CN104571123A - 航空施药实时动态风场模拟方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空施药实时动态风场模拟方法和系统，该方法包括：根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算飞行器受到的外力和外力矩；根据外力和外力矩对六自由度模型进行解算，计算飞行器的实时速度、位置、姿态；根据实时速度、位置、姿态计算飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；根据喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场，在气流场中测量施药喷头施药的雾滴粒径。通过本发明的技术方案，能够根据特定作业任务对航空施药全过程风场速度参数进行仿真模拟，针对特定作业任务进行全过程喷施系统所处的喷洒流场环境进行准确地数字模拟和对雾滴粒径分布情况进行准确评估。

Description

航空施药实时动态风场模拟方法和系统

技术领域

本发明涉及航空施药技术领域，具体而言，涉及一种航空施药实时动态风场模拟方法和一种航空施药实时动态风场模拟系统。

背景技术

在航空施药过程中，喷施药液雾滴粒在不同飞行状态条件下的变化过程是技术人员关注的重要参数。在实验室中进行喷洒系统风洞试验研究时，现有技术中通常采用人工设定风洞风速为某一特定值，以模拟在不同条件下航空施药的风速条件。

人工设定风洞流场速度的方式只能模拟飞行器在某一固定飞行模式的瞬时飞行状态，无法进行全作业过程飞行状态的连续模拟，因而无法进行全作业过程喷洒系统的连续工作特性试验仿真。人工设定风洞流场速度完全依赖于人的主观经验和通用试验测试数据，不能根据特定飞行作业环境条件进行飞行状态模拟，因而不能对特定作业任务进行喷施过程模拟和评估。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何准确且连续地模拟飞行器的飞行状态，从而得到连续的喷洒流场速度，进而对风洞进行连续且准确地控制，从而得到连续且准确的喷洒液滴检测结果。

为此目的，本发明提出了一种航空施药实时动态风场模拟方法，包括：S1，根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；S2，根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算所述飞行器受到的外力和外力矩；S3，根据所述外力和外力矩对所述六自由度模型进行解算，计算所述飞行器的实时速度、位置、姿态；S4，根据所述实时速度、位置、姿态计算所述飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；S5，根据所述喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场，在所述气流场中测量所述施药喷头施药的雾滴粒径。

优选地，还包括：实时监测所述风洞中的气流场速度，判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节所述风洞产生的气流场。

优选地，通过皮托管实时监测所述风洞中的气流场速度，通过采集电路采集所述气流场速度。

优选地，所述外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，所述外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

优选地，所述步骤S4还包括：根据所述实时速度、位置、姿态生成所述飞行器的轨迹，将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。

本发明还提出了一种航空施药实时动态风场模拟系统，包括：模型生成单元，用于根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；计算单元，用于根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算所述飞行器受到的外力和外力矩，根据所述外力和外力矩对所述六自由度模型进行解算，计算所述飞行器的实时速度、位置、姿态，根据所述实时速度、位置、姿态计算所述飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；控制单元和风洞，所述控制单元用于根据所述喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场；测量单元，用于在所述气流场中测量所述施药喷头施药的雾滴粒径。

优选地，还包括：监测单元，用于实时监测所述风洞中的气流场速度，并发送至所述控制单元，所述控制单元判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节所述风洞产生的气流场。

优选地，所述监测单元包括：皮托管和采集电路，其中所述皮托管用于实时监测所述风洞中的气流场速度，所述采集电路用于采集所述气流场速度。

优选地，所述外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，所述外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

优选地，还包括：轨迹生成单元，用于根据所述实时速度、位置、姿态生成所述飞行器的轨迹；显示单元，用于将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。

通过上述技术方案，能够对飞行器飞行过程中喷头所处的环境风场进行模拟，根据特定作业任务对航空施药全过程风场速度参数进行仿真模拟，能针对特定作业任务进行全过程喷施系统所处的喷洒流场环境进行准确地数字模拟和对雾滴粒径分布情况进行准确地评估。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的航空施药实时动态风场模拟方法的示意流程图；

图2示出了根据本发明一个实施例的航空施药实时动态风场模拟系统的示意框图；

图3示出了根据本发明一个实施例的航空施药实时动态风场模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，根据本发明一个实施例的航空施药实时动态风场模拟方法包括：S1，根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；S2，根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算飞行器受到的外力和外力矩；S3，根据外力和外力矩对六自由度模型进行解算，计算飞行器的实时速度、位置、姿态；S4，根据实时速度、位置、姿态计算飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；S5，根据喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场，在气流场中测量施药喷头施药的雾滴粒径。

