CN105222983B - 一种低速风洞模型位姿超声测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速风洞模型位姿超声测量系统，包括控制器，精密稳压电源，和通过线缆分别与控制器连接的目标超声传感器、信标超声传感器和实时声速测量传感器；以及通过基点校准法利用移测架对信标超声传感器和实时声速测量超声传感器、通过坐标重合法对目标超声传感器进行校准和标定的方法；利用信标超声传感器通过测边空间后方交会获得模型上3个或3个以上目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标以及这些传感器在模型坐标轴系上的坐标，通过对两坐标轴系转换参数的求解从而最终获得低速风洞试验模型此刻完整的位姿参数；本发明采用模型位姿超声测量，可实现低速风洞模型位姿的非接触测量，避免了试验段内的安装条件、测量设备等对风洞流场的干扰影响，从而避免对模型气动数据测量的影响。

Description

一种低速风洞模型位姿超声测量系统

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，尤其是涉及一种低速风洞模型位姿超声测量系统。

背景技术

试验模型的位姿（位置和姿态）是低速风洞试验过程中要求获取的关键参数之一，其精度对试验有着非常重要的意义。在低速风洞试验过程中，目前常用的模型位姿测量方法包括支撑机构名义值替代法、激光光栅测量法、重力加速度传感器测量法、陀螺仪测量法、图像测量法和光电位置灵敏探测器测量法等六种方法，由于每种方法本身特性的限制，每种方法都或多或少存在一些问题或缺陷，到目前为止尚未找到能提供完整的位姿参数（三个线位移方向的位置参数和三个航空次序欧拉角的姿态参数）、又能适用于各种试验环境（如结冰风洞试验的低温、负压和高湿度等）和安装环境（直流式风洞、回流式风洞、开口试验段和闭口试验段）等的测量方法。

超声波是指频率高于20kHz的声波，目前已经在检测超声、功率超声和医学超声等方面应用很广。其中，超声测距是通过测量超声波在媒质中某一空间传播的时间和该媒质中的声速来确定被测空间距离的一项主要的检测超声技术应用。但从目前应用情况来看，由于在超声测距中将声速作为常数处理，另外由于多普勒效应的影响，而使得超声测距的精度并不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种低速风洞模型位姿超声测量系统，完成在风洞中对被测模型完整的位姿参数的测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低速风洞模型位姿超声测量系统，包括控制器，精密稳压电源，和通过线缆分别与控制器连接的目标超声传感器、信标超声传感器和实时声速测量传感器等。其中目标超声传感器固定设置在被测模型上，目标超声传感器不少于四个；信标超声传感器固定设置在低速风洞试验段的内壁面上，且信标超声传感器分布在被测模型的四周，信标超声传感器不少于四个；被测模型上的至少三个目标超声传感器能与风洞内壁上的至少四个信标超声传感器配对实现相互之间距离的直接测量；实时声速测量传感器固定设置在低速风洞试验段的内壁面上，且实时声速超声传感器分布在被测模型的四周，实时声速超声传感器应两两配对设置，配对的两个实时声速超声传感器之间无隔挡物，使得声波能在两个超声传感器之间能沿直线传播。

在风洞试验过程中，通过信标超声传感器利用测边空间后方交会获得模型上3个或3个以上目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，再利用这些目标超声传感器在模型坐标轴系上的坐标求解出此时模型坐标轴系与风洞坐标轴系的坐标转换矩阵，包括旋转矩阵R和平移矩阵T，平移矩阵T即为模型的位置(x₀，y₀，z₀)，再对旋转矩阵求解即可求出模型的姿态角（包括偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角Φ），即可获得低速风洞试验模型此刻完整的位姿参数。在试验过程中，系统通过风洞主控系统的指令完成被测模型位姿实时测量并将测量结果随时反馈给风洞主控系统，从而完成低速风洞模型位姿的实时测量。

上述所有传感器均为接收发送一体式的超声传感器；控制器设置在低速风洞外的运行控制间内，用于超声传感器供电的精密稳压电源不少于一组，目标超声传感器所用的精密稳压电源可设置在被测模型腔体内部。

为了提高测量精度，其中目标超声传感器设置在被测模型上变形小的位置，且目标超声传感器不能设置在被测模型坐标轴系的坐标原点。

在该系统使用前，应在风洞试验前需对测量系统进行校准和标定，试验间隙可进行校准，以确保测量精度满足要求。系统的校准和标定要选用移测架，移测架由X向直线模组、Y向直线模组、Z向直线模组、校准超声传感器固定支架和控制器等组成。其中Z向直线模组为两套，每套Z向直线模组的基座分别固定在试验段的上壁板和下壁板上，Z向直线模组上设置有运动部件，运动部件的运动方向铅垂且与风洞坐标轴系的Z向平行；Y向直线模组的基座两端各自固定在两套Z向直线模组的运动部件上，Y向直线模组上的运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的Y向平行；X向直线模组的基座固定在Y向直线模组的运动部件上，所述校准超声传感器固定支架固定在X向直线模组运动部件上，X向直线模组运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的X向平行；控制器能控制每个直线模组的运动部件的运动。

