基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法和系统技术方案

本发明专利技术提供基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试的方法和系统，根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，并进行虚拟现实显示；构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。运用动力学建模与模型修正方法和卫星虚拟振动一体化仿真平台技术，基于多体系统传递矩阵法的多体动力学建模与计算、数据分析与模型修正。本发明专利技术解决了现有技术中卫星虚拟振动试验的技术难点，提高虚拟试验可视化和交互性，优化了模型参数和振动试验条件，缩短了试验周期，为复杂卫星振动试验提供了先进的虚拟振动试验测试手段。

Virtual vibration test method and system of satellite based on virtual reality

The invention provides a method and system of virtual vibration test of satellite based on virtual reality, constructs virtual reality scene according to laboratory layout, carries out human-computer interaction and virtual reality display, constructs virtual satellite platform model of satellite vibration test, carries out virtual test of satellite vibration test based on virtual satellite platform model, and processes information generated in virtual test , optimize the experimental conditions. Based on the transfer matrix method of multi-body system, the multi-body dynamic modeling and calculation, data analysis and model modification are carried out by using the dynamic modeling and model modification methods and the integrated simulation platform technology of satellite virtual vibration. The invention solves the technical difficulties of satellite virtual vibration test in the prior art, improves the visualization and interactivity of virtual test, optimizes the model parameters and vibration test conditions, shortens the test cycle, and provides advanced virtual vibration test and test means for complex satellite vibration test.

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法和系统
本专利技术涉及卫星力学环境模拟中振动试验测试
，具体地，涉及一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法和系统。
技术介绍
随着卫星结构越来越复杂，使用的新技术、新材料越来越多，而研制周期却越来越短，卫星力学试验的成本和风险都呈快速上升趋势。如果每进行一次设计改动都要进行整星试验，研发成本太昂贵，但不进行这些试验，到时再暴露出缺陷，造成的损失则更大。而仅仅用数学分析的方法，往往由于边界条件模拟的不准确，很难达到可工程化应用的仿真精度。因此，越来越多的设计部门提出了继续发展技术，结合物理试验的优势，开展基于试验设备与卫星相结合的力学试验仿真——即开展虚拟振动试验，以减少真实试验的次数，缩短研制成本和周期。虚拟振动试验就是以计算机仿真技术为基础，采用局部物理试验、低载荷物理试验和相关分析及模型修正等方法，最终在计算机上模拟卫星总体结构在真实试验工况及边界条件下的动力学特性和响应情况，即进行虚拟试验，以达到减少整体结构试验或减小大载荷试验工况的目的。与本申请相关的现有技术是专利文献CN105260581B，公开一种舰船机电控制设备虚拟振动和冲击试验方法，建立设备几何模型；建立有限元模型；在有限元模型上施加边界条件，确定模态分析的方法，设置模态分析的频率范围基础上进行虚拟模态试验；在有限元模型上施加边界条件，确定振动谐响应分析的方法、设置振动分析的频率范围基础上进行虚拟振动试验；在定义元器件之间的接触类型和接触参数，在有限元模型上施加边界条件和冲击载荷基础上进行虚拟冲击试验；结合机电控制设备动态特性的试验测试结果，调整参数进行虚拟再试验，直至虚拟试验结果与试验测试数据之间的误差满足要求。但是目前无论是实物实验还是虚拟实验都存在一些问题：(1)在设计阶段对卫星结构能否通过振动试验需进行有限元仿真验证，但目前的卫星单体模型仿真，由于边界条件无法准确模拟，导致仿真误差过大，起不到预先确定设计缺陷的作用；(2)商业化的虚拟实验软件操作复杂，试验人员进行振动试验仿真费时费力，容易出错，而且各类结构参数的确定非常困难，对仿真精度和准确度造成一定的影响。(3)实施振动试验的周期很长，而且要生产一个甚至多个试验样品或模型，耗费巨大；(4)真实振动试验受传感器数量的限制，无法获得全面的结构响应特性，存在试验结果误判的风险；(5)由于试件安装在试验台上和安装在实际产品上的耦合关系和边界条件不同，因此试验台难以完全模拟真实的振动激励，容易引起过试验或欠试验问题，存在一定的试验风险；(6)实物实验通过传感器测试出来的数据，只有通过专业的后处理软件得到相关的曲线，最多只能多条曲线进行对比分析，而无法还原卫星在整个实验过程中实际综合振动状态。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法和系统。根据本专利技术提供的一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，包括以下模块：虚拟现实模块：根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，令实验室中的各个实验设备在虚拟现实场景中具备物理属性，并进行虚拟现实显示；模型模块：构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；虚拟仪器模块：对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。优选地，所述虚拟现实模块包括：输入处理模块：接收并传输输入设备的输入信息；仿真处理模块：搭建虚拟现实场景，通过仿真引擎实现虚拟测试任务，生成虚拟现实场景中的各类行为活动；表现处理模块：从不同角度描述虚拟现实场景，生成并输出各种感官刺激；立体视觉模块：提供基于多视觉立体成像的动态环境建模手段。优选地，所述模型模块包括：卫星模型子模块：建立卫星和振动台各体元件和各联接铰元件的位移和力的输入输出关系，建立各体元件和联接铰元件的传递方程和传递矩阵，拼装为星台总传递方程和总传递矩阵；振动台模型子模块：建立增广特征矢量，通过正交性条件，对星台总传递方程进行解偶，联立边界条件，获得特征方程，求解得到固有频率，进而得到阵型，获得星台耦合动态特性参数，进行星台耦合快速动力学响应计算，得到广义坐标和动力响应。优选地，所述虚拟仪器模块由数据层、处理层、应用层组成，通过数据结构和多体系统动力学算法，实现基于虚拟现实的信息处理。根据本专利技术提供的一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法，包括以下步骤：虚拟现实步骤：根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，令实验室中的各个实验设备在虚拟现实场景中具备物理属性，并进行虚拟现实显示；模型步骤：构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；虚拟仪器步骤：对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。优选地，所述虚拟现实步骤包括：输入处理步骤：接收并传输输入设备的输入信息；仿真处理步骤：搭建虚拟现实场景，通过仿真引擎实现虚拟测试任务，生成虚拟现实场景中的各类行为活动；表现处理步骤：从不同角度描述虚拟现实场景，生成并输出各种感官刺激；立体视觉步骤：提供基于多视觉立体成像的动态环境建模手段。优选地，所述模型步骤包括：卫星模型子步骤：建立卫星和振动台各体元件和各联接铰元件的位移和力的输入输出关系，建立各体元件和联接铰元件的传递方程和传递矩阵，拼装为星台总传递方程和总传递矩阵；振动台模型子步骤：建立增广特征矢量，通过正交性条件，对星台总传递方程进行解偶，联立边界条件，获得特征方程，求解得到固有频率，进而得到阵型，获得星台耦合动态特性参数，进行星台耦合快速动力学响应计算，得到广义坐标和动力响应。优选地，所述虚拟星台模型通过以下步骤：构建模型步骤：将实物模型转化为物理模型，建立由卫星和振动台组成的星台耦合动力学模型；特性定参步骤：对星台耦合动力学模型进行模型等效，获得星台耦合动态特性参数；响应计算步骤：基于动态特性参数，进行星台耦合快速动力学响应计算，得到星台耦合多体系统动力学响应；模型优化步骤：结合灵敏度分析，通过模态参数对星台耦合动力学模型进行参数优化。优选地，所述构建模型步骤包括：多体传递步骤：将实物模型转化为物理模型，建立卫星和振动台各体元件和各联接铰元件之间的位移和力的输入输出关系；模型建立步骤：基于多体系统传递矩阵，建立各体元件和联接铰元件的传递方程和传递矩阵，拼接得到总传递方程和总传递矩阵。优选地，所述模型等效是建立增广特征矢量，通过正交性条件，对动力学方程进行方程解偶，联立边界条件，获得特征方程，求解特征方程得到固有频率，得到阵型，获得星台耦合动态特性参数。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术解决了现有技术中卫星虚拟振动试验的技术难点，提高虚拟试验可视化和交互性，优化了模型参数和振动试验条件，缩短了试验周期，为复杂卫星振动试验提供了先进的虚拟振动试验测试手段。...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，其特征在于，包括以下模块：/n虚拟现实模块：根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，令实验室中的各个实验设备在虚拟现实场景中具备物理属性，并进行虚拟现实显示；/n模型模块：构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；/n虚拟仪器模块：对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，其特征在于，包括以下模块：
虚拟现实模块：根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，令实验室中的各个实验设备在虚拟现实场景中具备物理属性，并进行虚拟现实显示；
模型模块：构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；
虚拟仪器模块：对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。


