CN106226026A - 测量模型的六自由度位移和姿态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法，以十字校准架模拟模型，使用绝对测量臂建立风洞坐标系，通过测量十字校准架上的第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系下的坐标值，计算出第一杆件的轴线的矢量和第二杆件的轴线的矢量计算出矢量与水平面的夹角、矢量与铅垂面的夹角以及矢量与水平面的夹角，并进一步计算出十字校准架的俯仰角、偏航角和滚转角，即模型的俯仰角、偏航角和滚转角，同时还利用校准孔在风洞坐标系下的坐标值计算出风洞坐标系下模型的质心坐标。本发明解决了风洞试验模型的位移和姿态的综合测量问题，实现了对模型的六自由度位移和姿态的测量，测量精度高，计算速度快。

Description

测量模型的六自由度位移和姿态的方法

技术领域

本发明属于风洞试验领域，尤其涉及一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法。

背景技术

多体分离投放试验通常采用多自由度的运动机构来支撑试验模型，试验模型在风洞中进行多自由度运动。试验模型的自由度包括三个平动自由度和三个转动自由度。模型的平动自由度由模型质心在风洞坐标系下的x、y、z坐标表示，模型的转动自由度由三个欧拉角表示，分别为：俯仰角偏航角ψ、滚转角γ。

传统的测量试验模型位置和姿态的工具有象限仪、水平仪和卡尺等，这些测量工具只能进行单自由度位移或者姿态测量。在多体分离投放试验准备过程中，需要对试验模型六自由度的精准度进行大量重复测量，对于多自由度综合测量，这时单自由度测量方法已不能满足要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法，克服了现有测量工具和方法的局限性，满足多体分离投放风洞试验对模型位移和姿态角综合测量的要求。

本发明提供的技术方案为：

一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法，包括：

步骤(1)一支撑机构固定于风洞内，将一个十字校准架固定于支撑机构上，利用十字校准架模拟模型，其中，所述十字校准架由彼此垂直连接的第一杆件和第二杆件构成，所述第一杆件的轴线与所述模型的体轴平行，所述第二杆件的轴线与所述模型的对称面垂直，并且所述第一杆件的轴线上开设有两个第一圆孔和第二圆孔，所述第二杆件的轴线上开设有第三圆孔和第四圆孔；

步骤(2)利用绝对测量臂建立一风洞坐标系；

步骤(3)利用绝对测量臂测量第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系中的坐标值；

步骤(4)将第一圆孔和第二圆孔视为轴线L₁上的两个点，利用第一圆孔和第二圆孔计算所述第一杆件的轴线L₁的矢量将第三圆孔和第四圆孔视为轴线L₂上的两个点，利用第三圆孔和第四圆孔计算所述第二杆件的轴线L₂的矢量并计算矢量相对于水平面的夹角λ_θ，矢量相对于铅垂面的夹角λ_ψ以及矢量相对于水平的夹角λ_γ，则所述模型的俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角γ的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\\ \mathrm{\ψ}=\arcsin \[\sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\\ \mathrm{\γ}=\arcsin \[\sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\end{array}\right.;$

步骤(5)从第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔中选择一个作为校准孔，在模型坐标系中所述模型的质心坐标(x_b,y_b,z_b)与该校准孔的坐标(x_b1,y_b1,z_b1)关系为(x_b,y_b,z_b)-(x_b1,y_b1,z_b1)＝(Δx_b,Δy_b,Δz_b)，则以风洞坐标系下所述模型的质心坐标表征所述模型的位移，风洞坐标系下所述模型的质心坐标(x,y,z)为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+L\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_b\\ {\mathrm{\Δy}}_b\\ {\mathrm{\Δz}}_b\end{array}\right],$

其中，为模型坐标系到风洞坐标系的转换矩阵，(x₁,y₁,z₁)为该校准孔在风洞坐标系下的坐标值。

优选的是，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述步骤(2)通过以下过程实现：

将一个方箱固定于风洞内，以所述方箱的共享同一顶点的三个面以及该顶点建立所述方箱坐标系，利用绝对测量臂测量所述风洞坐标系的原点在所述方箱坐标系中的坐标值，计算出方箱坐标系与风洞坐标系的转换关系，从而建立起风洞坐标系。

