CN104122066A - 一种低速风洞试验模型三维实时姿态角同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种低速风洞试验模型三维实时姿态角同步测量方法

技术领域

本发明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。 

背景技术

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。 

发明内容

本发明的目的是建立一种模型三维实时姿态角同步测量方法。 

本发明是这样实现的：基于成熟的商业化平台——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。 

本发明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。该方法的发明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。 

附图说明

本发明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。 

本发明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： 

$R(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ},\mathrm{\ψ})=R\left(\mathrm{\φ}\right)*R\left(\mathrm{\θ}\right)*R\left(\mathrm{\ψ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}& 0\\ \sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ψ}& -\sin \mathrm{\ψ}\\ 0& \sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

将上式整理为： 

则刚体坐标系下任意点坐标(x,y,z)在风洞坐标系下的坐标(x′,y′,z′)的公式如下： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right)=R\·\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

步骤三：根据风洞试验模型俯仰角的定义，求解俯仰角α，俯仰角α定义为机体纵轴与水平面的夹角。 

如图2所示。在机体纵轴正向上取一点P，其在刚体坐标系下坐标为(x_p,0,0)，其在风洞坐标系下的坐标为： 

$\left[\begin{array}{c}{x_p}^{\′}\\ {y_p}^{\′}\\ {z_p}^{\′}\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

则机体纵轴与水平面的夹角即模型俯仰角α为： 

步骤四：根据风洞试验模型侧滑角的定义，求解侧滑角β，侧滑角β定义为机体纵轴在水平面的投影与风洞试验段纵轴的夹角。 

如图2所示，定义点P在水平面上的投影为Q(x_p′,0,z_p′)，则机体纵轴OP在水平面的投影OQ与试验段纵轴的夹角即模型侧滑角β为： 

步骤五：根据风洞试验模型滚转角的定义，求解滚转角γ，滚转角γ定义为机体竖轴与通过机体纵轴的铅垂平面的夹角。 

如图2所示，在机体竖轴正向上任取一点M(0,y_m,0)，其在牵连铅垂地轴系下的坐标为： 

$\left[\begin{array}{c}{x_m}^{\′}\\ {y_m}^{\′}\\ {z_m}^{\′}\end{array}\right]=R\·\left[\begin{array}{c}0\\ y_m\\ 0\end{array}\right]$

机体竖轴OM的方程为： 

$\frac{x}{{x_m}^{\′}}=\frac{y}{{y_m}^{\′}}=\frac{z}{{z_m}^{\′}}$

通过机体纵轴OP的铅垂平面包含了原点O、点P和牵连铅垂地轴系的Y轴：x＝z＝0，则通过机体纵轴的铅垂平面方程为： 

-z_p'x+x_p'z＝0 

根据直线和平面夹角的方程求解方法，可得到机体竖轴OM与通过机体纵轴的铅垂平面的夹角即模型滚转角γ为： 

$\mathrm{\γ}=\arcsin \left(\frac{|-{z_p}^{\′}\·{x_m}^{\′}+{x_p}^{\′}\·{z_m}^{\′}|}{\sqrt{{x_m}^{\′2}+{y_m}^{\′2}+{z_m}^{\′2}}\·\sqrt{{x_p}^{\′2}+{z_p}^{\′2}}}\right)$

即： 

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。 

将Optotrak光学位移测量系统设为从站，通过同轴电缆连接Optotrak系统的同步接口和其它采集设备的同步接口，由其它采集设备向Optotrak系统发出触发信号或时钟信号(TTL电平下降沿)，从而实现模型姿态角的外触发同步测量。 

通过上述的测量方法，进行实时测试，得到如下数据： 

表1  4米×3米风洞腹撑方式下的俯仰角α和侧滑角β测量计算结果 

表2  Φ3.2米风洞张线尾撑方式下的俯仰角α和侧滑角β测量计算结果 

表3  Φ3.2米风洞张线尾撑方式下的俯仰角α和侧滑角β组合测量计算结果 

由表中数据可知，测试出的数据和参考的理论值相差很小，基本上测试出的计算值就能反应出被测对象的实时情况。 

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (1)

1.一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。