系统校准和标定的过程如下：

信标超声传感器和实时声速测量超声传感器的坐标值的校准和标定利用移测架采用基点校准法进行，即通过控制器控制X、Y和Z向直线模组上的运动部件控制校准超声传感器的准确定位，并利用超声测距和测边空间后方交会获得信标超声传感器和实时声速测量超声传感器的在风洞坐标轴系上的准确坐标值；安装在被测模型上的目标超声传感器，其在模型坐标轴系上的坐标值采用坐标重合法进行校准和标定，即将被测模型固定在试验段内，通过经纬仪等仪器将模型的姿态角（偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角Φ）调整到0°，设定模型参考点（模型坐标轴系原点）与风洞坐标轴系原点重合，利用信标超声传感器和目标超声传感器采用测边空间后方交会获得目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，由于风洞坐标轴系和模型坐标轴系重合，因此测量到的坐标值即为目标传感器在模型坐标轴系上的坐标值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

利用低速风洞试验模型位姿的超声测量方法能获得完整的低速风洞试验模型位姿参数，包括x₀，y₀，z₀，Ψ,θ和Φ六个参数，其中(x₀，y₀，z₀)指模型的位置，即模型参考点在风洞坐标轴系上位置，(Ψ,θ,Φ)指模型的姿态，即模型的偏航角、俯仰角和滚转角。

利用实时测量获得的声速参与计算，避免将声速作为常量处理带来的误差，另外信标超声传感器、目标超声传感器和实时声速测量传感器采用了接收发送一体式的超声传感器，避免了多普勒效应的影响，从而提高了模型位姿测量的精准度。

超声测量为非接触测量，利用超声这一特性实现了低速风洞模型位姿的非接触测量，避免了测量设备对风洞流场的影响；另外，超声测量可用于开、闭口试验段内模型位姿的测量，能够克服气流速度、温度、压力、密度和湿度变换等的影响，从而避免了试验环境对低速风洞模型位姿测量的影响。

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 某模型上目标超声传感器布置图；

图2 信标超声传感器在闭口试验段内壁面布置图；

图3 实时声速测量传感器布置示意图；

图4 模型位姿超声测量系统的组成框图；

图5 校准和标定用装置简图；

其中：1是实时声速超声传感器，2是目标超声传感器，3是信标超声传感器，4是精密稳压电源，5是校准超声传感器，6是X向直线模组，7是Z向直线模组，8是Y向直线模组。

具体实施方式

本发明通过以下步骤布局实施：

一是在试验模型上固定安装目标超声传感器（接收发送一体式超声传感器）。为避免模型受风载变形影响测量精度，目标超声传感器应安装在变形小的位置。其次，为提高测量精度，目标超声传感器应尽可能远离模型坐标轴系的坐标原点。另外，为避免风洞坐标轴系与模型坐标轴系的轴系转换误差，目标点之间的距离不能差距过大，目标点的数量应不少于4。如图1为所示。由于超声测量过程中，安装在模型上的目标超声传感器和安装在模型周边的信标传感器要配对使用，因此应保证试验过程中目标超声传感器和信标超声传感器能相互直接探测到信号。

二是在低速风洞闭口试验段的内壁面或者开口试验段的模型周边布置接收发送一体式的信标超声传感器。由于模型位置和姿态角的变化范围对信标超声传感器的数量和布局影响很大，因此尽可能多布置一些信标传感器，保证试验过程中，安装在模型上的至少三个目标超声传感器能被四个或四个以上的信标超声传感器直接检测到信号。如图2为闭口试验段布置的信标超声传感器示意图。

三是在低速风洞闭口试验段的内壁面或者开口试验段的模型周边布置接收发送一体式的实时声速测量传感器。实时声速测量传感器应两两配对布置，并要求试验时配对的实时声速测量传感器之间不能有任何隔挡物，保证声波能在两个超声传感器之间直线传播。如图3为闭口试验段上布置的四组实时声速测量传感器的示意图。

