CN102353513A - 一种可变体飞行器气动测试系统 - Google Patents

Abstract

一种可变体飞行器气动测试系统，系统的测试对象为可变体飞行器模型；系统依托的设备包括气动测量风洞以及内置连接于可变体飞行器模型的气动测量天平和直接连接气动测量天平的天平支撑装置；所述的系统包括变体驱动与测量器件、变体控制与采集器件、采样起始触发器件、气动采集器件、变体相关模块、气动相关模块、可变体飞行器气动综合数据处理模块；本发明克服现有技术的不足，既能用于测试可变体飞行器不同气动布局的定常气动特性亦能用于测试可变体飞行器变体过程中的非定常气动特性。

Description

一种可变体飞行器气动测试系统

技术领域

本发明属于飞行器空气动力技术领域，用于可变体飞行器气动测试。

背景技术

可变体飞行器是近年来迅速兴起的一类新飞行器。随着飞行环境与任务的变化，可变体飞行器能如鸟类等飞行生物一样灵活改变自身形状与尺寸，获得实时最优性能。由于其仿生飞行特性和空天应用前景，可变体飞行器引起Cornell，Purdue等一流大学的兴趣，受到NASA，DARPA等政府机构的投资重视，促成Lockheed Martin，NextGen Aeronautics等空天公司的持续参与，成为近年空天科技领域关注的热点。

可变体飞行器作为一类新飞行器，从其概念设计到初步设计再到详细设计，全过程都与气动测试密不可分。气动测试能为可变体飞行器气动设计提供气动性能数据，也能为可变体飞行器结构设计提供气动载荷数据，还能为可变体飞行器控制设计提供气动操稳数据。

目前已有的关于可变体飞行器的气动测试主要有：

Marmier P，Wereley N.Morphing wings of a small scale UAV usinginflatable actuators for sweep contro1.AlAA Paper 2003-1802介绍了一种变掠翼飞行器的气动测试，测试内容包括一种来流速度下三种翼掠角布局的气动特性。

Samuel J，Pines D.Design and testing of a pneumatic telescopic wingfor unmanned aerial vehicles.Journal of Aircraft，2007，44(4)：1088-1099介绍了一种伸缩翼的气动测试，测试内容包括三种来流速度下三种翼展长布局的气动特性。

以上关于可变体飞行器的气动测试的主要不足是：这些测试局限于定常气动特性而未涉及非定常气动特性，难以全面提供可变体飞行器气动、结构、控制设计过程中所需的气动特性数据。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种既能用于测试可变体飞行器不同气动布局的定常气动特性亦能用于测试可变体飞行器变体过程中的非定常气动特性的全面气动测试系统。

本发明的技术解决方案是：一种可变体飞行器气动测试系统，系统的测试对象为可变体飞行器模型；系统依托的设备包括气动测量风洞以及内置连接于可变体飞行器模型的气动测量天平和直接连接气动测量天平的天平支撑装置；所述的系统包括变体驱动与测量器件、变体控制与采集器件、采样起始触发器件、气动采集器件、变体相关模块、气动相关模块、可变体飞行器气动综合数据处理模块；

气动测量风洞，用于为可变体飞行器模型生成所需来流，其实验段可实现长时间稳定通流；测试时，气动测量风洞内的风速包含零风速和指定风速两部分测量内容；

变体相关模块，用于设置变体控制与采集策略，并将设置的策略和起始指令发送给变体控制与采集器件，将变体控制与采集器件发送的变体数据存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块；

变体驱动与测量器件，根据变体控制与采集器件发出的控制变体过程指令驱动可变体飞行器模型变体，并测量可变体飞行器模型的变体测量数据；

变体控制与采集器件，根据接收的起始指令发送起始信号给采样起始触发器件，预设的时间后接收采样起始触发器件的触发信号开始变体控制与采集，根据接收的变体控制策略发出控制变体过程指令给变体驱动与测量器件，根据接收的变体采集策略采集变体驱动与测量器件的变体测量数据，并将变体测量数据处理为变体数据发送给变体相关模块；

采样起始触发器件，根据接收的变体控制与采集策略触发气动采集器件开始工作，其触发信号实现可变体飞行器模型变体起始时间相对于气动采集时间定量延迟；

气动采集器件，根据采样起始触发器件的触发以及接收的气动采集策略，采集气动测量天平的气动测量数据，并将采集的数据直接发送给气动相关模块；

气动相关模块，用于设置气动采集策略，将气动采集策略发送给气动采集器件，将气动采集器件采集的气动测量数据进行存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块；

