基于组件布局优化的光具座传感器布局设计方法与流程

本发明涉及一种机载光电平台中光具座上传感器布局的优化设计方法。

背景技术：

机载光电平台是武器系统的重要组成部分，其中光具座结构及其上面安装的四个传感器组件是机载光电平台的核心部件。四个传感器组件两、两分组分别安装于光具座结构两侧平面上，这四个传感器组件在光具座上的布局设计对机载光电平台内部的偏心距即实际质心与理想质心间的距离有着重要的影响，而偏心距大小则严重影响着机载光电平台的工作性能。因此，光具座上四个传感器组件的布局优化设计对提升机载光电平台工作性能非常重要。

目前，机载光电平台中光具座上四个传感器组件的布局主要依靠经验设计，即设计人员首先依据工程经验给出初始布局方案，然后根据偏心距等指标对设计方案进行修改，通常需要经过多次校核-修改的循环过程才能得到一个偏心距较理想的设计方案。该传统设计方法的主要缺点是：(1)基于经验的设计过程通常需要经过多次校核-修改过程，设计成本高昂且设计周期长。(2)设计方案的性能高度依赖设计人员的工程经验，不同设计人员给出的设计方案优劣不一并且偏心距通常偏大，需要增加较大的配重实现配平，成本增加并且造成整体结构重量增加，影响机载光电平台工作性能提升。

技术实现要素：

为了改善机载光电平台中传感器组件布局的设计方法，降低设计周期和设计成本，减小光电平台内部的偏心距，提高光电平台工作性能，本发明提供了一种机载光电平台中传感器组件布局的优化设计方法。该方法以机载光电平台内部偏心距最小为目标，组件间不干涉为约束建立优化问题，采用数学规划法对优化问题进行求解，可以快速得到具有较小偏心距的传感器组件布局方案。

基于组件布局优化的光具座传感器布局设计方法，该方法根据各传感器组件优化后的质心坐标对初始设计的机载光电平台上光具座的四个传感器组件进行布局，所述四个传感器组件分别为传感器组件1、传感器组件2、传感器组件3和传感器组件4，其中传感器组件1和传感器组件3位于光具座的一侧，传感器组件2和传感器组件4位于光具座的另一侧，该方法包括：

步骤1，建立机载光电平台的有限元模型，在全局坐标系下该初始设计的机载光电平台上四个传感器组件的质心坐标分别为(x₀₁,y₀₁,z₀₁)，(x₀₂,y₀₂,z₀₂)，(x₀₃,y₀₃,z₀₃)，(x₀₄,y₀₄,z₀₄)，初始设计的机载光电平台质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标为(x_G0，y_G0，z_G0)；

步骤2，分别对四个传感器组件的外形轮廓利用有限包络圆族进行描述，得到传感器组件1的B1个包络圆，传感器组件2的B2个包络圆，传感器组件3的B3个包络圆，传感器组件4的B4个包络圆，B1为大于等于1的自然数，B2为大于等于1的自然数，B3为大于等于1的自然数，B4为大于等于1的自然数；

步骤3，通过式(1)得到各传感器组件优化后的质心坐标：

式(1)中：

在全局坐标系下，传感器组件i的质心坐标为(y_i，z_i)；为传感器组件i的质心在Y轴上的下限值，为传感器组件i的质心在Y轴上的上限值，为传感器组件i的质心在Z轴上的下限值，为传感器组件i的质心在Z轴上的上限值；

G_c为机载光电平台内部结构的偏心距，x_G、y_G和z_G分别表示机载光电平台质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标，M_d为光具座的质量，x_d、y_d和z_d分别表示全局坐标系下光具座质心的X、Y、Z坐标；i表示传感器组件编号，M_i表示第i个传感器组件的质量，x_i、y_i和z_i分别表示第i个传感器组件质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标；

g_k为传感器组件i与传感器组件j之间包络圆的第k个距离函数，g_k＝(y_im-y_jn)²+(z_im-z_jn)²-(R_im+R_jn)²，所述i和j的取值为两种情况，所述两种情况分别为i＝1，j＝3和i＝2，j＝4；m＝1,2…Bi，n＝1,2…Bj，Bi和Bj分别表示第i，j个传感器组件的包络圆数量；R_im为传感器组件i的第m个包络圆的半径；R_jn为传感器组件j的第n个包络圆的半径；y_im和z_im分别表示传感器组件i的第m个包络圆的圆心在全局坐标系中的Y、Z坐标；y_jn和z_jn分别表示传感器组件j的第n个包络圆的圆心在全局坐标系中的Y、Z坐标；k＝1，2…K，K＝B1×B3+B2×B4。

进一步地，通过式(2)，计算y_im，z_im：

其中，y_cim和z_cim表示传感器组件i的第m个包络圆的圆心坐标在以传感器组件i质心为原点的局部坐标系下的坐标值，局部坐标系由全局坐标系平移得到。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明可以有效地改善现有方法设计周期长、设计成本高的局面；

(2)本发明借助数学规划法对传感器组件布局问题进行优化设计，设计效果好，得到的机载光电平台内部的偏心距小，因此配平需要的配重小，实现了整体结构的减重，有利于机载光电平台工作性能的提升。

附图说明

图1是机载光电平台内部结构的有限元模型示意图；

图2是传感器组件1和传感器组件3外形轮廓的有限包络圆描述图；

图3是传感器组件2和传感器组件4外形轮廓的有限包络圆描述图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明步骤1中初始设计的机载光电平台中光具座上传感器组件的布局，是使用现有技术中任一方式对机载光电平台中光具座上传感器组件的布局。