优选的是，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，以所述方箱中固定于风洞侧壁面上的一个顶点作为所述方箱坐标系的原点，所述方箱坐标系的三轴方向与所述风洞坐标系的三轴方向一致。

优选的是，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述模型为导弹模型。

优选的是，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述第一圆孔和第二圆孔分别设置在所述第一杆件的两端，所述第三圆孔和所述第四圆孔分别设置在所述第二杆件的两端，所述第一圆孔位于所述第一杆件相对于靠近所述支撑机构的一端，所述校准孔为所述第一圆孔。

本发明所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法以十字校准架模拟模型，使用绝对测量臂建立风洞坐标系，通过测量十字校准架上的第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系下的坐标值，计算出第一杆件的轴线的矢量和第二杆件的轴线的矢量计算出矢量与水平面的夹角、矢量与铅垂面的夹角以及矢量与水平面的夹角，并进一步计算出十字校准架的俯仰角、偏航角和滚转角，即模型的俯仰角、偏航角和滚转角，同时还利用校准孔在风洞坐标系下的坐标值计算出风洞坐标系下模型的质心坐标。本发明解决了风洞试验模型的位移和姿态的综合测量问题，实现了对模型的六自由度位移和姿态的测量，测量精度高，计算速度快。

附图说明

图1为本发明所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中十字校准架和支撑机构的示意图。

图2为本发明所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中风洞坐标系和方箱坐标系的示意图。

图3为本发明所述的十字校准架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1至图3所示，本发明提供一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法，包括：

步骤(1)一支撑机构6固定于风洞内，将一个十字校准架5固定于支撑机构上，利用十字校准架5模拟模型8，其中，所述十字校准架由彼此垂直连接的第一杆件和第二杆件构成，所述第一杆件的轴线与所述模型的体轴平行，所述第二杆件的轴线与所述模型的对称面垂直，并且所述第一杆件的轴线L₁上开设有第一圆孔和第二圆孔，所述第二杆件的轴线L₂上开设有第三圆孔和第四圆孔。具体地，上述十字校准架为刚体。第一圆孔1、第二圆孔2的中心位于第一杆件的轴线L₁上，第三圆孔3和第二圆孔4的中心位于第二杆件的轴线L₂上。

步骤(2)利用绝对测量臂建立一风洞坐标系(如图2所示)。

步骤(3)利用绝对测量臂测量第一圆孔1、第二圆孔2、第三圆孔3和第四圆孔4在风洞坐标系中的坐标值。

步骤(4)将第一圆孔和第二圆孔视为轴线L₁上的两个点，利用第一圆孔和第二圆孔计算所述第一杆件的轴线L₁的矢量将第三圆孔和第四圆孔视为轴线L₂上的两个点，利用第三圆孔和第四圆孔计算所述第二杆件的轴线L₂的矢量并计算矢量相对于水平面B的夹角λ_θ，矢量相对于铅垂面A的夹角λ_ψ以及矢量相对于水平面B的夹角λ_γ，则所述模型的俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角γ的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\\ \mathrm{\ψ}=arcsin\[sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\\ \mathrm{\γ}=\arcsin \[sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\end{array}\right..$

该计算公式为由下列公式得出：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)=\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\γ}\right)\end{array}\right..$

步骤(5)模型位移用模型质心在风洞坐标系中的坐标值表征。依据模型质心和十字校准架上选定的校准孔之间的几何关系，能够将在风洞坐标系下选定的校准孔的坐标值换算成模型质心在风洞坐标系中的坐标值。具体地，从第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔中选择一个作为校准孔。根据模型的几何结构，在模型坐标系中所述模型的质心坐标(x_b,y_b,z_b)与该校准孔的坐标(x_b1,y_b1,z_b1)关系为(x_b,y_b,z_b)-(x_b1,y_b1,z_b1)＝(Δx_b,Δy_b,Δz_b)，则以风洞坐标系下所述模型的质心坐标表征所述模型的位移，风洞坐标系下所述模型的质心坐标(x,y,z)为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+L\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_b\\ {\mathrm{\Δy}}_b\\ {\mathrm{\Δz}}_b\end{array}\right],$