可变体飞行器气动综合数据处理模块，根据接收的变体数据、气动测量天平测量的数据以及气动测量风洞工作时的风速、气动测量风洞控制测量对象的姿态控制信息进行数据处理，计算测量对象的气动力和力矩系数，并输出计算结果。

所述的可变体飞行器气动综合数据处理模块的数据处理过程如下：

(2.1)接收变体数据、零风速及指定风速下气动测量天平测量的数据，通过插值方法实现变体数据与气动测量天平测量的数据的长度一致与准确对应；

(2.2)对零风速时的气动测量天平测量的数据进行低通滤波，接着对指定风速时的气动测量天平测量的数据进行低通滤波，然后对零风速时的气动测量天平测量的数据各分量进行迭代处理，接着对指定风速时的气动测量天平测量的数据各分量进行迭代处理，将上述指定风速时与零风速时迭代处理后的数据进行准确对应并通过直接消减获得纯粹气动数据；

(2.3)将纯粹气动数据从天平轴系转换为风轴系下；

(2.4)根据风轴系下的纯粹气动数据计算气动力和力矩系数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过将系统中具有物理因果关系的变体过程与气动特性变化过程相关联，设计了变体相关子系统与气动相关子系统的通信策略，并通过硬件实现了这种通信策略，使得系统既能用于测试可变体飞行器不同气动布局外形的定常气动特性，亦能用于测试可变体飞行器变体全过程中的非定常气动特性，可全面提供可变体飞行器气动、结构、控制设计过程中所需的可变体飞行器风洞实验中的气动性能、气动载荷、气动操稳数据。

(2)本发明通过考虑可变体飞行器气动测试相对于固定外形飞行器气动测试的新特征，设计了包含变体数据插值、气动数据滤波、分量数据迭代、对应数据消减等核心步骤的处理流程，并通过软件实现了这种处理流程，使得系统能对可变体飞行器变体过程中的非定常气动特性测量数据进行准确处理。

附图说明

图1为本发明的可变体飞行器气动测试系统结构图；

图2为本发明的变体相关模块流程图；

图3为本发明的气动相关模块流程图；

图4为本发明的可变体飞行器气动综合数据处理模块流程图；

图5为本发明的可变体飞行器气动测试系统使用步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统的测试对象为可变体飞行器模型，其气动布局可实现受控的大尺度变化，其在系统中内置连接变体驱动与测量器件、内置连接气动测量天平、通过空气媒介联系气动测量风洞。

系统依托的设备包括气动测量风洞以及内置连接于可变体飞行器模型的气动测量天平和直接连接气动测量天平的天平支撑装置。所述的气动测量风洞用于为可变体飞行器模型生成所需来流，其实验段可实现长时间稳定通流，其在系统中通过空气媒介联系可变体飞行器模型、通过空气媒介联系天平支撑装置、通过空气媒介联系风速控制单元。所述的气动测量天平用于测量可变体飞行器模型所受的气动力与力矩，其测量参数可实现六分量覆盖，其在系统中被内置连接于可变体飞行器模型、直接连接天平支撑装置、通过采集线连接气动采集器件。所述的天平支撑装置用于刚性支撑气动测量天平，其内部空间可实现天平相关走线，其在系统中直接连接气动测量天平、直接连接姿态控制单元、通过空气媒介联系气动测量风洞。

对于气动测量风洞来讲一般都包含一个风速控制单元和风速相关计算机、姿态控制单元和姿态相关计算机，本发明中依托的风洞同样需要具备这样的功能。其中，风速相关计算机用于设置风速控制策略，其人机交互界面可实现风速控制相关输入与输出，其在系统中通过信号线和数据线连接风速控制单元、通过数据线连接可变体飞行器气动综合数据处理模块(本发明中该模块存储在一台计算机中)。风速控制单元用于控制气动测量风洞内空气速度，其控制信号可实现反馈，其在系统中通过信号线和数据线连接风速相关计算机、通过空气媒介联系气动测量风洞。姿态相关计算机用于设置姿态控制策略，其人机交互界面可实现姿态控制相关输入与输出，其在系统中通过信号线和数据线连接姿态控制单元、通过数据线连接可变体飞行器气动综合数据处理模块(计算机)。姿态控制单元用于控制可变体飞行器模型姿态，其控制信号可实现反馈，其在系统中通过信号线和数据线连接姿态相关计算机、直接连接天平支撑装置。

