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文档简介
1、南京航空航天大学国家大学生创新性实验计划项目申报表项目名称:飞机结结构健康康监测及及强度试试验用智智能无线线传感网网络系统统 申 请 人人: 王子龙龙 项目所属一一级学科科名称: 航空宇宇航科学学与技术术 专 业: 飞行行器设计计与工程程 学 号: 011061104335 身份证号: 321108111988803301884166 联系电话: 15995200119910 电 邮: hjffd6441xssc 指导教师: 袁慎慎芳 职称 教授 指导教师联联系电话话: 0225-88489934660 指导教师电电邮: ysffn 申请日期: 220088 年 100 月月 10 日 南京航
2、空航航天大学学教务处处 项目简况项目名称飞机结构健健康监测测及强度度试验用用智能无无线传感感网络系系统项目类别A、科学实实验和科科技制作作、科研研类; B、学术术论文、社社会调查查类;C、其他类类; ( A )申请资助经费300000元项目起止时时间2008年年11月1日 20009年11月30日项目负责人姓 名王子龙学 号01061104335性 别男民 族汉族出生年月1988.03.01学 院院一院专 业飞行器设计计与工程程年 级本科三年级级必修课平均均学分绩绩点3.7033电 话15952201119100电 邮hjfd6641xxscn第一指导教师情况个人简历姓名 性别民族职称出生年月
3、主要研究方方向袁慎芳女汉族教授1968.4传感测控技技术结构构健康监监测最后学位博士最高学历博士主要教学工作90年以来来,一直直从事结结构健康康监测、传传感器与与信号处处理、测测控技术术和实验验力学的的科研与与教学工工作;获获国家优优秀教学学成果二二等奖11项。主要科学研研究工作作2002获获博士生生导师资资格。先先后主持持国家8863项项目,国家自自然科学学基金项项目,教教育部“新新世纪优优秀人才才”支持持项目、预预研项目目、航空空基金、江苏省省创新人人才基金金等其他他省部级级项目88项。作为为主要参参加者参参加了国国家自然然科学基基金重点点项目及及基国防预预研项目目等近330项国国家及省省
4、部级项项目。由由国防出出版基金金资助出出版专著著结构构健康监监控,作作为主要要编著人人编著了了专著智智能材料料结构,发发表文章章80余余篇,其其中500余篇被被SCII、EII及ISSTP收收录。申申请国家家发明专专利8项项,已获获授权22项。220022年被中中国知识识产权局局及中国国妇联联联合授予予“巾帼帼优秀发发明者”称称号。220033年被评评为江苏苏省优秀秀科技工工作者。220055年入选选教育部部“新世世纪优秀秀人才计计划”。项目组主要成员姓 名名性别学号所在学院项目分工签字联系电话张红男01061107335航空宇航学学院节电电路,硬硬件张红15850051009077秦显慧男0
5、3062204334自动化学院院网络协议,软软件秦显慧15950051998400其他指导教教师简况况姓 名名性别所在学院研究方向项目分工签字联系电话1.项目研研究的内内容、目目的和意意义、具具体目标标等无线传感器器网络是是由大量量依据特特定的通通讯协议议,可进进行相互互通信和和协作的的智能无无线传感感器节点点组成的的网络。无线传感器网络有着广泛的应用前景,飞机结构的强度试验和健康监测也是该技术的一个重要应用领域。在航空领域,机体结构是各类军用飞行器发展必不可少的平台,结构强度性能是确保飞行器先进结构、机构可实现和保证飞行安全并满足战技指标的最主要的关键技术之一,其技术发展水平和解决关键技术难
