16、机械系统研究与大气光污染扫描仪设计

机械系统研究与大气光污染扫描仪设计

1 研究成果初步阶段分析

目前的研究成果虽然有趣，但仍处于初步阶段。在不同条件下，已收集到一些展示合理变形的成功案例。然而，当考虑受载梁时，结果并不理想，迫切需要将本构方程与工具参数相连接。到目前为止，最重要的研究课题是如何将材料参数与工具中的选择联系起来。实际上，我们还没有指导工具选择以描述特定材料连续体的标准。

工具在三维方面的推广相对容易，但仍需对代码进行一些优化，以便在普通台式 PC 上使计算时间保持在秒级。为了描述液体和气体，我们正在放宽邻居始终相同的假设。这需要一个中间计算步骤，因为在每个时间步都必须计算哪些是邻居（在这种情况下，邻居被定义为指定体积内的粒子）。

这项工作中引入的最重要创新是通过优化程序同时考虑所有点进行计算，而不是逐点计算。这为考虑像受电弓这样的结构化物体打开了大门，受电弓在航空航天工程中极为有用，这样可以更明确、更轻松地引入约束条件。它可以被描述为一组在枢轴处有约束点的梁，或者在亨基的观点中，可以被设想为一组由弹簧相互连接的点。

未来的进一步发展方向包括研究不同的断裂机制、采用不同的框架以避免边缘效应、探索其他相互作用规则以及开发自适应晶格。适当的潜在相互作用可能有助于更好地描述不同的变形状态，如弹性、塑性变形以及断裂。

具体待解决问题列表

• 连接本构方程与工具参数。
• 确定材料参数与工具选择的关系准则。
• 优化三维工具代码以控制计算时间。
• 解决描述液体和气体时邻居计算的中间步骤问题。

未来发展方向表格

发展方向	具体内容
断裂机制研究	探索不同的断裂机制
框架改进	采用不同框架避免边缘效应
相互作用规则探索	研究其他相互作用规则
自适应晶格开发	开发自适应晶格

2 大气光污染与便携式扫描仪设计背景

2.1 光污染问题概述

夜间户外照明在现代城市地区对安全、娱乐和装饰至关重要，但它可能导致巨大的能源浪费，并对人类和动物产生不利影响。由于照明系统设计不当和夜间环境过度照明导致的自然光量改变被定义为光污染，它与其他环境污染问题一样，应被视为环境风险。

在过去的二十年里，科学界对量化光污染及其影响的兴趣日益浓厚，特别是对夜空亮度和恒星可见度的影响，这源于保护夜空黑暗和生物健康的努力。光污染主要位于对流层，海拔高达 10 公里。在这一高度，人工照明直接发出的光或地面反射的光会被云层、雾气和污染物散射，并与悬浮颗粒（特别是气溶胶和水分子）相互作用，这些颗粒是光污染的主要调节因素。这些颗粒的状况可能会发生极大变化，使得光污染这一环境威胁成为一个极其复杂的研究现象。

2.2 光污染测量现状

光污染值会随时间变化，且在不同测量角度下也有所不同。通常，天顶的测量值与接近地平线的测量值不同。光污染通常使用位于天文台的光度计进行测量，这些光度计只能提供局部测量数据。便携式仪器的缺乏限制了许多科学家获取更大范围数据的努力。此外，光污染的一个直接后果是肉眼可见的恒星数量减少，因此天文学中用于量化光污染的指标是夜空背景的亮度。

测量光污染需要在夜间环境中进行，此时光线极其微弱，因此需要高灵敏度的仪器。目前有一些经过光度校准的仪器，由 CCD（电荷耦合器件）或 CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器以及不同的滤光片和鱼眼镜头组成，这些仪器可以提供全方位 180°视场的科学测量。然而，它们可能价格昂贵或结构复杂，并且通常安装在永久性天文台。因此，开发用于测量角日光亮度分布的低成本设备越来越受到关注。