步骤S1中生成六自由度运动模型的过程具体如下：

模拟过程中可以将飞行器视为刚体，其飞行过程即为刚体运动过程。首先根据飞行器的质量分布和外部形状参数计算出刚体飞行器质量m和惯性张量I，将质量和惯性张量带入牛顿欧拉方程建立飞行器在外力和力矩作用下的运动方程。方程如下：

选用地面坐标系(假设为惯性系)作为静坐标系，机体坐标系作为动坐标系。在机体坐标系中，飞行器在合外力作用下的线运动方程表示为：

在机体坐标系中，在合外力矩作用下的角运动方程表示为：

然后建立六自由度方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_x=I_x{\mathrm{\ω}}_x-I_{\mathrm{xy}}{\mathrm{\ω}}_y-I_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\ω}}_z\\ H_y=I_y{\mathrm{\ω}}_y-I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\ω}}_z-I_{\mathrm{yx}}{\mathrm{\ω}}_x\\ H_z=I_z{\mathrm{\ω}}_z-I_{\mathrm{zx}}{\mathrm{\ω}}_x-I_{\mathrm{zy}}{\mathrm{\ω}}_y\end{array}\right.,$

步骤S2的具体计算过程如下：

根据飞行器当前飞行状态、高度、位置，姿态，以及机翼各个操作面的面积、偏转角度等获得飞行器当前受到的各种外力和力矩。

计算方法如下：

机体气动升力：

机体气动阻力：

机体测向力：

机体气动力矩：

机体气动力矩：

$M_x=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{mx}}{\mathrm{\ρv}}^{2}s{L}_{\mathrm{ref}},$

$M_y=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{my}}{\mathrm{\ρv}}^{2}s{L}_{\mathrm{ref}},$

$M_z=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{mz}}{\mathrm{\ρv}}^{2}s{L}_{\mathrm{ref}},$

然后将这些参数、外力、外力矩带入运动学方程，可以计算飞行器运动状态参数的变化趋势和变化量，及速度、位置、姿态的倒数。再对这些倒数进行积分，就可以得到运动状态信息，即通过解偏微分方程得出。

当获得机体的运动状态后，安装在机体上的喷头的空气流场速度就同步获得了，然后就可以计算飞行器上喷头所处喷洒流场的速度，相应的气压也可以通过计算得到。

通过模拟得出的飞行器所述喷洒流场的速度是与飞行器飞行状态相关的一些列参数，飞行器的模拟轨迹上，每个点都对应一个与其飞行状态相关的喷洒流场速度，即模拟得出的喷洒流场速度是与飞行器飞行状态相关的连续参数。进而根据连续的喷洒流场速度参数来控制风洞生成相应的气流场，即可模拟飞行器的喷头在施药过程中所处的环境，从而连续地测得喷头喷洒的雾滴粒径分布情况。克服了现有技术中通过人工设定风洞风速而只能模拟瞬时飞行状态的缺点，能够根据特定的飞行作业环境条件模拟得出准确地风洞环境，从而能够针对特定的飞行作业环境对雾滴粒径进行准确地测量和评估。

优选地，还包括：实时监测风洞中的气流场速度，判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节风洞产生的气流场。

优选地，通过皮托管实时监测风洞中的气流场速度，通过采集电路采集气流场速度。

如图3所示，通过对监测采集风洞中气流场的速度并反馈，可以实时调节风洞产生适当的气流场，从而实现对飞行器喷头所处喷洒流场速度的准确模拟，进而得到准确的雾滴粒径分布参数。

优选地，外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

优选地，步骤S4还包括：根据实时速度、位置、姿态生成飞行器的轨迹，将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。

风洞生成的气流场是根据飞行器飞行状态的模拟结果得出的，而飞行状态的直观体现是对应的飞行轨迹，从而可以将检测得到的雾滴粒径分布信息与飞行轨迹对应显示，从而方便地观察在飞行器的整个飞行过程中，其携带的喷头喷洒出的雾滴粒径随着分型轨迹的分布。

如图2所示，根据本发明一个实施例的航空施药实时动态风场模拟系统10，包括：模型生成单元11，用于根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；计算单元12，用于根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算飞行器受到的外力和外力矩，根据外力和外力矩对六自由度模型进行解算，计算飞行器的实时速度、位置、姿态，根据实时速度、位置、姿态计算飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；控制单元13和风洞14，控制单元13用于根据喷洒流场速度控制风洞14产生相应的气流场；测量单元15，用于在气流场中测量施药喷头施药的雾滴粒径。