6、题的积累直接关系到先进飞行器平台研制的成败。飞机结构的的静力/疲劳实实验是研研究飞行行器结构构强度的的重要手手段。飞飞机结构构试验通通过有计计划地对对结构受受载后的的性能进进行观测测和对测测量参数数如压力力、位移移、振幅幅、振频频、疲劳劳寿命等等进行分分析,对对结构的的工作性性能和承承载能力力做出正正确的评评价和估估计,并并为验证证和发展展结构的的计算理理论提供供可靠的的依据。飞飞机结构构的静力力/疲劳劳实验技技术的发发展已有有一定的的历史,积积累了一一定的经经验,尤尤其是飞飞机静力力试验方方法。但但目前随随着航空空科学技技术的飞飞速发展展,飞机机结构设设计思想想不断更更新,轻轻质、高高可靠性
7、性、高机机动性、高高维护性性、高生生存力、超超音速巡巡航、隐隐身、大大航程和和短距起起落的综综合要求求已成为为现代军军用飞机机结构设设计的一一项极为为重要而而且必须须遵循的的准则。这这些性能能要求使使得结构构材料面面临更加加恶劣的的使用环环境,也也为飞机机结构的的静力/疲劳实实验提出出了新的的要求。目目前飞机机结构的的静力/疲劳实实验普遍遍存在测测量点多多、规模模大等特特点,因因此造成成了引线线复杂、附附加重量量大等问问题;此此外,试试验系统统整体的的智能化化、网络络化程度度不高,使使得飞机机静力/疲劳试试验的整整体效率率不高,测测量精度度有待改改进,费费用有待待降低。另另一方面面,在线线实时
8、地地对结构构状态进进行监测测的结构构健康监监测技术术近年来来一直是是研究的的热点,结结构健康康监测技技术则利利用集成成在结构构中的先先进传感感/驱动动元件网网络,在在线实时时地获取取与结构构健康状状况相关关的信息息(如应应力、应应变、温温度等),并结结合先进进的信号号信息处处理方法法和结构构力学建建模方法法,提取取结构特特征参数数,识别别结构的的状态。结结构健康康监测技技术对于于提高航航空航天天飞行器器结构、国国防武器器装备结结构的安安全性、延延长结构构寿命、降降低结构构维护费费用具有有重要的的意义,但但由于需需要将大大量传感感元件同同结构集集成,因因此也迫迫切需要要降低附附加重量量、提高高系
9、统运运行速度度及精度度的有效效方法。无线传感器器网络为为实现高高效率、高高精度、低低重量、智智能化的的飞机结结构静力力/疲劳劳实验系系统和健健康监测测系统提提供了很很好的手手段。采采用无线线传感器器网络将将大大减减少器件件引线数数量,从从而大大大降低由由于增加加测试系系统所导导致的结结构重量量的增加加;无线线传感器器可方便便地安装装于结构构形状比比较复杂杂,不便便于引线线的部位位;由于于无线传传感器网网络节点点具有局局域信号号处理功功能,很很多信号号信息处处理工作作可在传传感节点点附近局局部完成成,将大大大减少少所需传传输的信信息量,并并将原来来由中央央处理器器实现的的串行处处理、集集中决策策
10、的系统统,变为为一种并并行的分分布式信信息处理理系统,将将大大提提高试验验系统的的运行速速度及决决策的可可靠性和和灵活性性。本项目将针针对大型型结构健健康监测测和静力力疲劳劳试验系系统的要要求及特特点,研研究适合合于结构构健康监监测和静静力疲疲劳试验验的智能能无线传传感器节节点的实实现;传传感器网网络的组组织结构构、网络络通信协协议的实实现方法法及设计计理论;基于智智能无线线传感网网络的静静力疲疲劳试验验方法,相关研究进展对于减少结构健康监测和静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度和效率、降低费用具有重要的意义。无线传感器网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的飞机结构静力疲劳实验系统