四是构建模型位姿超声测量系统，该系统由主要由计算机（配备高速数据采集卡等）、固定安装在模型周边的多个信标超声传感器和多组配对实时声速测量传感器、固定安装在模型上的目标超声传感器以及相应的软件系统等组成。信标超声传感器、声速测量传感器和目标超声传感器由专门的精密稳压电源供电。模型位姿超声测量系统的组成框图见图4所示。图中仅给出一台精密稳压电源，实际使用时可根据布置情况多选用几台。目标超声传感器所用的电源可以固定于模型腔体内部，另外精密稳压电源也可以选用多个压力稳定的电池等替代。软件系统作为模型位姿超声测量的核心，包含用户交互界面、所有超声传感器的参数配置数据库、实时声速测量软件、系统校准和标定软件和模型位姿测量软件等。计算机置于风洞运行控制间内，并通过线缆与信标超声传感器、实时声速测量传感器和目标超声传感器等相联。计算机用于控制信标超声传感器、声速测量传感器和目标超声传感器发射和接收超声波信号、准确测量实时声速以及从发射到接收到超声信号的超声传感器间的精确距离，并通过相关软件计算出模型的实时位姿参数。

五是在低速风洞试验模型位姿的超声测量前，应先对系统进行校准和标定。校准和标定在试验准备时没有吹风的情况下进行，主要包括对信标超声传感器的坐标位置测定和校准、配对实时声速测量传感器间的距离测定和校准、以及试验模型上固定安装的所有目标超声传感器的坐标位置测定和校准等。校准和标定用的移测架如图5所示，其由X向直线模组、Y向直线模组、Z向直线模组和校准超声传感器固定支架等组成。Z向直线模组为两套，其中一套配备驱动电机，另一套做为辅助导向，两套直线模组的基座固定在试验段的上、下壁板上，其运动部件的运动方向铅垂，与风洞坐标轴系的Z向平行。Y向直线模组的基座两端分别固定在两套Z向直线模组的运动部件上，Y向直线模组运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的Y向平行。X向直线模组的基座固定在Y向直线模组的运动部件上，校准超声传感器固定支架固定在X向直线模组运动部件上，X向直线模组运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的X向平行。通过计算机控制X、Y和Z向直线模组运动，就可实现固定在校准超声传感器固定支架上的校准超声传感器在风洞坐标轴系下X_W、Y_W和Z_W坐标分量的准确定位。

对信标超声传感器和实时声速测量超声传感器的坐标值的校准和标定利用移测架采用基点校准法进行。即利用移测架控制校准超声传感器的准确定位，并利用超声测距和测边空间后方交会来获得信标超声传感器和实时声速测量超声传感器的准确坐标值。对于模型上的目标超声传感器，其位置采用坐标重合法进行校准和标定（不使用移测架）。即将模型安装在试验段内固定后，通过经纬仪、光学倾斜仪或激光跟踪仪等将模型的姿态角（偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角Φ）调整到0°，设定模型参考点（模型坐标轴系原点）与风洞坐标轴系原点重合，然后利用信标超声传感器和目标超声传感器采用测边空间后方交会来获得目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，由于风洞坐标轴系和模型坐标轴系重合，因此测量到的风洞坐标即为目标传感器在模型坐标轴系上的坐标。

在每个班次的试验前或者试验间隙，应对目标超声传感器和信标传感器进行标定。标定利用经纬仪、光学倾斜仪、激光跟踪仪等作为测量基准，在没有吹风的情况下，利用目标超声传感器和信标超声传感器相互标定，并将超声测量结果与测量基准相比较，如果存在误差，通过变换模型位姿找出存在误差的超声传感器，然后采用一定的方法对其坐标位置进行修正后再使用。如果误差较大或者难以修正则可对存在偏差的超声传感器予以标记，并在随后的测量中不予采用。如果发现存在偏差的超声传感器数量较多，无法保证试验时满足测量采用的测边空间后方交会，就应该重新予以校准。

对于配对实时声速测量传感器的标定，可利用4组配对实时声速测量传感器互相标定，即同时测量实时声速，如果发现其中一组有差别，试验时就不应再采用其测量数据。如果发现其中两组测量数据都有较大差别，就应该重新予以校准。

六是在试验过程中，信标超声传感器利用测边空间后方交会获得模型上3个或3个以上目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，再利用这些目标超声传感器在模型坐标轴系即可求出此时模型坐标轴系与风洞坐标轴系的坐标转换矩阵，包括旋转矩阵R和平移矩阵T，平移矩阵T也就是模型的位置(x₀，y₀，z₀)，再对旋转矩阵R求解即可求出模型的姿态参数(Ψ, θ,Φ)，至此获得了低速风洞试验模型此刻完整的位姿参数。在具体的试验过程中，根据试验需求，模型位姿超声测量系统根据风洞主控系统的指令完成模型位姿实时测量并将测量结果随时反馈给风洞主控系统，从而完成低速风洞模型位姿的实时测量。

