CN104634535A - 一种可伸缩翼伞气流参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可伸缩翼伞气流参数测量装置及测量方法，其中装置包括单片机主控制器、步进电机和气流数据测量杆；单片机主控制器用于接收开伞索状态信息和翼伞高度信息，根据开伞索状态信息产生触发气流数据测量杆伸出的指令，根据翼伞高度信息产生触发气流数据测量杆缩回的指令；步进电机根据单片机主控制器产生的指令驱动气流数据测量杆伸出或缩回；气流数据测量杆上设置有翼伞气流参数检测传感器。本发明装置及方法，在翼伞开伞后测量装置才从翼伞负载中伸出，避免了锋利边缘和伸出的易碎元件对翼伞系统的破坏，不对伞绳和立管造成缠绕，保证了翼伞的安全开伞，也保证了测量装置本身不在开伞过程中被损坏。

Description

一种可伸缩翼伞气流参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种翼伞系统气流参数测量技术，尤其涉及一种在翼伞安全开伞后伸出，在翼伞着陆之前缩回的翼伞气流参数测量装置及其测量方法。

背景技术

相比传统降落伞，翼伞具有良好的操控性能和滑翔性能，可实现高空远距离投放和定点着陆，在航空航天器回收、军事及民用物资投放等领域有着广阔的应用前景。翼伞气流参数测量是翼伞空气动力学最重要的问题之一，用于确定翼伞气动特性，其中主要的气流参数包括迎角、侧滑角、动压、静压，以及环境温度等。翼伞迎角α也称攻角，是翼伞翼弦线与迎面气流间的夹角，侧滑角β是翼伞系统速度矢量V与翼伞对称平面间的夹角，两者均反映翼伞轴线与气流方向间的夹角。迎角大小与翼伞的升力和阻力密切相关，故测量迎角、侧滑角的准确值，对确定作用在翼伞上的空气动力和力矩等气动参数具有重要意义；此外气流参数测量对保障翼伞安全有重要意义，当迎角达到临界迎角时，翼伞将发生失速，所以迎角的测量对保障翼伞安全运行十分重要。

实际中，在翼伞系统上要准确测量真实气流参数是十分困难的。翼伞伞衣在张满后类似于飞机机翼，其获得升力和阻力的原理与飞机机翼一致，但翼伞伞翼和飞机机翼也有较大的区别，首先飞机机翼是刚体，而翼伞伞衣本质上为柔性织物，传统安装在飞机机头和机翼处的气动测量装置无法直接安装在翼伞伞衣上；其次，翼伞在飞行过程中，存在牵引伞拉出翼伞伞包、减速伞开伞、减速伞拉开翼伞开伞索使翼伞开伞、翼伞稳定运行等多个阶段，伞衣在这个过程中发生了较大形变，故翼伞系统的测量设备和伺服机构不能安装在翼伞伞衣上，而需安装在翼伞所悬挂的回收负载上。

回收负载有一定的气动外形，因此在翼伞飞行过程中会改变周围空气的流场，干扰气流参数的测量。为了准确测量系统的气流参数，应在距负载一定距离的地方进行参数测量，即气流参数测量传感器需安装在从负载伸出的测量装置上。翼伞系统在空投过程中，存在自由坠落、拉直、充气的开伞阶段，也存在稳降、最终着陆的阶段，在一开始的开伞阶段，为了保障翼伞安全开伞，不能将一般飞行器使用的刚体空速管直接应用到翼伞系统上，一方面伸出的刚体空速管存在和翼伞伞绳缠绕的可能，使翼伞不能正常开伞，导致空投任务彻底失败，另一方面也会对测量仪器本身造成损坏；在最终的着陆阶段，回收负载存在较大的着陆冲击，若直接使用一般飞行器使用的刚体空速管，则伸出到飞行器外面的气流测量装置会被撞坏。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对翼伞飞行测试过程中高精度气流参数测量的要求，提出一种用于翼伞的可伸缩气流参数测量装置，其特点是能保证翼伞的安全开伞和着陆，在此基础上完成翼伞飞行试验过程中对迎角、侧滑角、空速、温度等参数的精确测量，此外，测量装置具有迎风面积小，气动阻力低的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可伸缩翼伞气流参数测量装置，包括单片机主控制器、步进电机和气流数据测量杆；单片机主控制器用于接收开伞索状态信息和翼伞高度信息，根据开伞索状态信息产生触发气流数据测量杆伸出的指令，根据翼伞高度信息产生触发气流数据测量杆缩回的指令；步进电机根据单片机主控制器产生的指令驱动气流数据测量杆伸出或缩回；气流数据测量杆上设置有翼伞气流参数检测传感器。

