應(yīng)用STL模型的敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域分析方法

王裕夫 裴勝偉 黃華

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

隨著衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星星表的產(chǎn)品越來越多，體積越來越大。特別是某些產(chǎn)品部件，例如可展開天線，在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)收攏在衛(wèi)星艙板上，在軌時(shí)展開。展開后可能會(huì)對(duì)敏感器的視場(chǎng)造成遮擋。遮擋使敏感器視場(chǎng)減小，影響其正常工作，導(dǎo)致整星的姿態(tài)確定受到影響[1-3]，為了在衛(wèi)星設(shè)計(jì)初期綜合考慮整星的布局以及相應(yīng)產(chǎn)品部件的結(jié)構(gòu)形式，有必要研究星上產(chǎn)品部件對(duì)敏感器視場(chǎng)的遮擋問題。

針對(duì)衛(wèi)星上的遮擋分析，文獻(xiàn)[4]采用計(jì)算機(jī)軟件SolidWorks，來分析遮擋物對(duì)敏感器視場(chǎng)的遮擋情況。文獻(xiàn)[5]提出一種用于軸對(duì)稱形狀組合體航天器的帆板遮擋分析方法。文獻(xiàn)[6]采用圖像檢測(cè)的方法分析了航天器太陽翼遮擋的情況。以上文獻(xiàn)中，遮擋分析主要是采用幾何分析，分析方法需要對(duì)位置關(guān)系以及遮擋部件單獨(dú)建模，遇到涉及轉(zhuǎn)動(dòng)或者復(fù)雜的遮擋部件，人工操作工作量大，效率低，在定量給出敏感器視場(chǎng)所受遮擋的具體范圍及遮擋率方面存在一定困難。

本文將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(STL是美國3D System公司1988年開發(fā)的用于快速成型制造技術(shù)的表面模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。)，然后對(duì)遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場(chǎng)范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)，將部件的遮擋問題轉(zhuǎn)化為判斷網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)位置范圍的問題。STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)可以直接從實(shí)際部件的三維模型得到，包含了分析遮擋所需的全部幾何數(shù)據(jù)，無其它冗余信息。采用STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)后，可以適應(yīng)星上所有產(chǎn)品遮擋敏感器視場(chǎng)的分析，在對(duì)各種布局情況分析時(shí)，可以避免以往分析方法的反復(fù)、復(fù)雜建模過程，顯著提高工作效率，便于進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可有效的應(yīng)用于敏感器視場(chǎng)遮擋分析。

1 視場(chǎng)遮擋區(qū)域分析

本文提出的遮擋分析方法主要由3部分組成：數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)提取部分是將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，并提取出遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分是將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場(chǎng)范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分則是將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場(chǎng)范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析敏感器視場(chǎng)被部件遮擋的情況，并繪制敏感器視場(chǎng)遮擋圖，計(jì)算遮擋率。

圖1 敏感器視場(chǎng)遮擋分析流程圖Fig.1 Flow chart of the occlusion analysis of optical sensor

1.1 數(shù)據(jù)提取

1)STL簡介

目前，CATIA、Pro/E等三維建模軟件均能輸出以STL表示的三維實(shí)體模型，該模型是利用空間三角形的拼接來對(duì)原有三維模型表面進(jìn)行逼近的數(shù)學(xué)模型，每個(gè)三角形用3個(gè)頂點(diǎn)來表示，每個(gè)頂點(diǎn)采用(x，y，z)來定位。另外，STL數(shù)據(jù)中還包含每個(gè)三角形的法向矢量數(shù)據(jù)。STL文件的美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)格式數(shù)據(jù)如下：

solid STL文件開始

facet normalxyz三角形開始，三角形法向矢量

outer loop

vertexx1y1z1三角形第一點(diǎn)坐標(biāo)

vertexx2y2z2三角形第二點(diǎn)坐標(biāo)

vertexx3y3z3三角形第三點(diǎn)坐標(biāo)

endloop

endfacet 三角形結(jié)束

各個(gè)三角形信息

endsolid STL 文件結(jié)束

上述數(shù)據(jù)格式中，x、y、z反映了三角形法向矢量與基準(zhǔn)坐標(biāo)系(生成STL時(shí)選擇的坐標(biāo)系)3個(gè)坐標(biāo)軸的夾角。x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3分別為三角形三個(gè)頂點(diǎn)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。詳見圖2所示。

圖2 STL數(shù)據(jù)中的三角形網(wǎng)格示意Fig.2 Triangle mesh of STL data

2)遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)提取

為考慮衛(wèi)星上真實(shí)的遮擋部件和敏感器視場(chǎng)的實(shí)際情況，采取的方法為：由遮擋部件的三維模型提取STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。后文的模型均假定遮擋部件的三維模型與衛(wèi)星上實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品一致。