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 (6)

1.一种低速风洞模型位姿超声测量系统，其特征在于包括控制器，精密稳压电源，和通过线缆分别与控制器连接的目标超声传感器、信标超声传感器和实时声速测量传感器；

所述目标超声传感器固定设置在被测模型上，目标超声传感器不少于四个；

所述信标超声传感器固定设置在低速风洞试验段的内壁面上，且信标超声传感器分布在被测模型的四周，信标超声传感器不少于四个；

所述被测模型上的至少三个目标超声传感器能与风洞内壁上的至少四个信标超声传感器配对实现相互之间距离的直接测量；

所述实时声速测量传感器固定设置在低速风洞试验段的内壁面上，且实时声速测量传感器分布在被测模型的四周，所述实时声速测量传感器两两配对设置，配对的两个实时声速测量传感器之间无隔挡物，使得声波能在两个实时声速测量传感器之间能沿直线传播；

上述所有传感器均为接收发送一体式的超声传感器；

所述控制器设置在低速风洞外的运行控制间内，用于超声传感器供电的精密稳压电源不少于一组，目标超声传感器所用的精密稳压电源设置在被测模型腔体内部。

2.根据权利要求1所述的一种低速风洞模型位姿超声测量系统，其特征在于所述模型位姿在试验过程中的测量方法为：

通过信标超声传感器利用测边空间后方交会获得模型上3个以上目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，再利用这些目标超声传感器在模型坐标轴系上的坐标求解出此时模型坐标轴系与风洞坐标轴系的坐标转换矩阵，包括旋转矩阵R和平移矩阵T，平移矩阵T即为模型的位置(x₀，y₀，z₀)，再对旋转矩阵求解即可求出模型的姿态角，所述姿态角包括偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角Φ，即可获得低速风洞试验模型此刻完整的位姿参数；

控制器通过风洞主控系统的指令完成被测模型位姿实时测量并将测量结果随时反馈给风洞主控系统，从而完成低速风洞模型位姿的实时测量。

3.根据权利要求1所述的一种低速风洞模型位姿超声测量系统，其特征在于所述目标超声传感器设置在被测模型上变形小的位置。

4.根据权利要求1所述的一种低速风洞模型位姿超声测量系统，其特征在于所述目标超声传感器不能设置在模型坐标轴系的坐标原点。

5.一种用于对权利要求1所述的低速风洞模型位姿超声测量系统进行校准和标定的移测架，其特征在于包括X向直线模组、Y向直线模组、Z向直线模组、校准超声传感器固定支架和控制器；

所述Z向直线模组为两套，每套Z向直线模组的基座分别固定在试验段的上壁板和下壁板上，所述Z向直线模组上设置有运动部件，运动部件的运动方向铅垂且与风洞坐标轴系的Z向平行；

所述Y向直线模组的基座两端各自固定在两套Z向直线模组的运动部件上，Y向直线模组上的运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的Y向平行；

所述X向直线模组的基座固定在Y向直线模组的运动部件上，所述校准超声传感器固定支架固定在X向直线模组运动部件上，X向直线模组运动部件的运动方向与风洞坐标轴系的X向平行；

所述控制器控制每个直线模组的运动部件的运动。

6.根据权利要求1所述的一种低速风洞模型位姿超声测量系统的测量方法，其特征在于风洞试验前需对测量系统进行校准和标定，试验间隙能够进行校准，以确保测量精度满足要求；

系统的校准和标定：

信标超声传感器和实时声速测量传感器的坐标值的校准和标定利用的如权利要求5所述的移测架采用基点校准法进行，即通过控制器控制X、Y和Z向直线模组上的运动部件控制校准超声传感器的准确定位，并利用超声测距和测边空间后方交会获得信标超声传感器和实时声速测量传感器的在风洞坐标轴系上的准确坐标值；

安装在被测模型上的目标超声传感器，其在模型坐标轴系上的坐标值采用坐标重合法进行校准和标定，即将被测模型固定在试验段内，通过经纬仪将模型的姿态角调整到0°，所述姿态角包括偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角Φ，设定模型参考点，模型参考点为模型坐标轴系原点与风洞坐标轴系原点重合，利用信标超声传感器和目标超声传感器采用测边空间后方交会获得目标超声传感器在风洞坐标轴系上的坐标，由于风洞坐标轴系和模型坐标轴系重合，因此测量到的坐标值即为目标超声传感器在模型坐标轴系上的坐标值。