优选的，所述步进电机和气流数据测量杆之间通过直线滑轨滑块机构和丝杠螺母机构连接，其中直线滑轨滑块机构包括相适配的直线滑轨和滑块，丝杠螺母机构包括相适配的丝杠和螺母，安装块同时作为直线滑轨滑块机构中的滑块和丝杠螺母机构中的螺母；步进电机的机体与直线滑轨固定，步进电机的动作轴与丝杆固定，气流数据测量杆设置在安装块上；向步进电机施加脉冲信号，驱动丝杠转动，使安装块沿着直线滑轨产生往复的直线移动。优选的，所述直线滑轨的两端分别设置有限位块，通过限位块限制安装块的移动范围、同时触发安装块移动到位的信号并发送给单片机主控制器。单片机主控制器可通过RS-232串行接口进行配置，设定安装块的速度和往返精度。

优选的，所述翼伞气流参数检测传感器包括动压传感器、静压传感器、迎角α传感器、侧滑角β传感器、温度传感器。优选的，所述动压传感器和静压传感器通过皮托管实现，所述迎角α传感器通过迎角α测量风标实现，侧滑角β传感器通过侧滑角β测量风标实现，温度传感器设置在气流数据测量杆的内部；皮托管安装在气流数据测量杆的外端头，并具有一定程度的倾斜，使翼伞在向下滑翔飞行时，皮托管的进气方向和气流更趋于一致；皮托管测量迎面气流的总压以及侧面静压孔的静压，对迎面气流的总压和侧面静压孔的静压进行差分以得到气流动压，转换后得到翼伞相对于气流的空速；迎角α测量风标和侧滑角β测量风标分别连接到一个非接触式磁阻电位器上，当气流角发生变化时，迎角α测量风标和侧滑角β测量风标会带动非接触式磁阻电位器转动一定的角度，在±45°范围内转动时，非接触式磁阻电位器具有最佳的线性度；温度传感器为数字式温度传感器，对空气温度进行检测。

优选的，所述翼伞高度信息通过气压高度计、雷达高度计和/或GPS检测。

一种上述可伸缩翼伞气流参数测量装置的测量方法，包括如下6个阶段：

0阶段：系统初始化，气流数据测量杆缩回到初始位置，等待翼伞开伞；

1阶段：等待开伞索开关信号，若翼伞开伞，开伞索开关被拉开，再延迟t时间长度，该t时间长度用于等待翼伞完全张满并稳降运行；

2阶段：单片机主控制器触发气流数据测量杆伸出的指令，步进电机驱动气流数据测量杆伸出，气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器开始数据测量；

3阶段：气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器继续数据测量，同时单片机主控制器监测翼伞高度信息，判断是否需要缩回气流数据测量杆；

4阶段：在翼伞对地高度为h时，单片机主控制器触发气流数据测量杆缩回的指令，步进电机驱动气流数据测量杆缩回；

5阶段：翼伞着陆。

优选的，在1阶段，t时间长度的取值为15秒；在4阶段，翼伞对地高度为h取值为45米，确保翼伞着陆前，气流数据测量杆能够完全缩回。

有益效果：本发明提供的可伸缩翼伞气流参数测量装置及测量方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、在翼伞开伞后测量装置才从翼伞负载中伸出，避免了锋利边缘和伸出的易碎元件对翼伞系统的破坏，不对伞绳和立管造成缠绕，保证了翼伞的安全开伞，也保证了测量装置本身不在开伞过程中被损坏；另外测量装置在开伞前置于负载中，确保了测量装置能可靠承受开伞时较大的过载；2、在距着陆点一定高度时，测量装置缩回负载中，由回收负载的阻尼装置提供过载保护，确保测量装置能承受翼伞着陆时的较大冲击过载。