11、和健康监测系统提供了很好的手段。2.国内外外的研究究状况(8800字字左右,附附不少于于8篇参参考文献献)无线传感器器网络的的最初研研究来源源于美国国军方。美美国国防防先进研研究计划划局(DDARPPA)于于20001年在在“网络嵌嵌入式软软件技术术”(Neetwoork embbeddded sofftwaare tecchnoologgy)项项目的支支持下,资资助加州州伯克力力大学开开发了名名为“Smaart Dusst”(智能能灰尘)或或“Motte”的无线线传感器器开发系系统,从从那时期期起到现现在,DDARPPA每年年都投入入几千万万美元进进行无线线传感器器网络技技术的预预研11。2
12、20022年8月月初,美美国国家家科学基基金委(NNSF)、DDARPPA、航航空航天天局(NNASAA)等112个重重要研究究机构在在加州伯伯克利大大学联合合召开了了“未来传传感系统统”国家研研讨会,旨旨在探讨讨未来传传感器系系统及其其在工程程应用中中的前沿沿发展方方向。会会议讨论论认为无无线传感感器网络络的实现现及其传传感数据据的传输输、分析析及决策策技术的的研究同同基于微微机械、纳纳米技术术的新型型传感技技术一样样,代表表着未来来传感器器研究的的前沿方方向,并并且对于于战场信信息感知知、国土土安全与与反恐战战争、大大型结构构健康监监测及强强度实验验等工程程应用领领域具有有极其重重要的研研
13、究意义义2。基于于该次会会议的讨讨论,美美国NSSF于220033年初,由由工程学学部及计计算机与与信息工工程学部部联合发发布了传传感及传传感器网网络研究究指南,投投资34400万万美元用用于支持持该方面面的基础础研究,着着重将无无线传感感器网络络的实现现及其传传感数据据的传输输、分析析及决策策技术列列入了鼓鼓励研究究方向,正正是基于于这样的的背景,国国外掀起起了一股股无线传传感器网网络的研研究热潮潮。目前前的研究究表明:无线传传感网络络系统可可以广泛泛应用于于国防军军事、国国家安全全、环境境科学、交交通管理理、医疗疗卫生、反反恐、灾灾害监测测等领域域。由于于它的巨巨大应用用价值,已已经得到到
14、了许多多国家的的军事部部门、工工业界的的极大关关注33-122。在国内,无无线传感感网络的的研究已已经起步步,清华华大学、中中科院沈沈阳自动动化研究究所、中中科院合合肥智能能所等单单位已开开始进行行这方面面的研究究133-144。针针对结构构健康监监测和飞飞机静力力/疲劳试试验的研研究,国国内几乎乎是空白白,南京京航空航航天大学学、哈尔尔滨工业业大学,都都开展了了一些前前期的探探索115-116,其其中南京京航空航航天大学学航空科科技智能能材料与与结构重重点实验验室已初初步研制制了自己己的节点点,但总总体上,国国内这方方面的研研究还处处起步阶阶段,同同国外水水平有一一定差距距。参考文献: HY
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21、业控制制计算机机,20007,99。桑海泉,康康荣学,无无线传感感网络在在安全生生产中的的应用,中中国安全全生产科科学技术术,20007,55。任丰原,黄黄海宁,林林闯(220033),无无线传感感器网络络,软件件学报,114(77):11282212291。马祖长,孙孙怡宁,梅梅涛(220044),无无线传感感网络综综述,通通信学报报,255(4): 1114-1244。赖小松,袁袁慎芳, 嵌入入式Add hooc 无无线传感感器的载载荷定位位研究,测测控技术术,20004,112,88-100。叶伟松,袁袁慎芳,无无线传感感网络在在结构健健康监测测中的应应用,传传感技术术学报,220066
22、,033。3.研究方方法、研研究方案案及可行行性(理理工类项项目填写写技术路路线和技技术指标标)研究方法及及方案:1). 智智能无线线传感节节点硬件件的研究究节点的实现现包括硬硬件与软软件两部部分,节节点的硬硬件由信信号调理理电路、AA/D转转换器、微微处理器器及其外外围电路路、射频频电路、电电源及其其电源管管理电路路组成。节节点的设设计将采采用以下下方法:a).微处处理器的的选择。无无线传感感节点可可采用的的微处理理器种类类很多,有有Mottoroola的的68HHC166系列,基基于ARRM的嵌嵌入式处处理器,AAtmeel的AAVR系系列,TTI的MMSP4430等等,研究究中将对对以上
