迅速和劇烈，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)曲率變化的非線性，結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)效果失真度加大，實(shí)時(shí)性降低。同時(shí)，光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀采集頻率和重構(gòu)算法受計(jì)算機(jī)計(jì)算資源的限制，導(dǎo)致重構(gòu)算法的效率降低，進(jìn)而影響實(shí)時(shí)性和重構(gòu)效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)FBG機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)主動(dòng)感知與實(shí)時(shí)重構(gòu)開展技術(shù)方法驗(yàn)證研究。基于非視覺(jué)傳感方法，將研制的光纖光柵傳感陣列單元正交分布式植入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v向框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)獲取結(jié)構(gòu)變形的分布傳感曲率信息并經(jīng)三維空間擬合重構(gòu)方法，得以在計(jì)算機(jī)上重構(gòu)模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)及實(shí)現(xiàn)可視化顯示。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方法可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)信息，克服了傳統(tǒng)基于視覺(jué)形態(tài)感知數(shù)據(jù)量龐大與實(shí)時(shí)性不足的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)以模擬臨近空間飛行器框架結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與所開發(fā)的軟件環(huán)境進(jìn)行技術(shù)方法驗(yàn)證。結(jié)果表明，針對(duì)結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)狀況可以較精確地實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)振動(dòng)變化形態(tài)。相關(guān)技術(shù)方法的分析與驗(yàn)證為高性能飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)研究提供了技術(shù)探索思路。

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