【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风洞试验及姿态与轨迹测量传感器领域，应用于试验模型（即试验对象）的姿态与轨迹参数测量领域，具体为基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法。
技术介绍
1、精准测量气动力作用下风洞模型的姿态角，是获得高精度风洞试验数据的前提。以本领域中的大飞机为例，其风洞试验精度的世界先进水平要求阻力系数精度为0.0001，对应的姿态角中迎角精度的世界先进指标为≤0.01度，角度分辨率则需高达0.001度。
2、鉴于上述情况，国外已投入大量的人力物力，进行了广泛、深入和系统的试验模型姿态角测量技术的相关研究。目前，面向风洞试验的姿态测量技术主要有：激光光栅法、视频测量法和利用惯性技术进行测量等。其中，激光光栅法需要在模型表面嵌装光栅传感器，这增加了模型的制造安装难度；视频测量法需要有实时处理庞大图像数据的能力；而基于石英挠性加速度计的惯性测姿方法，具有实时性好、系统架构简单、维护方便的优点，因此受到国内外风洞试验机构的青睐。
3、但是，现有技术中，暂冲式风洞试验的启动与关闭对模型的冲击大，同时试验中来流脉动所致的模型振动与分离流所致的模型抖振，会将振动所致的瞬态加速度矢量和，叠加至石英挠性加速度计上，这必然要求使用大量程的石英挠性加速度计，以免石英挠性加速度计的过载损害和出现因振动加速度削峰所致的测量误差。
4、因此，虽然大量程石英挠性加速度计的技术已经成熟，但是现有技术无法使其同时具备角度测量精度达0.01度，分辨率达0.001度和大量程特点；另一方面，由于石英挠性加速度计安装于试验模型头
技术实现思路
1、基于
技术介绍
中的现状，本专利技术基于大量程石英挠性加速度计，提出一种新的具有高精度特点的姿态测量方法；该方法首先应用大量程石英挠性加速度计，并将其输出的电流信号经电容充放过程转换为脉冲数字信号，解决了信号传输时的抗干扰问题；随后建立时序脉冲信号的滑窗角度计算法，来解决如何兼具大量程和高精度的姿态测量瓶颈问题，因此，本专利技术极其适合在高噪声振动的风洞试验中推广应用。
2、本专利技术采用了以下技术方案来实现目的：
3、一种基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，所述方法包括如下步骤：
4、s1、安装大量程石英挠性加速度计，作为试验模型的俯仰角与滚转角测量的硬件基础；
5、s2、基于已安装的大量程石英挠性加速度计，设计高精度姿态测量过程的角度分辨率指标，确定并设置大量程石英挠性加速度计的最小电流；
6、s3、确定并设置大量程石英挠性加速度计的最大量程、瞬态测角量程和最大电流，结合最小电流，作为模拟/数字转换电路的设计依据；
7、s4、设计模拟/数字转换电路，将大量程石英挠性加速度计输出的电流测值，转换为数字式的时序脉冲信号，传输至数据采集系统；
8、s5、数据采集系统对时序脉冲信号进行滑窗角度计算，得出试验模型的俯仰角与滚转角测量数据，并计算出对应的迎角与侧滑角，完成高精度姿态测量过程。
9、具体的，步骤s1中，进行风洞试验时，在试验模型的俯仰和滚转方向各安装一个大量程石英挠性加速度计，分别测量试验模型的俯仰角和滚转角，测量过程的计算式对应如下：
10、
11、式中，与分别为俯仰与滚转方向的加速度测值；为大量程石英挠性加速度计在俯仰与滚转达到90度时的加速度测值；在没有振动的情况下，值等于风洞试验所在地的重力加速度值。
12、进一步在步骤s4中，进行风洞试验时，在试验模型的俯仰和滚转方向各安装一个大量程石英挠性加速度计，并分别连接对应的模拟/数字转换电路；模拟/数字转换电路的输入为俯仰方向大量程石英挠性加速度计的输出电流，或滚转方向大量程石英挠性加速度计的输出电流；
13、模拟/数字转换电路由电阻、电容、开关、第一比较器和第二比较器组成，电阻的一端为电路输入端，第二比较器的输出端为电路输出端，且电路输出端连接有fpga芯片；模拟/数字转换电路的工作方式如下：
14、输出电流或输出电流经电阻给电容充电，电容电压分别引至第一比较器和第二比较器的其中一个输入端；第一比较器的另一个输入端连接第一参考电压，当电容电压达到第一参考电压大小时，第一比较器动作，第一比较器的输出端所控制的开关闭合，此开关并联与电容两端，使电容完成放电，电容放电完成后，开关断开，进行电容的新一轮充电过程；第二比较器的另一个输入端连接第二参考电压，当电容电压达到第二参考电压时，第二比较器动作，第二比较器的输出端向fpga芯片输出一个方波信号；
15、第二参考电压低于第一参考电压，使模拟/数字转换电路中电容的每次充电过程转换为一个方波信号，转换完成后在第一比较器的控制下放电；经过多次充放电过程后，产生的多个方波信号在fpga芯片处理下，形成数字脉冲信号，传输至数据采集系统。
16、进一步在步骤s5中，将fpga芯片的处理频率记为，将数据采集系统的角度测量数据更新频率记为，则时序脉冲信号的滑窗角度计算过程如下：
17、s51、确定时序脉冲信号的滑窗长度：
18、
19、式中，为俯仰方向产生的最低输入脉冲方波数量，为俯仰方向的瞬态测角量程；随后定义滑窗长度的时序脉冲队列，将其记为；
20、s52、确定角度测量数据更新频率对应的时间间隔：
21、
22、s53、若，则表示fpga芯片的处理能力足够支撑角度测量数据更新频率；此时以频率从时序脉冲队列的队尾插入时间长度为的时序脉冲信号数据，同时从时序脉冲队列的队头删除时间长度为的时序脉冲信号数据；每当更新一次时序脉冲队列的数据时，即按照下式进行一次计算：
23、