23、系系列芯片片进行性性能对比比,并参参考国外外无线传传感节点点的进展展情况,选选取合适适的微处处理器芯芯片。b).在国国外已经经建立起起来的无无线传感感器网络络中,多多数传感感器节点点的通信信电路硬硬件设计计是基于于射频电电路,使使用31159916MMHz、22.4GGHz 及5.8GHHz 的的频段。在在本项目目的研究究中,将将比较上上述频段段,依据据低功耗耗、高可可靠性、传传输距离离在800-1550米之之间的要要求确定定所使用用的频段段及相应应的射频频电路,同时着重考虑低功耗的原则。c).为压压电元件件及加速速度传感感器提供供电荷放放大器、高高通滤波波器等调调理电路路,为电电阻应变变元件
24、提提供桥路路、高通通滤波器器等调理理电路,为为位移计计等放大大电路等等转换电电路。为为无线传传感节点点设计信信号发生生电路,可可产生LLambb波、正正弦、脉脉冲等常常用主动动监测激激励信号号,以适适应主动动监测的的需求。d).为了了能够组组建适用用于大型型结构健健康监测测和静力力/疲劳试试验的无无线传感感网络,节节点必须须满足尺尺寸小和和低功耗耗的要求求。在本本项目的的节点设设计中,将将选择采采用小体体积的集集成芯片片和多层层抗干扰扰电路设设计技术术,使得得节点尺尺寸在44.03.00cm以以内;同同时选择择采用低低功耗的的集成芯芯片和分分立元件件设计电电路,配配合低功功耗软件件设计技技术使
25、得得节点在在休眠模模式下能能够达到到一年的的工作寿寿命。项项目研究究中,还还将探索索采用MMEMSS方法,实实现尺寸寸更小的的无线传传感节点点。2).智能能无线传传感节点点软件操操作系统统及网络络组织结结构a).节点点的软件件部分主主要包括括操作系系统与协协议实现现。Beerkeeleyy为Miica专专门开发发了TiinyOOS操作作系统,其其他可应应用于无无线传感感网络的的操作系系统有uuCoss以及uuCLiinixx,或者者又需要要把这几几种操作作系统综综合运用用。在研研究无线线传感器器节点时时将比较较这些操操作系统统的性能能,以选选择更适适合静力力/疲劳试试验和结结构健康康监测中中无
26、线传传感网络络的操作作系统。另另外,低低功耗的的问题也也涉及软软件实现现的方法法。软件件同时应应提供电电源管理理功能,以以尽可能能充分降降低节点点功耗。b).无线线传感网网络可采采用分级级结构,在分级结构中,网络被分为簇,每个簇又由一个簇头和多个簇成员组成,这些簇头形成了高一级的网络。在高一级的网络中,又可以分簇,再次形成更高一级的网络,直至最高级。在分级的结构中,簇头结点负责簇间数据的转发,它可以预先指定,也可以由结点使用算法选举产生。每个网络簇中都包含传感节点,路由处理节点和接收节点三个部分。传感节点的任务是根据传感点需要采集不同的所需要的物理量,如温度,压力,湿度等等,路由节点主要负责网
27、络的路由,接收节点主要负责信号的接收和处理。为降低对每个节点的功耗需求,可采用多跳路由的方式进行网络簇之间的连接。3).无线线传感网网络的网网络协议议的研究究a). 对对面向结结构健康康监测和和静力/疲劳试试验的无无线传感感网络的的网络协协议,将将分为基基础层、网网络层、数数据管理理与处理理层、应应用开发发环境层层和应用用层。基基础层以以传感器器集合为为核心,包括每每个传感感器的软软、硬件件资源。基基础层的的功能包包括监测测感知对对象、采采集感知知对象的的信息、传传输发布布信息以以及初步步的信息息处理。网网络层以以通信网网络为核核心,功功能是实实现传感感器与传传感器、传传感器与与用户之之间的通