本发明系统包括变体驱动与测量器件、变体控制与采集器件、采样起始触发器件、气动采集器件、变体相关模块、气动相关模块、可变体飞行器气动综合数据处理模块；当然上述各模块可以存储在单独的计算机中，也可以在一台计算机中实现各部分功能。

下面首先介绍本发明系统的物理连接关系：

变体相关计算机(变体相关模块)用于设置变体控制与采集策略、存储变体数据，其人机交互界面可实现变体控制与采集相关输入与输出，其在系统中通过信号线和数据线连接变体控制与采集器件、通过数据线连接可变体飞行器气动综合数据处理计算机(可变体飞行器气动综合数据处理模块)。变体驱动与测量器件用于驱动变体过程、测量变体数据，其驱动与测量可实现同步，其在系统中被内置连接于可变体飞行器模型、通过控制线和采集线连接变体控制与采集器件。变体控制与采集器件用于控制变体过程、采集变体数据，其控制与采集可实现同步，其在系统中通过信号线和数据线连接变体相关计算机(变体相关模块)、通过控制线和采集线连接变体驱动与测量器件、通过信号线连接采样起始触发器件。采样起始触发器件用于触发气动采集器件开始工作，其触发信号可实现变体起始时间相对于气动采集时间的定量延迟，其在系统中通过信号线连接变体控制与采集器件、通过信号线连接气动采集器件。气动采集器件用于采集气动数据，其所采气动数据时长可实现变体前、变体中、变体后的全面覆盖，其在系统中通过信号线和数据线连接气动相关计算机(气动相关模块)、通过采集线连接气动测量天平、通过信号线连接采样起始触发器件。气动相关计算机(气动相关模块)用于设置气动采集策略、存储气动数据，其人机交互界面可实现气动采集相关输入与输出，其在系统中通过信号线和数据线连接气动采集器件、通过数据线连接可变体飞行器气动综合数据处理计算机(可变体飞行器气动综合数据处理模块)。

下面介绍本发明系统的具体实现过程：

(一)变体相关模块

变体相关模块，用于设置变体控制与采集策略，并将设置的策略和起始指令发送给变体控制与采集器件，将变体控制与采集器件发送的变体数据存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块。

如图2所示，变体相关模块的实现流程为：首先通过输入通信端口变量值来选择通信端口，接着输入通信速率，然后输入变体周期数与变体周期时长来进行变体参数设置，接着输入变体采集频率，然后通过输入变体方式变量值来选择变体方式(变体方式包括正弦式变体和线性规律变体，前者使飞行器变体特征参数随时间呈现正弦式变化，后者使飞行器变体特征参数随时间呈现线性规律变化)，接着判断变体方式并进行相应的变体驱动建模(即建立数学模型，用于描述变体驱动器运行规律与变体特征参数变化规律之间的关系)，然后发送变体控制与采集策略和起始指令给变体控制与采集器件(此变体控制与采集策略包括变体周期数、变体周期时长、变体采集频率、变体方式、变体驱动的数学模型，此起始指令促使变体控制与采集器件发送起始信号给采样起始触发器件，再由采样起始触发器件发送触发信号给气动采集器件，此时气动采集开始，N秒(N≥5秒)后变体控制与采集开始)，N秒后接收变体数据，接着将变体数据输出到文件，然后判断变体结束与否，若结束则发送变体数据文件至可变体飞行器气动综合数据处理模块，若未结束则返回执行“接收变体数据”这一步骤，并循环至结束。

(二)变体驱动与测量器件

变体驱动与测量器件，根据变体控制与采集器件发出的控制变体过程指令驱动可变体飞行器模型变体，并测量可变体飞行器模型的变体测量数据。

变体驱动与测量器件采用集成机电装置以缩小体积便于内置于可变体飞行器模型中，此集成机电装置包括电机、执行机构、测量电路。电机接收变体控制与采集器件发出的控制变体指令后启动，通过带动执行机构来驱动变体，同时执行机构的运动引起测量电路中电阻变化(类似于滑线变阻器原理)，因而测量电路可得到变化的电信号作为变体测量数据。上述集成机电装置可购买工业直线执行器。

(三)变体控制与采集器件

变体控制与采集器件，根据接收的起始指令发送起始信号给采样起始触发器件，N秒后接收采样起始触发器件的触发信号开始变体控制与采集，根据接收的变体控制策略发出控制变体过程指令给变体驱动与测量器件，根据接收的变体采集策略采集变体驱动与测量器件的变体测量数据，并将变体测量数据处理为变体数据发送给变体相关模块。