24、式中，与为大量程石英挠性加速度计在俯仰与滚转达到90度时经由模拟/数字转换电路及fpga芯片对应输出的脉冲方波数量；通过上述计算式即可得出俯仰角和滚转角的高精度测量结果；
25、s54、若，则计中间参数：
26、
27、式中，符号表示向上取整，令：
28、
29、进而以频率从时序脉冲队列的队尾插入时间长度为的时序脉冲信号数据，同时从时序脉冲队列的队头删除时间长度为的时序脉冲信号数据；每当更新一次时序脉冲队列的数据时，按照步骤s53中的俯仰角和滚转角的计算式进行计算，即可得出俯仰角和滚转角的高精度测量结果。
30、综上所述，本专利技术提出的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，主要包括在俯仰和滚转方向上安装大量程石英挠性加速度计和模拟/数字转换电路；与现有技术相比，其优势如下：
31、1、使用了大量程石英挠性加速度计，能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤S1中，进行风洞试验时，在试验模型的俯仰和滚转方向各安装一个大量程石英挠性加速度计，分别测量试验模型的俯仰角和滚转角，测量过程的计算式对应如下：
3.根据权利要求2所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤S2中，高精度姿态测量过程要求的角度分辨率指标为0.001度，将角度分辨率指标代入俯仰角和滚转角在测量过程的计算式后，得出大量程石英挠性加速度计分辨率的约束关系：
4.根据权利要求3所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤S3中，将风洞试验的启动与关闭对试验模型的冲击用激励加速度表示，则大量程石英挠性加速度计的最大量程为：；通过设置最大量程的方式，避免风洞试验启动与关闭时产生的冲击载荷损害大量程石英挠性加速度计。
5.根据权利要求4所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：将已确定的瞬态测角量程的最大值代入至输出电流计算式中，得到大量程石英挠性加速度计在俯仰与滚转方向的最大电流为：；以及得到大量程石英挠性加速度计在俯仰角与滚转角为90度时的电流为：；进而依据大量程石英挠性加速度计的最小电流、最大量程、瞬态测角量程及，以及最大电流，设计出模拟/数字转换电路。
7.根据权利要求1所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤S4中，进行风洞试验时，在试验模型的俯仰和滚转方向各安装一个大量程石英挠性加速度计，并分别连接对应的模拟/数字转换电路；模拟/数字转换电路的输入为俯仰方向大量程石英挠性加速度计的输出电流，或滚转方向大量程石英挠性加速度计的输出电流；
8.根据权利要求7所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：数字脉冲信号的最小分辨率为1，大量程石英挠性加速度计的最小电流将电容充满一次即产生一个方波信号，对应的角度分辨率即为0.001度，依据欧姆定律可知：
9.根据权利要求8所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤S5中，将FPGA芯片的处理频率记为，将数据采集系统的角度测量数据更新频率记为，则时序脉冲信号的滑窗角度计算过程如下：
10.根据权利要求9所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：在得出俯仰角和滚转角的测量结果后，对于滚转机构设置于迎角机构上的试验模型支撑方式的风洞试验，将俯仰角和滚转角代入下式：
...【技术特征摘要】
1.一种基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤s1中，进行风洞试验时，在试验模型的俯仰和滚转方向各安装一个大量程石英挠性加速度计，分别测量试验模型的俯仰角和滚转角，测量过程的计算式对应如下：
3.根据权利要求2所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤s2中，高精度姿态测量过程要求的角度分辨率指标为0.001度，将角度分辨率指标代入俯仰角和滚转角在测量过程的计算式后，得出大量程石英挠性加速度计分辨率的约束关系：
4.根据权利要求3所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：步骤s3中，将风洞试验的启动与关闭对试验模型的冲击用激励加速度表示，则大量程石英挠性加速度计的最大量程为：；通过设置最大量程的方式，避免风洞试验启动与关闭时产生的冲击载荷损害大量程石英挠性加速度计。
5.根据权利要求4所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方法，其特征在于：最大量程设置完成后，对于风洞试验中来流脉动所致的模型振动与分离流所致的模型抖振，将这两种振动所致的瞬态加速度矢量和记为；将瞬态加速度矢量和叠加至大量程石英挠性加速度计后，确定并设置出的瞬态测角量程为：；其中，与分别为俯仰与滚转方向的瞬态测角量程。
6.根据权利要求5所述的基于大量程石英挠性加速度计的高精度姿态测量方...
【专利技术属性】
技术研发人员：张征宇，余皓，吴继飞，张林，周方奇，黄叙辉，杨振华，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：
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