一種飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局領(lǐng)域，基于飛行器結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和動(dòng)態(tài)聚類方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]從上個(gè)世紀(jì)末開始，NASA開始一項(xiàng)關(guān)于柔性飛行器智能結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的研宄，研宄計(jì)劃旨在針對(duì)嵌入式的傳感器和作動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化布局配置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼形狀、飛行器結(jié)構(gòu)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制。從大型的空間飛行器到微型飛行器，相關(guān)的研宄成果被應(yīng)用于各種規(guī)模的飛行器中，該項(xiàng)技術(shù)可以用來提高飛行器的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。優(yōu)化的傳感器布局技術(shù)研宄是該項(xiàng)研宄計(jì)劃的一個(gè)至關(guān)重要的研宄內(nèi)容。
[0003]傳感器布局技術(shù)研宄的初期，領(lǐng)域?qū)＜覀兺萌斯?yōu)化技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行布局，憑著豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和直覺來進(jìn)行傳感器和作動(dòng)器的布局。傳感器位置布局問題可描述為:在給定的N個(gè)可能的安裝位置選擇M個(gè)位置布置傳感器，從而得到最優(yōu)的性能指標(biāo)。一般來說，對(duì)于性能指標(biāo)的優(yōu)化是很復(fù)雜的。此外，布局方案還會(huì)受到結(jié)構(gòu)的幾何形狀制約，布局方案還會(huì)受到傳感器的物理限制和控制能量的制約。當(dāng)性能指標(biāo)不能靠經(jīng)驗(yàn)直覺獲得，當(dāng)客觀約束條件至關(guān)重要時(shí)，或者當(dāng)可能安裝的位置M數(shù)超過人工檢驗(yàn)的數(shù)量時(shí)，則更需要一種科學(xué)的最優(yōu)化傳感器布局技術(shù)。目前大多傳感器優(yōu)化布局方案往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊得到的，尚未檢索到通用的飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)合飛行器氣動(dòng)彈性自身特點(diǎn)，提供一種動(dòng)態(tài)聚類飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局方法，它是一種通用傳感器布局優(yōu)化準(zhǔn)則，以傳感器測(cè)量信息最大化為總體目標(biāo)，在傳感器數(shù)量和最優(yōu)布局位置之間進(jìn)行優(yōu)化平衡，能夠確保每個(gè)傳感器的布置位置都能采集到有價(jià)值的氣動(dòng)彈性特征值，且支持領(lǐng)域?qū)＜胰斯ぶ付ú贾脗鞲衅鞯臄?shù)量，能有效降低控制系統(tǒng)成本。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體包括如下步驟:
[0006]步驟一:在采用有限元方法求解飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過流固耦合方法對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，進(jìn)行遍歷所有飛行狀態(tài)和擾動(dòng)因素的流固耦合分析；
[0007]步驟二:計(jì)算相對(duì)精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，獲取有限元模型中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的響應(yīng)；
[0008]步驟三:對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，生成彈性機(jī)翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)集；
[0009]步驟四:采用模式識(shí)別中的基于距離度量的聚類方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，優(yōu)化得到最終傳感器位置。
[0010]所述流固耦合方法為流固耦合MPCCI方法。
[0011]采用直接積分或模態(tài)疊加的方法計(jì)算所述相對(duì)精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。
[0012]所述對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，生成彈性機(jī)翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)集具體為:反復(fù)多次變換流場(chǎng)與擾動(dòng)載荷頻率，盡可能多地再現(xiàn)實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)的各種飛行狀態(tài)，包括遍歷所有舵面可能出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度，遍歷外掛設(shè)備每個(gè)可能的安裝位置，得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后進(jìn)行場(chǎng)輸出，得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)集。
[0013]所述采用模式識(shí)別中的基于距離度量的聚類方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，優(yōu)化得到最終傳感器位置具體為:(I)通過反復(fù)調(diào)試聚類閾值的方式確定合理的聚類粒度、類內(nèi)距離和類間距離；(2)采用基于改進(jìn)歐幾里得距離度量的特征值均值聚類算法得到合理的聚簇；
