面向空間平面相控陣天線的可展開折紙結構生成式設計 | CJME張啟先院士誕辰100周年紀念專刊論文推薦

引用論文

Wang, Y., Zhao, Y., Han, B. et al. Generative Design of Deployable Origami Structures for Space Planar Phased Array Antennas. Chin. J. Mech. Eng.38, 126 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01301-y

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01

研究背景及目的

相控陣天線因具備波束快速調控、多目標跟蹤等優勢，在星載通信與合成孔徑雷達等領域得到廣泛應用，相關任務需求也推動其向大口徑方向持續演進。面對星載平臺對天線大尺寸與高折疊效率的雙重要求，傳統折疊設計方法因解空間龐大、計算效率低下，已難以滿足復雜構型的快速優化需求。為此，本文提出一種基于波函數坍縮算法（WFC）的前向香農熵波函數坍縮方法（FSE-WFC），首次將該類算法引入一維可展開相控陣天線的面板構型設計中。該方法通過引入信息熵約束指導構型生成，并結合組合優化與約束篩選策略，有效壓縮解空間，提升搜索效率。在滿足碰撞、干涉等機械約束條件的前提下，實現折疊包絡體積最小化與算法計算效率的同步提升。

02

試驗方法

本文圍繞空間平面相控陣天線的折疊構型優化問題，開展了三項主要工作：開發構型優化程序、開展數值優化試驗，并進行物理樣機驗證實驗。構型優化程序研究采用分步約束優化策略：首先建立五類基礎面板連接構型（A-E型），如表1所示，通過初始位置約束限定首塊面板與星體的兩種連接方式。

其次構建碰撞約束（避免面板重疊）與干涉約束（防止運動路徑沖突）規則庫，篩選出23種有效雙字符組合，如圖1所示。

圖一雙面板組合連接關系拓撲圖

最后提出圖二所示的前向香農熵波函數坍縮算法（FSE-WFC）。該算法通過計算候選組合的信息熵來選擇熵值最低的構型，并結合遺傳算法的變異操作對選定構型進行迭代優化。

圖2 基于FSE-WFC算法的面板配置生成方法流程圖

在試驗階段，針對350mm/600mm兩種衛星高度的典型場景，應用上述方法進行構型設計與包絡面積評估。最終，選定七單元 (E)DEDECA 構型制作物理樣機，配置扭簧驅動鉸鏈開展五次展開實驗，同步進行動力學仿真對比，實驗數據顯示展開過程未發生干涉，驗證算法的工程適用性。

本研究基于FSE-WFC算法對一種單側為7面板的一維對稱可展開相控陣天線的折疊構型進行了優化設計，并取得了顯著的性能改進。研究中針對高度為 350 mm 的衛星模型，采用 FSE-WFC 算法優化后，天線折疊構型的包絡面積由 3.21 m2 降至 2.62 m2，減少了 18.3%；針對 600 mm 高度的衛星模型，包絡面積從 4.43 m2 降至 3.09 m2，減少了 9.0%。所有優化結果均滿足結構連接與展開的約束條件。

圖3 兩種優選配置方式，左圖為350 mm高衛星的配置方案((E)DEDECD)，右圖為600 mm高衛星的配置方案((E)DEDECA)

計算復雜度從窮舉法的O(n×5^n)降至O(n2)，當n=6時計算時間顯著減少（圖15）。此外，物理樣機驗證采用七單元（E）DEDECA 構型開展了五次重復實驗。實驗結果表明，展開過程與仿真結果高度一致；僅在t = 0.5 s 時，仿真結果與實驗結果之間出現輕微差異，主要源于面板5–6連接處的輕微裝配公差。總體而言，整體展開過程順暢，五次實驗均未發生機械干涉，驗證了該構型設計的可靠性與工程適應性。

圖4 FSE-WFC算法與遍歷算法的計算量對比圖

圖5 FSE-WFC算法與遍歷算法的計算時間對比圖

圖6 仿真和物理原型開發流程

03

結論

本研究提出一種基于波函數坍縮算法（WFC）的面板構型優化方法，用于解決一維可展開相控陣天線在折疊構型設計中面臨的排列選擇過多與計算成本過高的問題。通過引入初始位置、碰撞與干涉等多層級約束，并結合信息熵計算與邊界篩選機制，有效縮小了解空間，提升了構型的可行性與緊湊性。算法在包絡面積與運算效率方面均實現顯著優化，為可展開天線結構的高效設計提供了實用的技術路徑。未來可進一步拓展該方法至多維或不規則面板構型，并引入自適應優化策略，以增強算法的通用性和工程適用性。

04

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關于團隊

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團對帶頭人介紹

趙永生教授、博士生導師，全國優秀教師，原燕山大學副校長，燕山大學國家重點學科——機械電子工程學科學術帶頭人之一、河北省并聯機器人與機電系統重點實驗室實驗室主任、機械工業并聯機構及裝備基礎重點實驗室實驗室主任、中國機械工業教育協會應用型本科機械工程分委會委員、河北省高等學校機械類教學指導委員會副主任委員、中國機械工程學會機械工業自動化分會常務委員、 中國自動化化學會制造技術專業委員會委員、中國自動化學會機器人專業委員會委員、河北省科學院學術委員會委員等。長期從事并聯機構理論與技術研究，主要研究方向包括先進制造技 術 、 傳感器技術 、 機器人技術 等。

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團隊研究方向介紹

燕山大學機器人團隊傳承深厚的科研積淀，立足基礎研究，始終以服務國家重大需求和推動前沿技術發展為目標，持續拓展機器人技術的理論深度與應用邊界，推動學科交叉與技術創新。數十年來在黃真教授、趙永生教授等機器人機構學專家的指導與引領下，圍繞并聯機器人裝備、多環耦合航天機構、多維力感知技術、軟體機器人技術等研究方向，形成了鮮明的研究特色和完整的技術體系。

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作 者：王奕航等

責任編輯：惲海艷

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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