CN101986160A - 模型动态俯仰下进行piv测量的锁位拍摄方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的内容是一种在模型动态俯仰条件下进行PIV测量的方法和装置。该方法PIV将PIV相机和激光片光固定在待拍摄角度，待模型运动到指定位置，触发PIV进行测量。固定相机和激光片光头的机构为一套移动支架系统，该系统采用水平和垂直两个自由度的平动和一个自由度的转动来模拟围绕模型转动中心的圆周运动，同时可以无级改变圆周的半径，采用相机和片光随动的方法使二者相对位置保持不变，从而避免了重复标定，提高实验效率，三个自由度运动全部由步进电机控制，同时步进电机由计算机程序控制，实现相机、片光位置调整的完全自动化。

Description

模型动态俯仰下进行PIV测量的锁位拍摄方法及装置

技术领域

本发明涉及航空航天领域的一种风洞实验方法，特别是涉及一种在模型动态俯仰过程中进行PIV测量的方法及其装置。

背景技术

高机动性是目前新一代战机所必需满足的主要技术指标之一，而战机的高机动动作，通常都是由战机的大攻角快速拉起或下俯来实现的。因而在风洞实验中，研究飞机模型动态俯仰下的流动特征具有重要意义。

PIV技术是目前进行空气动力学流场研究的重要实验测量手段。PIV是粒子图象测速技术(Particle Image Velocimetry)的缩写。PIV技术突破传统的单点测量的限制，可以瞬时无接触的测量流场中的一个截面上的速度分布，且具有较高的测量精度。PIV技术的基本原理为，在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD相机记录的图像，获得粒子在曝光间隔时间内走过的位移，继而获得流场速度分布。

常规的PIV实验，经常是对模型固定的截面进行拍摄，或者是对一些平行的截面拍摄，这样在滑轨上移动相机即可，而不必重新标定。但是，对于研究非定常状态下的动态俯仰实验，情况就不同了。动态俯仰实验研究飞行器攻角动态变化过程中的流动状况，由于模型的攻角始终在改变，所要拍摄的截面互相不平行，同时流场中待观测区域与片光平面并非任何时刻都是重合的，需要在二者重合时刻进行拍摄；同时，由于不同攻角下各个拍摄截面不平行，常规方法拍摄每次改变攻角需要重新标定，而且拍摄截面非水平情况下标定难于实现，严重影响实验的效率。这样给动态PIV实验带来了很大的困难。

目前国内外还没有进行模型动态俯仰情况下PIV实验的记录。为了解决动态俯仰情况下的PIV拍摄问题，一种方案是让相机和片光随模型一起运动，这种方案实现难度很大，而且激光的导光臂运动变化后，片光打出的位置会变得不准，增大拍摄误差。本发明提出了另一种拍摄方案，即动态拉起/摇滚的PIV锁位拍摄方法，并给出了一套方便快捷的实现拍摄的移动装置。

发明内容

本发明的目的是，给出一种模型动态俯仰条件下的PIV实验测量方法，使得在模型俯仰过程中PIV拍摄成为可能，并且可以方便快捷地调整拍摄的截面和角度，而不用重新实施标定的过程。

本发明将相机和片光支杆固定在一移动支座上，如图1所示，该移动支座可绕模型转动中心旋转，片光支杆与模型轴线平行，片光与模型轴线垂直，实验时首先让片光支杆的角度与待拍摄模型攻角一致，片光位置与模型待拍摄截面一致，然后启动模型动态俯仰运动，待运行到待拍摄攻角，外触发PIV相机拍摄。为了实现相机和片光支杆绕转动中心的联动，如果采用圆弧导轨，造价很高，因而本发明提出了通过两个线运动和一个转动运动来拟合实现圆弧运动，图2给出该机构的原理图。图2中水平步进电机和垂直步进电机驱动相机和片光支杆拟合圆弧运动，旋转步进电机保证支杆角度与待测攻角一致，三台电机的控制原理图如图3所示。该相机、激光片光移动机构实现了片光截面的任意角度，任意截面的无极调节，同时完全实现了调节的自动化，极大地提高了实验效率。

该机构位于风洞的实验段上侧，这样不会干扰模型的旋转，同时对流场也不会产生干扰。该系统需要横跨风洞的支架系统，既不干扰流场，又给运动部分提供支撑。系统的水平方向运动由沿风速方向的水平导轨组成，移动部分整体坐落于水平导轨之上。移动部分通过滑块由丝杠系统驱动，丝杠的转动转变为移动部分的水平移动。丝杠由步进电机驱动，其运动速度和位移可以精确控制。

