一种低速风洞试验模型三维实时姿态角同步测量方法技术

技术编号:10576991 阅读:228 留言:0更新日期:2014-10-29 10:48
本发明专利技术公开了一种低速风洞试验模型三维实时姿态角同步测量方法。该方法应用Optotrak光学位移测量系统,将风洞试验模型建为刚体并测得刚体欧拉角,通过刚体欧拉角解算模型姿态角,实现了风洞试验模型三维实时姿态角的测量;同时采用主从站结构的同步采集方案,实现了模型姿态角与风洞试验其它信号(如天平信号)的同步测量。该测量方法经过多项风洞试验验证,精准度、实时性和同步性满足试验要求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。该方法应用Optotrak光学位移测量系统,将风洞试验模型建为刚体并测得刚体欧拉角,通过刚体欧拉角解算模型姿态角,实现了风洞试验模型三维实时姿态角的测量;同时采用主从站结构的同步采集方案,实现了模型姿态角与风洞试验其它信号(如天平信号)的同步测量。该测量方法经过多项风洞试验验证,精准度、实时性和同步性满足试验要求。【专利说明】
本专利技术涉及风洞试验中模型姿态角测量方法,尤其是一种低速风洞试验模型三维 实时姿态角同步测量方法。
技术介绍
风洞试验中,模型(航空或航天飞行器等)姿态角测量的准确度直接关系到试验 数据的质量和特性。在测力试验中,由于模型重量较大,名义姿态角和真实姿态角之间的误 差导致因扣除模型自重所产生的气动量误差是相当大的。采用连续扫描技术可以提高试验 数据质量和运行效率,但前提是必须跟气动载荷同步获得模型实时迎角和实时侧滑角。在 大振幅动态试验及动导数试验中,振幅和与风载信号的相位差直接关系到试验数据的准确 性。由于支杆弹性变形以及装置机械间隙影响,首先在振动幅值的测量上存在较大误差,因 而直接影响试验数据的质量;其次,测得的位移及角度信号与模型真实运动之间存在时间 滞后,会对试验数据的气动载荷与模型姿态间增加一个附加的相位,直接影响数据准度,在 多自由度强迫振动时更加明显。因此,对于模型姿态角的准确测量和同步测量直接关系到 风洞试验数据质量的提升,关系到气动研究评估综合能力的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是建立一种模型三维实时姿态角同步测量方法。 本专利技术是这样实现的:基于成熟的商业化平台一Optotrak光学位移测量系统, 建立风洞坐标系和模型刚体,并实时测量得到模型刚体坐标系在风洞坐标系下的欧拉旋转 角。通过欧拉角获得模型机体坐标系到风洞坐标系的转换矩阵,从而获得机体坐标系下任 意点、线、面在风洞坐标系下的解析表达式。根据模型姿态角的定义,应用空间几何解析方 法推导得到姿态角的计算公式。利用Optotrak光学位移测量系统的同步接口,使该设备接 收外部触发或时钟信号,从而实现模型三维实时姿态角的同步测量。 本专利技术的设计思想是选择基于光学非接触测量技术的可同步的测量设备,从欧拉 旋转角和模型姿态角的定义出发,应用空间几何解析方法获得推导公式,满足工程应用需 求。该方法具有精准度高、实时性好、采样频率高、可外同步等特点,可同时获得模型的俯仰 角、侧滑角和滚转角,克服了接触式测量方法(如倾角传感器、电位计等)受到吹风振动、弹 性支杆变形等因素的影响造成测量误差的问题,且不受模型姿态运动结构的限制。 该方法应用于低速风洞试验中,军事和经济效益显著。应用于常规测力试验,实现 了纵向和横向的连续扫描,相对于步进试验而言,不仅获得了试验角度范围内的全部气动 数据,还显著节约了时间和电能,提高了试验效率;应用于多自由度动稳定性试验,实现了 俯仰、滚转、偏航耦合振荡运动模式下的模型三维实时姿态角测量,为掌握战斗机复杂机动 条件下的气动稳定性能提供了关键的技术支持。该方法的专利技术填补了低速风洞试验模型三 维实时姿态角高精度同步测量这一空白。 【专利附图】【附图说明】 本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明,其中: 图1是刚体欧拉角定义; 图2是模型姿态角定义。 【具体实施方式】 本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥 的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。 本专利技术所述的同步测量方法通过以下具体步骤实施。 步骤一:利用Optotrak光学位移测量系统建立风洞坐标系和模型刚体,实时测量 得到模型刚体在风洞坐标系下的欧拉旋转角。 步骤二:利用刚体欧拉角获得刚体坐标系到风洞坐标系的转换矩阵。 刚体欧拉角为按绕Z轴、Y轴、X轴顺序的旋转角Φ、θ、ψ,如图2所示。旋转前 后的刚体坐标系到风洞坐标系之间的转换矩阵为: 将上式整理为: 【权利要求】1. ,其特征为所述测量方法包括 以下步骤: 步骤一:利用Optotrak光学位移测量系统建立风洞坐标系和模型刚体,实时测量得到 模型刚体在风洞坐标系下的欧拉旋转角; 步骤二:利用刚体欧拉角获得刚体坐标系到风洞坐标系的转换矩阵; 步骤三:根据风洞试验模型俯仰角的定义,求得机体纵轴与水平面的夹角值; 步骤四:根据风洞试验模型侧滑角的定义,求得机体纵轴在水平面的投影与风洞试验 段纵轴的夹角值; 步骤五:根据风洞试验模型滚转角的定义,求得机体坚轴与通过机体纵轴的铅垂平面 的夹角值; 步骤六:采用主从站结构,实现Optotrak光学位移测量系统的外触发同步采集。【文档编号】G01M9/06GK104122066SQ201410321755【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日 【专利技术者】顾艺, 温渝昌, 车兵辉, 张鹏, 倪章松, 黄勇, 张卫国, 孙海生, 黄明其, 姜裕标, 祝明红, 查霄虹 申请人:中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低速风洞试验模型三维实时姿态角同步测量方法,其特征为所述测量方法包括以下步骤:步骤一:利用Optotrak光学位移测量系统建立风洞坐标系和模型刚体,实时测量得到模型刚体在风洞坐标系下的欧拉旋转角;步骤二:利用刚体欧拉角获得刚体坐标系到风洞坐标系的转换矩阵;步骤三:根据风洞试验模型俯仰角的定义,求得机体纵轴与水平面的夹角值;步骤四:根据风洞试验模型侧滑角的定义,求得机体纵轴在水平面的投影与风洞试验段纵轴的夹角值;步骤五:根据风洞试验模型滚转角的定义,求得机体竖轴与通过机体纵轴的铅垂平面的夹角值;步骤六:采用主从站结构,实现Optotrak光学位移测量系统的外触发同步采集。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:顾艺温渝昌车兵辉张鹏倪章松黄勇张卫国孙海生黄明其姜裕标祝明红查霄虹
申请(专利权)人:中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所
类型:发明
国别省市:四川;51

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