28、通信,网网络层包包括通信信网络、支支持网络络通信的的各种协协议和软软、硬件件资源。数数据管理理与处理理层是以以数据管管理与处处理软件件为核心心,包括括支持数数据的采采集、存存储、查查询、分分析等各各种数据据管理,为用户户决策提提供有效效的帮助助。应用用开发环环境层作作为最底底下的三三层和应应用层之之间的过过渡,为为用户能能够在基基础层、网网络层和和数据管管理与处处理层的的基础上上开发各各种传感感器网络络应用软软件提供供有效的的软件开开发环境境和软件件工具。应应用层由由各种网网络应用用软件系系统构成成。b). ZZigbbee是是在原有有IEEEE 8802.15.4 CComppliaant
29、Raddio协协议的基基础上由由Embber, Frreesscalle, Honneywwelll, IInveensyys, Mittsubbishhi, Mottoroola, Phhiliips andd Saamsuung等等八个公公司联合合提出并并改进的的世界上上第一个个专为实实现远地地测控无无线传感感网络而而设计的的网络协协议,这这个协议议的最大大优点就就是比较较好的考考虑了无无线传感感网络的的功耗问问题,同同其他已已有的协协议相比比,如蓝蓝牙、IIEEEE 8002.111,该该协议可可有效降降低无线线传感网网络的功功耗。另另外该协协议的安安全性、容容错性也也较好,适适合节点点
30、数目较较多的网网络。在在本项目目的研究究中,将将研究并并应用ZZigbbee协协议,并并比较今今后可能能出现的的其他协协议,应应用于结结构健康康监测和和静力/疲劳试试验系统统中的无无线传感感网络。4). 基基于智能能无线传传感网络络的静力力疲劳劳试验方方法、准准则及健健康监测测方法a). 参考军军机结构构静力疲劳试试验大纲纲及规范范,设计计基于智智能无线线传感网网络的静静力疲疲劳试验验流程; 对传传感网络络多节点点的测试试采用物物理时钟钟同步方方法进行行同步,同同时研究究飞机结结构静力力疲劳劳试验时时的加载载与网络络节点测测试的协协调方法法。b). 参参考常规规结构健健康监测测方法,研研究基于
31、于智能无无线传感感网络的的的结构构状态监监测及损损伤识别别方法。5). 基基于智能能无线传传感网络络的静力力/疲劳和和结构健健康监测测实验研研究依托中航一一集团全全尺寸飞飞机结构构静力/疲劳航航空科技技重点实实验室,选选取典型型的航空空结构试试验件,如如飞机大大型壁板板、盒段段,进行行上述无无线传感感网络技技术在结结构健康康监测和和静力/疲劳试试验中的的功能验验证,同同时通过过实验,研研究对无无线传感感器网络络性能的的评价方方法,通通过实验验完善基基于智能能无线传传感网络络的静力力疲劳劳试验方方法、准准则及健健康监测测方法。可行性分析析:研究思想为为申请者者在研究究了所在在实验室室相关课课题组
32、成成员所积积累的经经验的基基础上提提出的,这这些经验验包括了了十几年年有关结结构健康康监测的的研究经经验及对对无线传传感网络络在国内内外最新新研究进进展的把把握。研研究方案案也参考考了大量量国际上上无线传传感网络络技术的的最新进进展,方方法比较较成孰。申申请者的的指导老老师及相相关课题题组成员员一直长长期从事事结构健健康监测测、传感感技术、信信号信息息处理及及人工智智能等方方面的研研究,在在这方面面具有较较丰富的的经验并并已取得得不少进进展,其其中在结结构健康康监测方方面的研研究成果果先后获获国家发发明三等等奖1项项及其他他省部级级科技进进步奖66项,这这些进展展有一些些可在本本项目的的研究中
