一种飞行器气动弹性惯性传感器布局方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及飞行器气动弹性惯性传感器布局领域，基于飞行器结构的动力学响应分析和动态聚类方法。
【背景技术】
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[0002]从上个世纪末开始，NASA开始一项关于柔性飞行器智能结构控制技术的研宄，研宄计划旨在针对嵌入式的传感器和作动器进行优化布局配置，从而实现机翼形状、飞行器结构噪声和结构振动的主动控制。从大型的空间飞行器到微型飞行器，相关的研宄成果被应用于各种规模的飞行器中，该项技术可以用来提高飞行器的安全性、可靠性和环境适应性。优化的传感器布局技术研宄是该项研宄计划的一个至关重要的研宄内容。
[0003]传感器布局技术研宄的初期，领域专家们往往利用人工优化技术对传感器进行布局，凭着丰富的工程经验和直觉来进行传感器和作动器的布局。传感器位置布局问题可描述为:在给定的N个可能的安装位置选择M个位置布置传感器，从而得到最优的性能指标。一般来说，对于性能指标的优化是很复杂的。此外，布局方案还会受到结构的几何形状制约，布局方案还会受到传感器的物理限制和控制能量的制约。当性能指标不能靠经验直觉获得，当客观约束条件至关重要时，或者当可能安装的位置M数超过人工检验的数量时，则更需要一种科学的最优化传感器布局技术。目前大多传感器优化布局方案往往是根据经验试凑得到的，尚未检索到通用的飞行器气动弹性惯性传感器布局优化方法。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的是针对上述现有技术的不足，结合飞行器气动弹性自身特点，提供一种动态聚类飞行器气动弹性惯性传感器布局方法，它是一种通用传感器布局优化准则，以传感器测量信息最大化为总体目标，在传感器数量和最优布局位置之间进行优化平衡，能够确保每个传感器的布置位置都能采集到有价值的气动弹性特征值，且支持领域专家人工指定布置传感器的数量，能有效降低控制系统成本。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤:
[0006]步骤一:在采用有限元方法求解飞行器结构动力学响应的基础上，通过流固耦合方法对有限元模型进行修正，进行遍历所有飞行状态和扰动因素的流固耦合分析；
[0007]步骤二:计算相对精确的结构动力学响应，获取有限元模型中每个结点的响应；
[0008]步骤三:对数据集进行标准化处理，生成弹性机翼结构动力学响应数据集；
[0009]步骤四:采用模式识别中的基于距离度量的聚类方法对数据进行聚类，优化得到最终传感器位置。
[0010]所述流固耦合方法为流固耦合MPCCI方法。
[0011]采用直接积分或模态叠加的方法计算所述相对精确的结构动力学响应。
[0012]所述对数据集进行标准化处理，生成弹性机翼结构动力学响应数据集具体为:反复多次变换流场与扰动载荷频率，尽可能多地再现实际飞行中可能出现的各种飞行状态，包括遍历所有舵面可能出现的偏转角度，遍历外挂设备每个可能的安装位置，得到每个结点的响应后进行场输出，得到结构动力学响应数据集。
[0013]所述采用模式识别中的基于距离度量的聚类方法对数据进行聚类，优化得到最终传感器位置具体为:(I)通过反复调试聚类阈值的方式确定合理的聚类粒度、类内距离和类间距离；(2)采用基于改进欧几里得距离度量的特征值均值聚类算法得到合理的聚簇；
(3)通过有限元结点插值拟合算法反向计算得到聚簇中每个结点的编号及其在有限元模型中的位置，进行冗余消解，得到传感器最终布局方案。
[0014]所述改进欧几里得距离度量的特征值均值聚类算法是将每个点至均值误差平方和最大作为度量准则，对每个实例测量其到聚簇中心的距离，当满足指定阈值时把它归到质心的类，经反复迭代同时调整最终聚簇内具有最小的类内距，聚簇之间具有最大类间距，达到约束条件后迭代终止。
[0015]所述有限元结点插值拟合算法是指对有限元中模态叠加的计算结果进行插值，得到平滑有限元模型所有节点的气动弹性结构动力学响应。
[0016]传统方法是利用人工优化技术对传感器进行布局，凭着丰富的工程经验和直觉来进行传感器和作动器的布局，当客观约束条件至关重要时，经验传感器布局的应用就有一定的局限性。
[0017]本方法具有如下优点:采用流固耦合方法得到每个结点的最大气动弹性响应，再通过动态聚类的方法优化得到最终传感器位置；反复多次变换流场与扰动载荷频率，尽可能多的再现实际飞行中可能出现的各种飞行状态，包括遍历所有舵面可能出现的偏转角度，遍历外挂设备每个可能的安装位置，得到每个结点的响应后进行场输出，得到结构动力学响应数据集；通过流固耦合MPCCI方法或其他流固耦合计算方法对有限元模型进行修正，进行遍历所有飞行状态和扰动因素的流固耦合分析。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:能够确保每个传感器的布置位置都能采集到有价值的气动弹性特征值，并且可人为指定布置传感器的数量，降低控制系统成本。通过流固耦合MPCCI方法或其他流固耦合计算方法对有限元模型进行修正，可以进行遍历所有飞行状态和扰动因素的流固耦合分析。应用本发明的飞行器结构动力学传感器布局方法，可通过细致的参数调节逼近最优的传感器布局。利用本方法，可以尽可能多的再现实际飞行中可能出现的各种飞行状态，包括遍历所有舵面可能出现的偏转角度，遍历外挂设备每个可能的安装位置，得到每个结点的响应后进行场输出，最终得到结构动力学响应数据集。
【附图说明】
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[0019]图1是飞行器气动弹性惯性传感器布局方法原理图；
[0020]图2是分析粒度4图；
[0021]图3是分析粒度5图；
[0022]图4是分析粒度6图；
[0023]图5是分析粒度7图；
[0024]图6是分析粒度8图；
[0025]图7是分析粒度9图；
[0026]图8是分析粒度10图；
[0027]图9是4聚簇间距图；
[0028]图10是5聚簇间距图；
[0029]图11是6聚簇间距图；
[0030]图12是7聚簇间距图；
[0031]图13是8聚簇间距图；
[0032]图14是9聚簇间距图；
[0033]图15是10聚簇间距图；
[0034]图16是5点传感器布局图；
[0035]图17是6点传感器布局图；
[0036]图18是9点传感器布局图；
【具体实施方式】
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[0037]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038]柔性飞行器机体结构具有较大柔性，为充分的测量柔性机翼的弯曲特性、阵风响应等需要，应对全机的各个局部加入惯性传感器，多个传感器形成传感器阵列提供互补信息，从而能够更有效的对气动弹性惯性进行主动控制。
[0039]本发明提供动态聚类飞行器气动弹性惯性传感器布局方法，系统原理框图见附