附图说明

图1可伸缩气流数据测量装置系统示意图；

图2可伸缩气流数据测量装置结构示意图；

图3可伸缩气流数据测量装置工作过程示意图；

图4可伸缩气流数据测量装置缩回负载时的示意图；

图5可伸缩气流数据测量装置伸出负载时的示意图；

包括：皮托管1，迎角α测量风2，侧滑角β测量风标3，步进电机4，安装块5，丝杠6，限位块7，步进电机和气流数据测量杆工装8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种可伸缩翼伞气流参数测量装置，包括单片机主控制器、步进电机和气流数据测量杆；单片机主控制器用于接收开伞索状态信息和翼伞高度信息，根据开伞索状态信息产生触发气流数据测量杆伸出的指令，根据翼伞高度信息产生触发气流数据测量杆缩回的指令；步进电机根据单片机主控制器产生的指令驱动气流数据测量杆伸出或缩回；气流数据测量杆上设置有翼伞气流参数检测传感器。

如图2所示，所述步进电机和气流数据测量杆之间通过直线滑轨滑块机构和丝杠螺母机构连接，其中直线滑轨滑块机构包括相适配的直线滑轨和滑块，丝杠螺母机构包括相适配的丝杠和螺母，安装块同时作为直线滑轨滑块机构中的滑块和丝杠螺母机构中的螺母；步进电机的机体与直线滑轨固定，步进电机的动作轴与丝杆固定，气流数据测量杆设置在安装块上；向步进电机施加脉冲信号，驱动丝杠转动，使安装块沿着直线滑轨产生往复的直线移动；所述直线滑轨的两端分别设置有限位块，通过限位块限制安装块的移动范围、同时触发安装块移动到位的信号。

如图2所示，所述翼伞气流参数检测传感器包括动压传感器、静压传感器、迎角α传感器、侧滑角β传感器、温度传感器；所述动压传感器和静压传感器通过皮托管实现，所述迎角α传感器通过迎角α测量风标实现，侧滑角β传感器通过侧滑角β测量风标实现，温度传感器设置在气流数据测量杆的内部；皮托管安装在气流数据测量杆的外端头，并具有一定程度的倾斜，使翼伞在向下滑翔飞行时，皮托管的进气方向和气流更趋于一致；皮托管测量迎面气流的总压以及侧面静压孔的静压，对迎面气流的总压和侧面静压孔的静压进行差分以得到气流动压，转换后得到翼伞相对于气流的空速；迎角α测量风标和侧滑角β测量风标分别连接到一个非接触式磁阻电位器上，当气流角发生变化时，迎角α测量风标和侧滑角β测量风标会带动非接触式磁阻电位器转动一定的角度，在±45°范围内转动时，非接触式磁阻电位器具有最佳的线性度；温度传感器为数字式温度传感器，对空气温度进行检测。

所述翼伞高度信息通过气压高度计、雷达高度计和/或GPS检测。

系统电源上电后激活，开始执行单片机主控制器上的数据采集和控制程序初始化过程，单片机主控制器给步进电机的驱动器发送指令，启动步进电机。初始化完成后，单片机主控制器内的主控制器程序进入循环运行，气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器采集相关数据，并存储至存储器。开伞索开关连接到单片机主控制器，并在翼伞开伞阶段开伞索被拉下后激活。此事件发生后，气流数据测量杆的伸出要延时一段时间，这个时间可通过单片机主控制器进行配置，一般取15秒，以等待系统完成开伞过程，达到稳定飞行状态。

如图3所示，一种可伸缩翼伞气流参数测量装置的测量方法，包括如下6个阶段：

0阶段：系统初始化，气流数据测量杆缩回到初始位置，等待翼伞开伞，如图4；

1阶段：等待开伞索开关信号，若翼伞开伞，开伞索开关被拉开，再延迟15秒时间长度，该15秒时间长度用于等待翼伞完全张满并稳降运行；

2阶段：单片机主控制器触发气流数据测量杆伸出的指令，步进电机驱动气流数据测量杆伸出，气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器开始数据测量，如图5；

3阶段：气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器继续数据测量，同时单片机主控制器监测翼伞高度信息，判断是否需要缩回气流数据测量杆；