33、中加以应应用。课课题的前前期准备备充分,申申请者所所在的课课题组较较熟悉国国外的相相关产品品。申请者所在在实验室室已于220022年从美美国Crrosss Boow公司司购买了了2套MMOTEE MIICA无无线传感感器开发发平台,220044年又购购买了22套MOOTE MICCAZ系系统,为为实践实实验方案案提供了了良好的的平台。课课题组成成员已熟熟悉该套套系统的的全部性性能及相相关TiinyOOS软件件操作系系统。申申请者所所在实验验室已经经利用该该无线传传感网络络系统同同多主体体协作技技术结合合初步构构成了一一个分布布式结构构健康监监测,实实现了结结构连接接件失效效和集中中载荷的的定位
34、监监测,该该系统已已于20004申申请了国国家发明明专利(专专利申请请号: 2000410006556677.6 )。申请者所在在课题组组已经在在完全熟熟悉Moote软软硬件的的基础上上,初步步研制出出我们自自己的无无线传感感节点,图一为所初步研制的无线传感节点照片,这套系统的性能与Mica系统相当。申请者参与了这套无线传感节点的研制工作,主要参与了A/D转换器、信号调理电路、电源及其电源管理电路的设计和封装工作,有基于此基础开发创新的能力。图一 初步步研制的的无线传传感器节节点本项目组所所在的南南京航空空航天大大学航空空科技智智能材料料与结构构重点实实验室长长期以来来一直集集中从事事智能材材
35、料结构构方面的的研究,取取得了一一批高水水平研究究成果,同同德国宇宇航院、美美国斯坦坦福大学学、马里里兰大学学、伊利利诺伊大大学、加加拿大航航空航天天研究院院、印度度宇航院院等国际际同行建建立有长长期合作作交流关关系。这这些国际际合作非非常有助助于课题题组了解解最新国国际研究究动态,不不断完善善研究方方案。此此外课题题组成员员以思想想活跃,精精力充沛沛的青年年人为主主,为课课题的完完成提供供了人员员的保障障。因此此本项目目的研究究是可行行的。4.项目的的特色与与创新点点(500字以内内)研究无线传传感器网网络技术术应用于于结构健健康监测测和强度度试验的的新方法法,针对对飞机静静力/疲劳试试验展
36、开开探索以以弥补领领域空白白。5.对项目目的兴趣趣所在和和已有的的知识积积累或实实践基础础申请者和课课题组成成员通过过大一、大大二两学学年的学学习,已已经掌握握了模拟拟电路、数数字电路路、材料料力学及及C+等程序序语言等等与所申申请的项项目研究究相关的的各科知知识。其中,课题题组成员员秦显慧慧已经大大量阅读读学习了了有关网网络协议议、编写写程序等等方面的的资料,并并且有过过硬的编编程能力力,开始始尝试编编写无线线节点接接收发送送所需协协议;成成员张红红通过阅阅读相关关书籍,熟熟悉了电电路设计计应用软软件的使使用方法法以及了了解了节节点的理理论结构构后,已已经进入入实验室室开始了了设计工工作。申
37、请者已经经在南京京航空航航天大学学智能材材料研究究所参与与研究工工作了一一段时间间,对这这个项目目已经比比较熟悉悉。在此此期间,申申请者参参与了已已经初步步研制出出的无线线传感节节点的研研制工作作,主要要参与了了A/DD转换器器、信号号调理电电路、电电源及其其电源管管理电路路的设计计和封装装工作,有有基于此此基础开开发创新新的能力力。申请请者已有有研究成成果以会会议文章章的形式式在国内内会议上上交流汇汇报,近近期的会会议有由由交通部部科教司司组织召召开的“大跨径径桥梁结结构损伤伤预警及及状态评评估技术术研讨会会”。申请请者目前前正在参参加开发发高精度度无线传传感器节节点的研研究,预预期达到到测试精精度达到到0.11%,测测量范围围达50000微应应变。申申请者和和课题组组成员对对所申请请项目涉涉及的领领域非常常感兴趣趣,并且且在这个个项目上上投入了了很大的的热情和和精力,努努力做出出创新的的成果,获获得预期期的成绩绩。申请者的指指导老师师及所在在实验室室
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