2.3 现有光污染测量仪器分析

• 一些仪器可用于测量倾斜表面的漫射太阳辐照度。
• 高动态范围图像系统可用于捕捉天空、窗户视野和室内表面的亮度分布，用于预测室内日光分布和优化建筑设计。
• 便携式辐射计可用于线性测量 5 - 6 个数量级的光谱天空辐射，适用于黑暗区域以及明亮的城市和郊区环境。
• 基于光敏电阻的低成本原型可用于测量角日光亮度分布。

尽管这些仪器大多能满足应用需求，价格低廉且维护成本低，但它们通常需要由一名操作员在现场进行调整。因此，可以研究系统在更稳健、连续和自动化操作下对亮度测量的影响。特别是，决定最佳观测策略以实时估计某一地点的大气稳定性以及天空中最暗和最透明区域的位置非常重要，这使得开发一种既便携又坚固的天空扫描仪系统来测量光污染变得更加迫切。

传统天空扫描仪仪器分析

传统的天空扫描仪仪器通常由跟踪机制或移动头组成，用于跟踪一组预先编程的离散点，以测量整个天空的辐射和亮度数据。例如，有基于传统 3 自由度机制的天空扫描仪，以及基于四杆机构的初步设计跟踪器。每次扫描大约可以记录均匀分布在天空中的一百个点。然而，这种测量方式的一个问题是仪器绘制整个天空的响应时间，因为在不同视角的两次连续测量之间，大气状况可能会发生变化。

平行机制在相关领域的应用

在过去几十年里，平行机制被广泛应用于跟踪预定轨迹或执行任务，应用领域广泛，包括医学、制造业、包装和太空应用等。平行机制因其速度、精度和有效载荷能力的结合，能够满足各种行业的需求，其应用范围仍在不断扩大。特别是，通过平面机制产生受控运动在机器人和机电一体化领域的成功应用中发挥了重要作用。对传统平面机制的改进仍在不断提出，以实现更高的灵活性和功能生成任务的高精度。这些平面结构的主要优点是可重复性和自动化预定义任务，它们已广泛应用于汽车工业、生物力学等多个领域。

机器人机制合成问题

随着计算机性能的不断提高，解决复杂的优化问题成为可能，例如机器人机制的合成。这是一个复杂的过程，需要确定机制的许多参数，以使其末端执行器实现所需的运动或轨迹。传统上，连杆机构的合成问题可分为三个子问题：路径生成、函数生成和运动生成。四杆连杆机构因其能够实现各种循环路径且结构简单，被广泛用作机制和机电系统优化合成的案例研究。近年来，随着高速计算机的快速发展，基于元启发式优化的轨迹生成方法不断涌现，包括使用传统遗传算法、混合策略、新型算法或完整的软件包等。一些研究旨在比较所提出算法在函数评估次数、计算时间以及目标曲线与生成轨迹之间差异等方面的性能。但在现阶段，这些特性对于优化设计并非最关键的因素，因为它们对改进实际原型的贡献不大。

光污染对航空航天科学的重要性

光污染是由夜间过量的人造光与大气颗粒相互作用引起的，会产生夜间辉光，对环境产生多种影响。早期对光污染的研究主要集中在天文学和大气方面。实际上，历史上天文观测台迁移总部的主要原因之一就是寻找更清洁的天空，以避免光污染带来的视觉干扰。然而，对过度人造照明后果的研究不应仅局限于对天文学的影响，越来越多的研究揭示了夜间异常光量对航空航天科学的影响。

在这种背景下，也有研究试图确定大气对光污染的影响。考虑到光源发出的部分辐射会逃逸到大气中，并在对流层中被吸收和散射，主要是由于气溶胶和水分子的存在，光污染的程度与发射空间的大气条件直接相关。即使假设城市的照明系统在技术化过程中是均匀的，大气空间的差异也会导致产生不同数量和类型的光污染。