2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，其特征在于，所述虚拟现实模块包括：
输入处理模块：接收并传输输入设备的输入信息；
仿真处理模块：搭建虚拟现实场景，通过仿真引擎实现虚拟测试任务，生成虚拟现实场景中的各类行为活动；
表现处理模块：从不同角度描述虚拟现实场景，生成并输出各种感官刺激；
立体视觉模块：提供基于多视觉立体成像的动态环境建模手段。


3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，其特征在于，所述模型模块包括：
卫星模型子模块：建立卫星和振动台各体元件和各联接铰元件的位移和力的输入输出关系，建立各体元件和联接铰元件的传递方程和传递矩阵，拼装为星台总传递方程和总传递矩阵；
振动台模型子模块：建立增广特征矢量，通过正交性条件，对星台总传递方程进行解偶，联立边界条件，获得特征方程，求解得到固有频率，进而得到阵型，获得星台耦合动态特性参数，进行星台耦合快速动力学响应计算，得到广义坐标和动力响应。


4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试系统，其特征在于，所述虚拟仪器模块由数据层、处理层、应用层组成，通过数据结构和多体系统动力学算法，实现基于虚拟现实的信息处理。


5.一种基于虚拟现实的卫星虚拟振动试验测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
虚拟现实步骤：根据实验室布局构建虚拟现实场景，进行人机交互，令实验室中的各个实验设备在虚拟现实场景中具备物理属性，并进行虚拟现实显示；
模型步骤：构建卫星振动试验的虚拟星台模型，基于虚拟星台模型，进行卫星振动试验的虚拟测试；
虚拟仪器步骤：对虚拟测试中产生的信息进行处理，优化实验条件。


6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蕾，李霖圣，王继虎，宋港，齐晓军，张利，
申请(专利权)人：上海卫星装备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31