4阶段：在翼伞对地高度为45米时，单片机主控制器触发气流数据测量杆缩回的指令，步进电机驱动气流数据测量杆缩回；

5阶段：翼伞着陆。

GPS相对地面的高度可通过GPS高度减掉预测着陆点高度得到，两者都是平均海拔高度。在翼伞着陆前，为保证气流数据测量杆不被着陆冲击损坏，设定了3个决策高度用于决定气流数据测量杆是否缩回，分别是GPS上限高度、GPS下限高度以及雷达决策高度，三者互为补充，以降低气流数据测量杆缩回时发生意外风险的概率。GPS上限高度、GPS下限高度分别设置为60米和30米，雷达决策高度设定为距地面45米。因为雷达高度测量较为准确，故气流数据测量杆缩回操作以雷达高度为主，如果雷达高度显示为45米，则立即缩回气流数据测量杆。若雷达高度测量发生错误，例如雷达高度值显示低于45米的决策高度，而此时GPS高度穿过了60米的高度上限，则气流数据测量杆缩回启动；类似地，当GPS高度穿过了30米下限，但雷达高度依然高于45米，气流数据测量杆也需缩回。为了可靠的降低错误值发生的概率，未来计划实现更复杂的滤波算法，交叉检查可用的多个高度信息、所处工作阶段、行程开关状态和通信状态，都用一个状态字节进行编码，然后综合判断是否需要对测量杆进行伸缩操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：包括单片机主控制器、步进电机和气流数据测量杆；单片机主控制器用于接收开伞索状态信息和翼伞高度信息，根据开伞索状态信息产生触发气流数据测量杆伸出的指令，根据翼伞高度信息产生触发气流数据测量杆缩回的指令；步进电机根据单片机主控制器产生的指令驱动气流数据测量杆伸出或缩回；气流数据测量杆上设置有翼伞气流参数检测传感器。

2.根据权利要求1所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：所述步进电机和气流数据测量杆之间通过直线滑轨滑块机构和丝杠螺母机构连接，其中直线滑轨滑块机构包括相适配的直线滑轨和滑块，丝杠螺母机构包括相适配的丝杠和螺母，安装块同时作为直线滑轨滑块机构中的滑块和丝杠螺母机构中的螺母；步进电机的机体与直线滑轨固定，步进电机的动作轴与丝杆固定，气流数据测量杆设置在安装块上；向步进电机施加脉冲信号，驱动丝杠转动，使安装块沿着直线滑轨产生往复的直线移动。

3.根据权利要求2所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：所述直线滑轨的两端分别设置有限位块，通过限位块限制安装块的移动范围、同时触发安装块移动到位的信号。

4.根据权利要求1所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：所述翼伞气流参数检测传感器包括动压传感器、静压传感器、迎角α传感器、侧滑角β传感器、温度传感器。

5.根据权利要求4所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：所述动压传感器和静压传感器通过皮托管实现，所述迎角α传感器通过迎角α测量风标实现，侧滑角β传感器通过侧滑角β测量风标实现，温度传感器设置在气流数据测量杆的内部；皮托管安装在气流数据测量杆的外端头，并具有一定程度的倾斜；皮托管测量迎面气流的总压以及侧面静压孔的静压，对迎面气流的总压和侧面静压孔的静压进行差分以得到气流动压，转换后得到翼伞相对于气流的空速；迎角α测量风标和侧滑角β测量风标分别连接到一个非接触式磁阻电位器上，当气流角发生变化时，迎角α测量风标和侧滑角β测量风标会带动非接触式磁阻电位器转动一定的角度；温度传感器为数字式温度传感器，对空气温度进行检测。

6.根据权利要求1所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置，其特征在于：所述翼伞高度信息通过气压高度计、雷达高度计和/或GPS检测。

7.一种权利要求1所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下6个阶段：

0阶段：系统初始化，气流数据测量杆缩回到初始位置，等待翼伞开伞；

1阶段：等待开伞索开关信号，若翼伞开伞，开伞索开关被拉开，再延迟t时间长度，该t时间长度用于等待翼伞完全张满并稳降运行；

2阶段：单片机主控制器触发气流数据测量杆伸出的指令，步进电机驱动气流数据测量杆伸出，气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器开始数据测量；

3阶段：气流数据测量杆上的翼伞气流参数检测传感器继续数据测量，同时单片机主控制器监测翼伞高度信息，判断是否需要缩回气流数据测量杆；

4阶段：在翼伞对地高度为h时，单片机主控制器触发气流数据测量杆缩回的指令，步进电机驱动气流数据测量杆缩回；

5阶段：翼伞着陆。

8.根据权利要求7所述的可伸缩翼伞气流参数测量装置的测量方法，其特征在于：在1阶段，t时间长度的取值为15秒；在4阶段，翼伞对地高度为h取值为45米，确保翼伞着陆前，气流数据测量杆能够完全缩回。