垂直方向的运动与水平方向类似，导轨固定于移动支架一侧，而相机及其转动机构安装在一块平板之上，平板通过滑块与垂直滑轨连接，使得其可以沿着滑轨移动。类似水平方向，垂直方向运动也由步进电机驱动丝杠从而带动其移动。

系统最后一部分是相机的转动系统。这部分完成相机光轴对准模型转动中心的任务，主要由轴承座、转轴、步进电机和相机座组成。转轴距离垂直移动平板要有足够的距离，以保证相机座能够自由转动不受阻碍。相机底座安装相机的同时，还要安装片光支杆，使得片光与相机随动，二者始终保持垂直的关系。这样相机与片光的关系保持不变，视场不变时，不同攻角实验时就无需重新标定。同时，片光支杆的长度要足够长，以保证视场足够大。由于片光支杆长度较大，造成驱动力矩较大，如果步进电机驱动力矩不够，需要加装减速器。

上诉三部分系统的协同工作完成了将相机置于以转动中心为圆心，不同半径的圆周上的任务。上诉三部分的运动全部由计算机控制完成。在系统安装完成之后，需要以一个参考点为原点建立坐标系，标定出模型转动中心和相机镜头在此坐标系中的位置。根据这些参数，编写控制程序，并在每次镜头位置改变之后将其位置保存到磁盘中，使得系统不必重新标定。将模型截面和视场大小等作为程序的参数，程序根据这些参数自动计算所需的三个自由度的位移，并控制步进电机运动到指定位置，实现了完全的自动化。

附图说明

图1动态俯仰下PIV锁位拍摄技术原理图(侧视图)

图2相机、激光片光移动支架(用于动态拉起PIV锁位拍摄)

图3相机、激光片光移动支架电机控制原理图

图4动态拉起时PIV拍摄结果(翼身组合体前体涡，拉起速度逐渐加大)

具体实施方式

示例1：

对于本方法所述方法及及装置，在实验标定时，可以将系统调整到相机光轴垂直于风洞地面，将标定板水平放置，在这种状态下进行标定。完成标定后，不同攻角下，如果视场不变，无需重新标定，这就解决了传统方式下更换截面需要重新标定的问题。

在上述步骤完成之后，片光已经固定在预先设定好的截面，相机也已经调整到位，PIV系统已经准备就绪。此时即可将PIV控制系统设置为外触发状态，待模型俯仰控制系统使得模型到达指定位置之后，发出脉冲信号触发PIV系统采集即可。所以，模型俯仰控制系统必须装有角度测量系统，系统在每一时刻的角度应该精确地知道，才能在模型观测截面与片光平面在预定攻角重合时触发PIV系统采集。如果PIV系统响应存在延时，则需要根据俯仰的速度提前给出外触发脉冲，提前的时间由延迟时间了俯仰速度决定。这些参数设置好之后，就可以进行PIV拍摄了。

拍摄完一个攻角位置后，对于同一拍摄截面而言，不必重新标定，可通过图2所示移动机构和图3所示控制方式，将相机和片光自动运动到另一个待测量攻角，重复以上测量。

Claims (7)

1.一种在模型动态俯仰情况下进行PIV锁位拍摄的方法及其装置。主要包括一套三自由度的运动装置，标定的方法，以及模型拉起过程中PIV拍摄的具体实现。主要特征在于：通过两个线运动和一个角运动的移动机构拟合出圆弧轨迹，相机和激光片光固定在该机构上，从而保证对模型的每个测量截面，只需标定一次，便可通过该移动机构自动实现各个不同测量攻角下的PIV测量；

2.根据权利要求1所述方法，两个线运动通过电机驱动的丝杠来实现，旋转运动通过电机加减速器实现；

3.根据权利要求1所述方法，相机镜头光轴与片光平面设计为垂直关系，并且片光系统与镜头系统一起运动，其相对位置不变，避免迎角改变时重新标定；

4.根据权利要求1所述方法，负责垂直线运动的电机和丝杠固定在一移动框上，该移动框可以在水平电机驱动下沿水平导轨运动。旋转电机可在移动框上做垂直移动。

5.根据权利要求1和4所述方法，PIV相机固定在与旋转电机一同旋转的支座上，激光片光固定在与旋转电机一同旋转的支杆上。

6.根据权利要求1、4和5所述方法，两个线运动和一个角运动通过计算机编程，实现自动运行。

7.根据权利要求1所述方法，对于实验模型某一拍摄截面，通过PIV标定板标定后，将相机和片光位置固定，启动模型动态俯仰，待到达待拍摄位置，触发PIV进行测量。然后运动机构自动运动到其它待拍摄攻角位置，不用重新标定，直接拍摄测量即可。

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