一種低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法。該方法應(yīng)用Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)，將風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒閯傮w并測得剛體歐拉角，通過剛體歐拉角解算模型姿態(tài)角，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S實(shí)時姿態(tài)角的測量；同時采用主從站結(jié)構(gòu)的同步采集方案，實(shí)現(xiàn)了模型姿態(tài)角與風(fēng)洞試驗(yàn)其它信號（如天平信號）的同步測量。該測量方法經(jīng)過多項(xiàng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，精準(zhǔn)度、實(shí)時性和同步性滿足試驗(yàn)要求。
【專利說明】一種低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)洞試驗(yàn)中模型姿態(tài)角測量方法，尤其是一種低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S 實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)洞試驗(yàn)中，模型（航空或航天飛行器等）姿態(tài)角測量的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到試驗(yàn) 數(shù)據(jù)的質(zhì)量和特性。在測力試驗(yàn)中，由于模型重量較大，名義姿態(tài)角和真實(shí)姿態(tài)角之間的誤 差導(dǎo)致因扣除模型自重所產(chǎn)生的氣動量誤差是相當(dāng)大的。采用連續(xù)掃描技術(shù)可以提高試驗(yàn) 數(shù)據(jù)質(zhì)量和運(yùn)行效率，但前提是必須跟氣動載荷同步獲得模型實(shí)時迎角和實(shí)時側(cè)滑角。在 大振幅動態(tài)試驗(yàn)及動導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中，振幅和與風(fēng)載信號的相位差直接關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性。由于支桿彈性變形以及裝置機(jī)械間隙影響，首先在振動幅值的測量上存在較大誤差，因 而直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量；其次，測得的位移及角度信號與模型真實(shí)運(yùn)動之間存在時間 滯后，會對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的氣動載荷與模型姿態(tài)間增加一個附加的相位，直接影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)度，在 多自由度強(qiáng)迫振動時更加明顯。因此，對于模型姿態(tài)角的準(zhǔn)確測量和同步測量直接關(guān)系到 風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升，關(guān)系到氣動研究評估綜合能力的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是建立一種模型三維實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法。
[0004] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于成熟的商業(yè)化平臺一Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)， 建立風(fēng)洞坐標(biāo)系和模型剛體，并實(shí)時測量得到模型剛體坐標(biāo)系在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的歐拉旋轉(zhuǎn) 角。通過歐拉角獲得模型機(jī)體坐標(biāo)系到風(fēng)洞坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，從而獲得機(jī)體坐標(biāo)系下任 意點(diǎn)、線、面在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的解析表達(dá)式。根據(jù)模型姿態(tài)角的定義，應(yīng)用空間幾何解析方 法推導(dǎo)得到姿態(tài)角的計(jì)算公式。利用Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)的同步接口，使該設(shè)備接 收外部觸發(fā)或時鐘信號，從而實(shí)現(xiàn)模型三維實(shí)時姿態(tài)角的同步測量。
[0005] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是選擇基于光學(xué)非接觸測量技術(shù)的可同步的測量設(shè)備，從歐拉 旋轉(zhuǎn)角和模型姿態(tài)角的定義出發(fā)，應(yīng)用空間幾何解析方法獲得推導(dǎo)公式，滿足工程應(yīng)用需 求。該方法具有精準(zhǔn)度高、實(shí)時性好、采樣頻率高、可外同步等特點(diǎn)，可同時獲得模型的俯仰 角、側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角，克服了接觸式測量方法（如傾角傳感器、電位計(jì)等）受到吹風(fēng)振動、彈 性支桿變形等因素的影響造成測量誤差的問題，且不受模型姿態(tài)運(yùn)動結(jié)構(gòu)的限制。
[0006] 該方法應(yīng)用于低速風(fēng)洞試驗(yàn)中，軍事和經(jīng)濟(jì)效益顯著。應(yīng)用于常規(guī)測力試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn) 了縱向和橫向的連續(xù)掃描，相對于步進(jìn)試驗(yàn)而言，不僅獲得了試驗(yàn)角度范圍內(nèi)的全部氣動 數(shù)據(jù)，還顯著節(jié)約了時間和電能，提高了試驗(yàn)效率；應(yīng)用于多自由度動穩(wěn)定性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了 俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航耦合振蕩運(yùn)動模式下的模型三維實(shí)時姿態(tài)角測量，為掌握戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)雜機(jī)動 條件下的氣動穩(wěn)定性能提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。該方法的發(fā)明填補(bǔ)了低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?維實(shí)時姿態(tài)角高精度同步測量這一空白。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0008] 圖1是剛體歐拉角定義；
[0009] 圖2是模型姿態(tài)角定義。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0011] 本發(fā)明所述的同步測量方法通過以下具體步驟實(shí)施。
[0012] 步驟一：利用Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)建立風(fēng)洞坐標(biāo)系和模型剛體，實(shí)時測量 得到模型剛體在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的歐拉旋轉(zhuǎn)角。
[0013] 步驟二：利用剛體歐拉角獲得剛體坐標(biāo)系到風(fēng)洞坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0014] 剛體歐拉角為按繞Z軸、Y軸、X軸順序的旋轉(zhuǎn)角Φ、θ、ψ，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)前 后的剛體坐標(biāo)系到風(fēng)洞坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0015]
[0016] 將上式整理為：

【權(quán)利要求】
1. 一種低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S實(shí)時姿態(tài)角同步測量方法，其特征為所述測量方法包括 以下步驟： 步驟一：利用Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)建立風(fēng)洞坐標(biāo)系和模型剛體，實(shí)時測量得到 模型剛體在風(fēng)洞坐標(biāo)系下的歐拉旋轉(zhuǎn)角； 步驟二：利用剛體歐拉角獲得剛體坐標(biāo)系到風(fēng)洞坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣； 步驟三：根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ透┭鼋堑亩x，求得機(jī)體縱軸與水平面的夾角值； 步驟四：根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)滑角的定義，求得機(jī)體縱軸在水平面的投影與風(fēng)洞試驗(yàn) 段縱軸的夾角值； 步驟五：根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐L轉(zhuǎn)角的定義，求得機(jī)體堅(jiān)軸與通過機(jī)體縱軸的鉛垂平面 的夾角值； 步驟六：采用主從站結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)Optotrak光學(xué)位移測量系統(tǒng)的外觸發(fā)同步采集。
【文檔編號】G01M9/06GK104122066SQ201410321755
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】顧藝, 溫渝昌, 車兵輝, 張鵬, 倪章松, 黃勇, 張衛(wèi)國, 孫海生, 黃明其, 姜裕標(biāo), 祝明紅, 查霄虹 申請人:中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所