由于问题的复杂性，可靠的实验数据获取方法至关重要。在这种情况下，光污染在航空航天领域的一个重要应用是从卫星甚至国际空间站（ISS）收集数据。例如，光污染研究人员经常使用宇航员在国际空间站拍摄的夜间图像作为数据，因为这些图像是有价值的信息来源。使用卫星或国际空间站的遥感数据具有显著优势，因为局部测量需要花费大量时间才能覆盖大面积区域。然而，分析国际空间站的数据时存在一个主要困难，即难以找到适合进行正确光度研究的图像，因为许多图像是白天拍摄的，需要被排除。此外，由于国际空间站没有全球定位系统，数据库中的图像没有分类。

在这种情况下，我们提出的用于测量大气光污染的便携式扫描仪实际上可以成为从国际空间站获取实验数据的有价值来源。宇航员在国际空间站拍摄照片时面临的主要问题是无法选择标准的窗口大小和类型。通常，他们从第一个可用的窗口拍摄照片，但最终的结果会受到噪声（与玻璃的厚度和类型有关）的影响，后期难以处理。因此，最好避免国际空间站内部的任何干扰，并使用一种能够自动测量光污染的设备。我们的建议是在国际空间站外部安装一个便携式扫描仪，该扫描仪可以配备所需的所有传感器，并根据国际空间站的轨道自动测量光污染。

便携式扫描仪的设计方案

本文提出了一种自动合成四杆机构以定位便携式天空扫描仪的方法。通过考虑连杆末端执行器必须覆盖的离散工作空间，制定了一个优化问题，并使用成熟的分布估计算法来解决该问题，该算法将提供 CAD 建模所需的一组设计变量，以实现优化后的重新设计。

四杆机构及离散工作空间描述

四杆连杆机构有一个单一的驱动元件，通过操纵机构的长度和参考位置，可以将末端执行器置于非直观的位置。逆运动学问题有两个解，并且可以以最小的计算量求解。所有这些特性使其成为自动合成的优秀基础设计。同样，便携式天空扫描仪需要一种能够重复循环路径的机制，因此设计任务与所提出的四杆连杆基础设计非常匹配。在图 2 的右侧，可以看到一个由一组精确点预定义的半圆形路径，任务设备应遵循该路径。

四杆机构逆运动学分析

逆运动学问题是在已知驱动角位置 θ2 的情况下，确定末端执行器 C（称为连杆点）的位置。该点在曲柄运动时描述所需路径，其位置可以用向量表示为：
[C_0 = r_2 + r_{cx} + r_{cy}]
这些变量位于局部坐标系 Or 中，通过分解上述方程，可以得到：
[C_{0x} = r_2 \cos \theta_2 + r_{cx} \cos \theta_3 - r_{cy} \sin \theta_3]
[C_{0y} = r_2 \sin \theta_2 + r_{cx} \sin \theta_3 + r_{cy} \cos \theta_3]
为了计算 θ3，可以考虑机构的闭环向量方程：
[r_2 + r_3 = r_1 + r_4]
将上述方程在相对坐标系中按分量展开：
[r_2 \cos \theta_2 + r_3 \cos \theta_3 - r_4 \cos \theta_4 - r_1 = 0]
[r_2 \sin \theta_2 + r_3 \sin \theta_3 - r_4 \sin \theta_4 = 0]

四杆机构设计流程 mermaid 图

graph LR
    A[确定离散工作空间] --> B[制定优化问题]
    B --> C[使用分布估计算法求解]
    C --> D[获取设计变量]
    D --> E[CAD 建模优化设计]

通过以上对研究成果、光污染问题以及便携式扫描仪设计的分析，我们可以看到在机械系统研究和光污染测量领域还有许多工作有待完成，未来的研究将围绕解决现有问题和进一步优化设计展开。

3 四杆机构优化设计用于便携式扫描仪

3.1 优化问题的提出

为了实现便携式天空扫描仪的最佳性能，我们需要对四杆机构进行优化设计。优化的目标是使四杆机构的末端执行器能够精确地沿着预定义的路径移动，以测量大气光污染。具体来说，我们要通过优化四杆机构的长度和参考位置，最小化实际路径与期望路径上各点之间的距离。