在三維模型中，選取敏感器視場(chǎng)的坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，這樣生成的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)中的矢量和位置信息均相對(duì)于敏感器視場(chǎng)。提取得到的遮擋部件的STL網(wǎng)格化模型文件中三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的位置信息，將頂點(diǎn)i的位置信息以直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式存為(xi,yi,zi)，其中i為1～n，n為所有頂點(diǎn)的總數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先，將數(shù)據(jù)提取得到的所有遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i的坐標(biāo)(xi,yi,zi)利用公式

(1)

(2)

轉(zhuǎn)換成遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i與敏感器視場(chǎng)中心點(diǎn)O的連線與xz平面的夾角αi和遮擋部件的三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)i與敏感器中心點(diǎn)O的連線在xz平面的投影線段與x軸的夾角βi，將所有頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的夾角以平面坐標(biāo)的形式存為(αi，βi)，得到遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)；所述的(x0，y0，z0)為敏感器中心點(diǎn)坐標(biāo)。敏感器視場(chǎng)示意圖見圖3。

圖3 敏感器視場(chǎng)示意圖Fig.3 View field of optical sensor

以上數(shù)據(jù)處理及遮擋圖繪制利用自編程序快速實(shí)現(xiàn)。

2 計(jì)算應(yīng)用

設(shè)定某遮擋部件以及敏感器視場(chǎng)參數(shù)后，在三維建模軟件中完成三維模型的建模，遮擋部件進(jìn)入敏感器視場(chǎng)錐域，對(duì)敏感器視場(chǎng)產(chǎn)生了遮擋，如圖4所示。然后按照?qǐng)D1所示流程分析敏感器視場(chǎng)所受遮擋的情況。根據(jù)圖1所示流程，在分析敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域時(shí)需要3個(gè)輸入條件：遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)、敏感器視場(chǎng)范圍以及遮擋部件與敏感器之間的相互位置關(guān)系。

圖4 遮擋部件對(duì)敏感器視場(chǎng)的三維遮擋示意圖Fig.4 3D Pictures of the occlusion view field

以有效視場(chǎng)為±60°×±60°的某敏感器受某部

件遮擋為例進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算得出遮擋率K為17.83%，其視場(chǎng)遮擋圖如圖5所示，陰影區(qū)域?yàn)橐晥?chǎng)被遮擋部分，從圖5中可以分析出，敏感器視場(chǎng)的第一象限遮擋的最嚴(yán)重，第二象限有少部分被遮擋，第三、四象限則未被遮擋。這種情況下，敏感器由于受遮擋嚴(yán)重，不能夠正常工作。因此，對(duì)該部件與敏感器的位置關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，再次計(jì)算遮擋率K為1.02%，調(diào)整后遮擋圖如圖6所示。從圖6中對(duì)比可以看出，位置優(yōu)化后幾乎無遮擋，敏感器能夠正常工作。

本次優(yōu)化如果采用常規(guī)方法進(jìn)行二次建模分析，整個(gè)時(shí)間至少需要一個(gè)工作日，而利用本文方法進(jìn)行位置優(yōu)化后的視場(chǎng)遮擋再分析，花費(fèi)工作時(shí)長不到1 h，證明本方法切實(shí)高效。

圖5 遮擋部件對(duì)敏感器視場(chǎng)的遮擋圖Fig.5 Pictures of occlusion view field

圖6 遮擋部件對(duì)敏感器視場(chǎng)的遮擋圖(優(yōu)化后)Fig.6 Pictures of occlusion view field(after optimization)

3 結(jié)束語

針對(duì)衛(wèi)星上的遮擋分析問題，本文提出了一種基于STL網(wǎng)格化模型的敏感器視場(chǎng)遮擋區(qū)域確定方法。對(duì)于某種靜態(tài)的敏感器與遮擋部件位置狀態(tài)，此方法首先是將遮擋部件的三維模型轉(zhuǎn)化為STL網(wǎng)格化模型文件，并提取出遮擋部件的STL網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。然后將遮擋部件的STL網(wǎng)格化坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與敏感器視場(chǎng)范圍均轉(zhuǎn)換成平面夾角數(shù)據(jù)。之后，則將遮擋部件的平面夾角數(shù)據(jù)與敏感器視場(chǎng)范圍的平面夾角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，定量給出敏感器視場(chǎng)所受遮擋的詳細(xì)分布范圍以及遮擋率，相比以往方法，顯著提高了工作效率，便于工程設(shè)計(jì)。針對(duì)活動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程中的遮擋分析，可以選取運(yùn)動(dòng)過程中的某些典型位置進(jìn)行分析，以增強(qiáng)本方法的適應(yīng)性。可作為衛(wèi)星研制工作中敏感器視場(chǎng)遮擋分析的有效手段。