其中，为模型坐标系到风洞坐标系的转换矩阵，(x₁,y₁,z₁)为该校准孔在风洞坐标系下的坐标值。

上述模型坐标系的原点O为模型质心，ox轴为模型纵轴，指向模型头部；oy轴位于模型的纵对称面内，oy轴垂直于ox轴；oz轴垂直于模型的纵对称面。ox、oy、oz组成右手直角坐标系。

优选地，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述步骤(2)通过以下过程实现：将一个方箱固定于风洞内，以所述方箱的共享同一顶点的三个面以及该顶点建立所述方箱坐标系，利用绝对测量臂测量所述风洞坐标系的原点在所述方箱坐标系中的坐标值，计算出方箱坐标系与风洞坐标系的转换关系，从而建立起风洞坐标系。

优选地，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述步骤(2)通过以下过程实现：将一个方箱固定于风洞侧壁面，并使方箱的上平面与风洞的下壁面平行，以所述方箱的共享同一顶点的三个面以及该顶点建立所述方箱坐标系，利用绝对测量臂测量所述风洞坐标系的原点在所述方箱坐标系中的坐标值，从而计算出方箱坐标系与风洞坐标系的转换关系，从而建立起风洞坐标系。

优选地，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，以所述方箱中固定于风洞侧壁面上的一个顶点作为所述方箱坐标系的原点，所述方箱坐标系的三轴方向与所述风洞坐标系的三轴方向一致。

优选地，所述步骤(3)中，第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系下的坐标值可以是通过以下方式获得：先利用绝对测量臂直接测量出第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔和第四圆孔在方箱坐标系中的坐标值，再利用方箱坐标系与风洞坐标系的转换关系将第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔和第四圆孔在方箱坐标系下的坐标值换算成风洞坐标系下的坐标值。

另外，在步骤(4)中，可以利用第一圆孔和第二圆孔在风洞坐标系下的坐标值计算矢量利用第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系下的坐标值计算矢量也可以不经过从方箱坐标系向风洞坐标系的转换步骤，而直接利用第一圆孔和第二圆孔在方箱坐标系下的坐标值计算矢量利用第三圆孔和第四圆孔在方箱坐标系下的坐标值计算矢量

优选地，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述模型为导弹模型，还可以是其他类型的模型。

优选地，所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法中，所述第一圆孔和第二圆孔分别设置在所述第一杆件的两端，所述第三圆孔和所述第四圆孔分别设置在所述第二杆件的两端，所述第一圆孔位于所述第一杆件相对于靠近所述支撑机构的一端，所述校准孔为所述第一圆孔。其中，将第一圆孔选定为校准孔，其原因在于，第一圆孔最靠近支撑机构，其刚性较好，绝对测量臂对校准孔的测量精度更高。

下面结合外挂物捕获轨迹试验中测量导弹模型的六自由度位移和姿态作为实施例，详细说明本发明的技术方案。

(1)以十字校准架代替导弹模型，固定在六自由度支撑机构上，控制六自由度支撑机构运动可以实现十字校准架的六自由度运动；

(2)将一方箱固连在风洞侧壁面上，并且使方箱的上平面与风洞入口处的下壁面平行，使用绝对测量臂测量方箱互相垂直的三个面和风洞洞壁上一个固定点(如图2所示)，由三个面和一个点建立方箱坐标系。本实施例中方箱坐标系与风洞坐标系三轴方向一致，只有原点不同。使用绝对测量臂测量风洞坐标系原点在方箱坐标系下的坐标，将方箱坐标系平移到风洞坐标系。实施例中从方箱坐标系到风洞坐标系平移的坐标量为(633.967，24.269，598.895)

(3)控制六自由度支撑机构运动，使十字校准架到达空间一个位置，使用绝对测量臂测量十字校准架的第一杆件的轴线L₁上的第一圆孔和第二圆孔、第二杆件的轴线L₂上的第三圆孔和第四圆孔，得到第一圆孔1，第二圆孔2，第三圆孔3，和第四圆孔4在方箱坐标系的坐标值(十字校准架的结构如图3所示)。本实施例中第一圆孔1的坐标为(1501.973，-63.343，-568.880)，第二圆孔2的坐标为(1710.373，-88.947，-572.513)，第三圆孔3的坐标为(1606.349，-84.221，-500.581)，第四圆孔4的坐标为(1603.985，-84.151，-640.608)。