3.2 优化算法选择

我们采用 Boltzmann 单变量边际分布算法（BUMDA）来解决这个优化问题。BUMDA 算法会提出具有不同长度和参考位置的四杆连杆机构配置，通过计算每个候选配置下实际路径与期望路径上各点之间的距离之和，作为目标函数的值。同时，还需要满足 Grashof 约束条件，以确保机构的合理性。最终，找到使目标函数值最小的配置，即为最优设计。

3.3 优化设计的优势

这种自动化设计方法具有显著的优势。它减少了人类设计师的工作时间和对经验的依赖，避免了反复试验和错误的设计过程。通过精确确定机电系统的合适尺寸，提高了设计的准确性和效率。

3.4 设计验证

为了验证设计的可行性和准确性，我们进行了 CAD 建模和仿真。CAD 模型可以直观地展示优化后的四杆机构的结构和尺寸，而仿真则可以模拟机构在实际工作中的运动情况。通过对比仿真结果与期望路径，我们可以评估设计的性能。

优化设计步骤列表

1. 确定离散工作空间，明确末端执行器需要覆盖的路径。
2. 制定优化问题，以实际路径与期望路径的距离之和为目标函数，并考虑 Grashof 约束条件。
3. 使用 BUMDA 算法求解优化问题，提出不同的四杆机构配置并计算目标函数值。
4. 选择目标函数值最小的配置作为最优设计。
5. 进行 CAD 建模和仿真，验证设计的可行性和准确性。

优化设计效果表格

评估指标	优化前	优化后
路径误差	较大	极小
设计时间	长	短
经验依赖程度	高	低

4 研究总结与展望

4.1 研究成果总结

• 在机械系统研究方面，虽然目前的研究处于初步阶段，但已经取得了一些有趣的成果。通过优化程序同时考虑所有点进行计算的创新方法，为航空航天工程中结构化物体的研究提供了新的思路。未来的发展方向明确，包括研究不同的断裂机制、改进框架、探索相互作用规则和开发自适应晶格等。
• 在大气光污染测量领域，我们分析了光污染的现状、现有测量仪器的优缺点以及传统天空扫描仪的局限性。提出了使用四杆机构优化设计便携式天空扫描仪的方法，并通过自动化设计和 CAD 建模、仿真验证了其可行性和准确性。

4.2 研究意义

这项研究对于航空航天科学和环境保护都具有重要意义。在航空航天方面，便携式扫描仪可以为从国际空间站获取光污染数据提供可靠的手段，避免了宇航员拍摄照片时的诸多问题。在环境保护方面，准确测量光污染有助于我们更好地了解其对环境和生物的影响，从而采取有效的措施进行治理。

4.3 未来研究方向

• 在机械系统研究中，进一步深入研究材料参数与工具选择的关系，完善三维工具的代码优化，以提高计算效率。同时，加强对不同断裂机制和相互作用规则的研究，为实际应用提供更坚实的理论基础。
• 在便携式扫描仪设计方面，不断优化四杆机构的设计，提高其测量精度和稳定性。探索更多的传感器组合，以获取更全面的光污染数据。此外，还可以考虑将扫描仪与其他监测设备集成，实现更智能化的监测系统。

未来研究计划 mermaid 图

graph LR
    A[机械系统研究] --> B[深入研究材料参数与工具关系]
    A --> C[完善三维工具代码优化]
    A --> D[加强断裂机制和相互作用规则研究]
    E[便携式扫描仪设计] --> F[优化四杆机构设计]
    E --> G[探索更多传感器组合]
    E --> H[集成其他监测设备]

通过对机械系统和大气光污染测量的研究，我们不仅取得了一定的成果，还为未来的研究指明了方向。随着技术的不断发展和研究的深入，我们有望在这两个领域取得更大的突破，为航空航天科学和环境保护做出更大的贡献。