本发明中每个传感器组件的包络圆是根据文献“有限包络圆族的快速生成方法及其在二维布局优化中的应用”中有限包络圆的划分方法，对每个传感器组件的外形轮廓利用有限包络圆族进行描述，得到每个传感器组件的多个包络圆，其中包络圆的数量由每个传感器组件的外形轮廓决定。

实施例

步骤1，在ANSYS软件中建立某机载光电平台结构初始设计的有限元模型如图1所示，四个传感器组件等效为质量点通过刚性杆单元两、两分组分别安装于光具座结构两侧平面上，传感器组件1、3安装在同一个平面上，传感器组件2、4安装在另一个平面上。该初始设计方案中四个传感器组件的质心坐标分别为(x₀₁,y₀₁,z₀₁)，(x₀₂,y₀₂,z₀₂)，(x₀₃,y₀₃,z₀₃)，(x₀₄,y₀₄,z₀₄)如表1所示，此处全局坐标系原点为机载光电平台的理想质心位置。x_i、y_i和z_i分别表示第i个组件质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标。

表1

步骤2，传感器组件1和传感器组件3的外形轮廓及其包络圆划分情况如图2所示，传感器组件2和传感器组件4的外形轮廓及其包络圆划分情况如图3所示。Cim表示传感器组件i的第m个包络圆，y_cim和z_cim表示传感器组件i的第m个包络圆的圆心坐标在以传感器组件i质心为原点的局部坐标系下的坐标值，局部坐标系由全局坐标系平移得到，R_im表示组件i的第m个包络圆的半径，其值如表2所示。

表2

步骤3，将四个传感器组件的质心坐标作为当前设计变量，由于组件只可在Y轴、Z轴方向上平动，因此每个组件只有两个自由度，即两个设计变量y_i和z_i。分别确定四个传感器组件设计变量y_i变动范围的下限与上限设计变量z_i变动范围的下限与上限如表3所示。

表3

步骤4，当四个传感器组件的质心坐标为当前设计变量时；

在ANSYS中求解机载光电平台内部的偏心距G_c：

其中，x_G、y_G和z_G分别表示机载光电平台质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标，本实施例中，x_G、y_G和z_G的初始值为(x_G0，y_G0，z_G0)，本实施例取(-5.25，0.65，-8.84)；

M_d为光具座的质量，本实施例中取值为2kg；

x_d、y_d和z_d分别表示全局坐标系下光具座质心的X、Y、Z坐标，本实施例中x_d、y_d和z_d为(-25.83，0.35，-20.44)；

i表示传感器组件编号，M_i表示第i个传感器组件的质量，本实施例中，M₁＝3.8kg，M₂＝6.2kg，M₃＝2.6kg，M₄＝1.8kg；

x_i、y_i和z_i分别表示第i个传感器组件质心在全局坐标系下的X、Y、Z坐标，本实施例中x_i、y_i和z_i的初始取值x_0i、y_0i和z_0i见表1；

本实施例中，初始的偏心距为10.3mm。

分别求解偏心距G_c关于传感器组件i的当前设计变量y_i和z_i的灵敏度与

其中，为偏微分符号；

求解传感器组件i与传感器组件j之间包络圆的第k个距离函数g_k：

g_k＝(y_im-y_jn)²+(z_im-z_jn)²-(R_im+R_jn)²

其中，所述i和j的取值为两种情况，所述两种情况分别为i＝1，j＝3和i＝2，j＝4；m＝1,2…Bi，n＝1,2…Bj，Bi和Bj分别表示第i，j个传感器组件的包络圆数量，则R_im为传感器组件i的第m个包络圆的半径，R_jn为传感器组件j的第n个包络圆的半径；y_im和z_im分别表示传感器组件i的第m个包络圆的圆心在全局坐标系中的Y、Z坐标；y_jn和z_jn分别表示传感器组件j的第n个包络圆的圆心在全局坐标系中的Y、Z坐标；k＝1，2…K，K为距离函数g_k的总数量，K＝B1×B3+B2×B4；

通过约束距离函数g_k均大于零，则可实现组件间的不干涉约束。

本实施例中，B1＝2，B2＝4，B3＝2，B4＝4，则K＝B1×B3+B2×B4＝20。

通过式(2)计算传感器组件i的第m个包络圆的圆心在全局坐标系中的Y、Z坐标：

其中，y_cim和z_cim为传感器组件i的第m个包络圆的圆心坐标在以传感器组件i质心为原点的局部坐标系下的坐标值，局部坐标系由全局坐标系平移得到，其值如表2所示。

计算距离函数g_k关于传感器组件i的当前设计变量y_i和z_i的灵敏度与

步骤5，以偏心距最小为设计目标，以传感器组件间不干涉为约束，建立优化模型：

其中，分别表示组件i的质心Y坐标的下限与上限，分别表示组件i的质心Z坐标的下限与上限，其值如表3所示。基于偏心距G_c和距离函数g_k关于传感器组件设计变量的灵敏度，采用数学规划法对上述优化问题进行求解，得到布局优化设计结果。经过优化得到的布局设计方案与初始方案对比如表4所示。

表4

优化后布局设计方案的偏心矩G_c大小为5mm，相比初始偏心距10.3mm减小了51.5％，设计方法效果良好。

由上述实施例可见，本发明可以实现机载光电平台中光具座上传感器组件的布局设计，有效降低设计周期和设计成本，明显降低机载光电平台内部结构的偏心距，对于机载光电平台工作性能的提升具有较大的实际意义。