变体控制与采集器件采用带有RS-232口的集成电路。变体控制与采集器件对变体驱动与测量器件实施闭环控制：发出控制变体过程指令后，电机启动，执行机构开始工作，测量电路同时开始变体采集，采集得到的变体测量数据被处理成变体特征参数用于控制电机运行。

(四)采样起始触发器件

采样起始触发器件，根据接收的变体控制与采集策略触发气动采集器件开始工作，其触发信号实现可变体飞行器模型变体起始时间相对于气动采集时间定量延迟。

采样起始触发器件采用高低电平发生器，在接收到变体控制与采集器件的信号后，将输出端变为高电平，气动采集器件在接收到此高电平触发后开始气动采集，N秒后，将输出端变为低电平，变体控制与采集器件在接收到此低电平触发后开始变体控制与采集。

(五)气动采集器件

气动采集器件，根据采样起始触发器件的触发以及接收的气动采集策略，采集气动测量天平的气动测量数据，并将采集的数据直接发送给气动相关模块。

气动采集器件采用高速数据采集卡可以购买到。

(六)气动相关模块

气动相关模块，用于设置气动采集策略，将气动采集策略发送给气动采集器件，将气动采集器件采集的气动测量数据进行存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块。

如图3所示，气动相关模块的实现流程为：首先通过输入通信端口变量值来选择通信端口，接着输入通信速率，接着输入气动采集频率，气动采集开始后接收气动测量数据，接着将气动测量数据输出到文件，然后判断气动采集结束与否，若结束则发送气动测量数据文件至可变体飞行器气动综合数据处理模块，若未结束则返回执行“接收气动测量数据”这一步骤，并循环至结束。

(七)可变体飞行器气动综合数据处理模块

可变体飞行器气动综合数据处理模块，根据接收的变体数据、气动测量天平测量的数据以及气动测量风洞工作时的风速、测量对象的姿态信息进行数据处理，计算测量对象的气动力与力矩系数，并输出计算结果。

如图4所示，可变体飞行器气动综合数据处理模块的实现流程为：首先读取变体数据文件，接着读取零风速时气动数据文件，然后读取指定风速时气动数据文件(在可变体飞行器气动测试中，每一组测试包括零风速时测试与指定风速时测试，以便对指定风速时所得气动测量数据中包含的可变体飞行器模型重力的影响作出处理)，接着通过插值方法解决变体数据与气动数据的采样频率差异问题(采样频率的差异会导致变体数据文件与气动数据文件的长度不一致，需插值处理)，然后对零风速时的六分量气动数据进行低通滤波，接着对指定风速时的六分量气动数据进行低通滤波(周围环境的噪声信号、结构振动的高频信号、涉电硬件的电磁信号等因素可能导致气动测量天平所得的气动测量数据含有不必要的频率成分，需滤波处理)，然后对零风速时的六分量气动数据进行迭代，接着对指定风速时的六分量气动数据进行迭代(气动测量天平所得气动测量数据为复杂电路的多个节点对之间的电压值，需利用天平分量耦合算法即天平公式进行迭代处理)，然后将指定风速时气动数据与零风速时气动数据进行准确对应并通过直接消减获得纯粹气动数据(即对指定风速时所得气动测量数据中包含的可变体飞行器模型重力的影响作出处理)，接着将纯粹气动数据从天平轴系转换为风轴系(气动测量天平所得气动测量数据为针对天平轴系的六分量数据，需转换为针对风轴系的六分量数据，即前三个分量为气动力分量、后三个分量为气动力矩分量)，然后计算气动力和力矩系数，最后通过图形进行所需输出(例如作出升力系数随变体特征参数变化的曲线)。

下面介绍本发明系统的具体使用步骤(如图5所示)：

(1)按照图1所示进行系统连接。具体连接方式见前面系统中相关介绍。

(2)进行系统初始化：为风速控制单元、姿态控制单元、变体驱动与测量器件、气动测量天平、变体控制与采集器件、采样起始触发器件、气动采集器件、变体相关计算机、气动相关计算机、风速相关计算机、姿态相关计算机、可变体飞行器气动综合数据处理计算机供电，将变体相关计算机、气动相关计算机、风速相关计算机、姿态相关计算机、可变体飞行器气动综合数据处理计算机开机，将变体相关模块、气动相关模块、风速相关计算机内风速控制模块、姿态相关计算机内姿态控制模块、可变体飞行器气动综合数据处理模块进行设置，将可变体飞行器模型姿态调节为零俯仰角、零侧滑角、零滚转角，将可变体飞行器模型气动布局调节为基准气动布局。