优选地，还包括：监测单元16，用于实时监测风洞中的气流场速度，并发送至控制单元13，控制单元13判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节风洞产生的气流场。

优选地，监测单元16包括：皮托管和采集电路，其中皮托管用于实时监测风洞中的气流场速度，采集电路用于采集气流场速度。

优选地，外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

优选地，还包括：轨迹生成单元17，用于根据实时速度、位置、姿态生成飞行器的轨迹；显示单元18，用于将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。

根据本发明的实施方式，还提供了一种非易失机器可读介质，存储有用于航空施药实时动态风场模拟的程序产品，程序产品包括上述两种程序产品。

根据本发明的实施方式，还提供了一种机器可读程序，程序使机器执行如上技术方案中任一的航空施药实时动态风场模拟方法。

根据本发明的实施方式，还提供了一种存储有机器可读程序的存储介质，其中，机器可读程序使得机器执行如上技术方案中任一的航空施药实时动态风场模拟方法。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到相关技术中，通过风洞模拟飞行器飞行状态从而测量雾滴粒径分布，是通过人工设定风洞中风场的速度参数，仅能模拟飞行器某个瞬时状态的下的飞行状态，得出的雾滴粒径也仅对应飞行器的瞬时状态，难以对特定的业务环境进行准确、连续的模拟和测量。通过本申请的技术方案，可模拟飞行器的喷头在施药过程中所处的环境，从而连续地测得喷头喷洒的雾滴粒径分布情况，可以根据特定的飞行作业环境条件模拟得出准确地风洞环境，从而能够针对特定的飞行作业环境对雾滴粒径进行准确地测量和评估。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空施药实时动态风场模拟方法，其特征在于，包括：

S1，根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；

S2，根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算所述飞行器受到的外力和外力矩；

S3，根据所述外力和外力矩对所述六自由度模型进行解算，计算所述飞行器的实时速度、位置、姿态；

S4，根据所述实时速度、位置、姿态计算所述飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；

S5，根据所述喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场，在所述气流场中测量所述施药喷头施药的雾滴粒径。

2.根据权利要求1所述的航空施药实时动态风场模拟方法，其特征在于，还包括：

实时监测所述风洞中的气流场速度，判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节所述风洞产生的气流场。

3.根据权利要求2所述的航空施药实时动态风场模拟方法，其特征在于，通过皮托管实时监测所述风洞中的气流场速度，通过采集电路采集所述气流场速度。

4.根据权利要求1所述的航空施药实时动态风场模拟方法，其特征在于，所述外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，所述外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的航空施药实时动态风场模拟方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：根据所述实时速度、位置、姿态生成所述飞行器的轨迹，将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。

6.一种航空施药实时动态风场模拟系统，其特征在于，包括：

模型生成单元，用于根据飞行器的质量分布和外部形体参数生成飞行器的六自由度运动模型；

计算单元，用于根据机翼每个操作面的面积、偏转角度，计算所述飞行器受到的外力和外力矩，根据所述外力和外力矩对所述六自由度模型进行解算，计算所述飞行器的实时速度、位置、姿态，根据所述实时速度、位置、姿态计算所述飞行器上施药喷头所处的喷洒流场速度；

控制单元和风洞，所述控制单元用于根据所述喷洒流场速度控制风洞产生相应的气流场；

测量单元，用于在所述气流场中测量所述施药喷头施药的雾滴粒径。

7.根据权利要求6所述的航空施药实时动态风场模拟系统，其特征在于，还包括：

监测单元，用于实时监测所述风洞中的气流场速度，并发送至所述控制单元，

所述控制单元判断监测到的气流场速度与计算得到的喷洒流场速度是否相同，若不同，则根据计算得到的喷洒流场速度调节所述风洞产生的气流场。

8.根据权利要求7所述的航空施药实时动态风场模拟系统，其特征在于，所述监测单元包括：皮托管和采集电路，其中所述皮托管用于实时监测所述风洞中的气流场速度，所述采集电路用于采集所述气流场速度。

9.根据权利要求6所述的航空施药实时动态风场模拟系统，其特征在于，所述外力包括：机体气动升力、机体气动阻力和机体测向力，所述外力矩为机体气动升力力矩、机体气动阻力力矩和机体测向力力矩之和。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的航空施药实时动态风场模拟系统，其特征在于，还包括：

轨迹生成单元，用于根据所述实时速度、位置、姿态生成所述飞行器的轨迹；

显示单元，用于将轨迹上每点与其对应的雾滴粒径信息对应显示。