(3)通過有限元結(jié)點(diǎn)插值擬合算法反向計(jì)算得到聚簇中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的編號(hào)及其在有限元模型中的位置，進(jìn)行冗余消解，得到傳感器最終布局方案。
[0014]所述改進(jìn)歐幾里得距離度量的特征值均值聚類算法是將每個(gè)點(diǎn)至均值誤差平方和最大作為度量準(zhǔn)則，對(duì)每個(gè)實(shí)例測(cè)量其到聚簇中心的距離，當(dāng)滿足指定閾值時(shí)把它歸到質(zhì)心的類，經(jīng)反復(fù)迭代同時(shí)調(diào)整最終聚簇內(nèi)具有最小的類內(nèi)距，聚簇之間具有最大類間距，達(dá)到約束條件后迭代終止。
[0015]所述有限元結(jié)點(diǎn)插值擬合算法是指對(duì)有限元中模態(tài)疊加的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值，得到平滑有限元模型所有節(jié)點(diǎn)的氣動(dòng)彈性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。
[0016]傳統(tǒng)方法是利用人工優(yōu)化技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行布局，憑著豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和直覺來進(jìn)行傳感器和作動(dòng)器的布局，當(dāng)客觀約束條件至關(guān)重要時(shí)，經(jīng)驗(yàn)傳感器布局的應(yīng)用就有一定的局限性。
[0017]本方法具有如下優(yōu)點(diǎn):采用流固耦合方法得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的最大氣動(dòng)彈性響應(yīng)，再通過動(dòng)態(tài)聚類的方法優(yōu)化得到最終傳感器位置；反復(fù)多次變換流場(chǎng)與擾動(dòng)載荷頻率，盡可能多的再現(xiàn)實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)的各種飛行狀態(tài)，包括遍歷所有舵面可能出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度，遍歷外掛設(shè)備每個(gè)可能的安裝位置，得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后進(jìn)行場(chǎng)輸出，得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)集；通過流固耦合MPCCI方法或其他流固耦合計(jì)算方法對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，進(jìn)行遍歷所有飛行狀態(tài)和擾動(dòng)因素的流固耦合分析。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:能夠確保每個(gè)傳感器的布置位置都能采集到有價(jià)值的氣動(dòng)彈性特征值，并且可人為指定布置傳感器的數(shù)量，降低控制系統(tǒng)成本。通過流固耦合MPCCI方法或其他流固耦合計(jì)算方法對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，可以進(jìn)行遍歷所有飛行狀態(tài)和擾動(dòng)因素的流固耦合分析。應(yīng)用本發(fā)明的飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)傳感器布局方法，可通過細(xì)致的參數(shù)調(diào)節(jié)逼近最優(yōu)的傳感器布局。利用本方法，可以盡可能多的再現(xiàn)實(shí)際飛行中可能出現(xiàn)的各種飛行狀態(tài)，包括遍歷所有舵面可能出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度，遍歷外掛設(shè)備每個(gè)可能的安裝位置，得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后進(jìn)行場(chǎng)輸出，最終得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)集。
【附圖說明】
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[0019]圖1是飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局方法原理圖；
[0020]圖2是分析粒度4圖；
[0021]圖3是分析粒度5圖；
[0022]圖4是分析粒度6圖；
[0023]圖5是分析粒度7圖；
[0024]圖6是分析粒度8圖；
[0025]圖7是分析粒度9圖；
[0026]圖8是分析粒度10圖；
[0027]圖9是4聚簇間距圖；
[0028]圖10是5聚簇間距圖；
[0029]圖11是6聚簇間距圖；
[0030]圖12是7聚簇間距圖；
[0031]圖13是8聚簇間距圖；
[0032]圖14是9聚簇間距圖；
[0033]圖15是10聚簇間距圖；
[0034]圖16是5點(diǎn)傳感器布局圖；
[0035]圖17是6點(diǎn)傳感器布局圖；
[0036]圖18是9點(diǎn)傳感器布局圖；
【具體實(shí)施方式】
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[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038]柔性飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)具有較大柔性，為充分的測(cè)量柔性機(jī)翼的彎曲特性、陣風(fēng)響應(yīng)等需要，應(yīng)對(duì)全機(jī)的各個(gè)局部加入慣性傳感器，多個(gè)傳感器形成傳感器陣列提供互補(bǔ)信息，從而能夠更有效的對(duì)氣動(dòng)彈性慣性進(jìn)行主動(dòng)控制。
[0039]本發(fā)明提供動(dòng)態(tài)聚類飛行器氣動(dòng)彈性慣性傳感器布局方法，系統(tǒng)原理框圖見附