(3)进行风速控制：指定一个风速，将其输入风速相关计算机的人机交互界面，运行风速控制模块；观察风速相关计算机的人机交互界面的实时风速数据；当风速相关计算机的人机交互界面的实时风速数据稳定时，结束风速控制。

(4)进行姿态控制：为可变体飞行器模型指定一个姿态，将其输入姿态相关计算机的人机交互界面，运行姿态控制模块；观察姿态相关计算机的人机交互界面的实时姿态数据；当姿态相关计算机的人机交互界面的实时姿态数据稳定时，结束姿态控制。

(5)进行采样触发：为可变体飞行器模型指定一个变体控制与采集策略，将其输入变体相关计算机的人机交互界面，运行变体控制与采集模块，此时变体相关计算机发送信号到变体控制与采集器件，变体控制与采集器件发送信号到采样起始触发器件，采样起始触发器件发送信号到气动采集器件，开始气动采集，指定时间后开始变体与变体采集；观察变体相关计算机的人机交互界面的实时变体数据；当变体相关计算机的人机交互界面的实时变体数据稳定时，结束变体控制，此时变体采集自动结束。

(6)进行采样终止：变体控制与采集结束指定时间后，通过气动相关计算机的人机交互界面的气动采集模块终止气动采集。

(7)按照图4所示进行数据处理。具体处理方式见前面系统中相关介绍。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种可变体飞行器气动测试系统，其特征在于：系统的测试对象为可变体飞行器模型；系统依托的设备包括气动测量风洞以及内置连接于可变体飞行器模型的气动测量天平和直接连接气动测量天平的天平支撑装置；所述的系统包括变体驱动与测量器件、变体控制与采集器件、采样起始触发器件、气动采集器件、变体相关模块、气动相关模块、可变体飞行器气动综合数据处理模块；

气动测量风洞，用于为可变体飞行器模型生成所需来流，其实验段可实现长时间稳定通流；测试时，气动测量风洞内的风速包含零风速和指定风速两部分测量内容；

变体相关模块，用于设置变体控制与采集策略，并将设置的策略和起始指令发送给变体控制与采集器件，将变体控制与采集器件发送的变体数据存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块；

变体驱动与测量器件，根据变体控制与采集器件发出的控制变体过程指令驱动可变体飞行器模型变体，并测量可变体飞行器模型的变体测量数据；

变体控制与采集器件，根据接收的起始指令发送起始信号给采样起始触发器件，预设的时间后接收采样起始触发器件的触发信号开始变体控制与采集，根据接收的变体控制策略发出控制变体过程指令给变体驱动与测量器件，根据接收的变体采集策略采集变体驱动与测量器件的变体测量数据，并将变体测量数据处理为变体数据发送给变体相关模块；

采样起始触发器件，根据接收的变体控制与采集策略触发气动采集器件开始工作，其触发信号实现可变体飞行器模型变体起始时间相对于气动采集时间定量延迟；

气动采集器件，根据采样起始触发器件的触发以及接收的气动采集策略，采集气动测量天平的气动测量数据，并将采集的数据直接发送给气动相关模块；

气动相关模块，用于设置气动采集策略，将气动采集策略发送给气动采集器件，将气动采集器件采集的气动测量数据进行存储并发送给可变体飞行器气动综合数据处理模块；

可变体飞行器气动综合数据处理模块，根据接收的变体数据、气动测量天平测量的数据以及气动测量风洞工作时的风速、气动测量风洞控制测量对象的姿态控制信息进行数据处理，计算测量对象的气动力和力矩系数，并输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种可变体飞行器气动测试系统，其特征在于所述的可变体飞行器气动综合数据处理模块的数据处理过程如下：

(2.1)接收变体数据、零风速及指定风速下气动测量天平测量的数据，通过插值方法实现变体数据与气动测量天平测量的数据的长度一致与准确对应；

(2.2)对零风速时的气动测量天平测量的数据进行低通滤波，接着对指定风速时的气动测量天平测量的数据进行低通滤波，然后对零风速时的气动测量天平测量的数据各分量进行迭代处理，接着对指定风速时的气动测量天平测量的数据各分量进行迭代处理，将上述指定风速时与零风速时迭代处理后的数据进行准确对应并通过直接消减获得纯粹气动数据；

(2.3)将纯粹气动数据从天平轴系转换为风轴系下；

(2.4)根据风轴系下的纯粹气动数据计算气动力和力矩系数。

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