(4)十字校准架矢量与水平面的夹角λ_θ为-7.002°，矢量与铅锤面的夹角λ_ψ为0.991°，矢量与水平面的夹角λ_γ为0.078°，模型的俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角γ与λ_θ、λ_ψ和λ_γ的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)=sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)=cos\left(\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\ψ}\right)\\ sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)=cos\left(\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\γ}\right)\end{array}\right.,$

进一步可以求得俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角γ：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\\ \mathrm{\ψ}=\arcsin \[\sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)/\cos \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\\ \mathrm{\γ}=\arcsin \[\sin \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)/\cos \left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\end{array}\right.,$

则计算得到的模型俯仰角θ为-7.002°，偏航角ψ为0.999°，滚转角γ为0.078°。

(5)选定第一圆孔1为校准孔，该校准孔在风洞坐标系的坐标值(x₁,y₁,z₁)为(2135.940，-39.074，30.015)。同时，在模型坐标系下模型质心与第一圆孔1的坐标关系(x_b,y_b,z_b)-(x_b1,y_b1,z_b1)＝(Δx_b,Δy_b,Δz_b)＝(100,30,0)。那么在风洞坐标系下模型质心坐标为(x,y,z)可以通过以下关系求解：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+L\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_b\\ {\mathrm{\Δy}}_b\\ {\mathrm{\Δz}}_b\end{array}\right]$

其中，L为模型坐标系到风洞坐标系的转换矩阵，矩阵表达式为：

由此可以计算出本实施例中模型质心在风洞坐标系中的坐标值为(2238.836，-21.487，28.261)。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种测量模型的六自由度位移和姿态的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)一支撑机构固定于风洞内，将一个十字校准架固定于支撑机构上，利用十字校准架模拟模型，其中，所述十字校准架由彼此垂直连接的第一杆件和第二杆件构成，所述第一杆件的轴线与所述模型的体轴平行，所述第二杆件的轴线与所述模型的对称面垂直，并且所述第一杆件的轴线上开设有第一圆孔和第二圆孔，所述第二杆件的轴线上开设有第三圆孔和第四圆孔；

步骤(2)利用绝对测量臂建立一风洞坐标系；

步骤(3)利用绝对测量臂测量第一圆孔和第二圆孔和第三圆孔和第四圆孔在风洞坐标系中的坐标值；

步骤(4)将第一圆孔和第二圆孔视为轴线L₁上的两个点，利用第一圆孔和第二圆孔计算所述第一杆件的轴线L₁的矢量将第三圆孔和第四圆孔视为轴线L₂上的两个点，利用第三圆孔和第四圆孔计算所述第二杆件的轴线L₂的矢量并计算矢量相对于水平面的夹角λ_θ，矢量相对于铅垂面的夹角λ_ψ以及矢量相对于水平的夹角λ_γ，则所述模型的俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角γ的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\\ \mathrm{\ψ}=\arcsin \[sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ψ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\\ \mathrm{\γ}=\arcsin \[sin\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\γ}}\right)/cos\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}\right)\]\end{array}\right.;$

步骤(5)从第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔和第四圆孔中选择一个作为校准孔，在模型坐标系中所述模型的质心坐标(x_b,y_b,z_b)与该校准孔的坐标(x_b1,y_b1,z_b1)关系为(x_b,y_b,z_b)-(x_b1,y_b1,z_b1)＝(Δx_b,Δy_b,Δz_b)，则以风洞坐标系下所述模型的质心坐标表征所述模型的位移，风洞坐标系下所述模型的质心坐标(x,y,z)为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+L\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_b\\ {\mathrm{\Δy}}_b\\ {\mathrm{\Δz}}_b\end{array}\right],$

其中，为模型坐标系到风洞坐标系的转换矩阵，(x₁,y₁,z₁)为该校准孔在风洞坐标系下的坐标值。

2.如权利要求1所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法，其特征在于，所述步骤(2)通过以下过程实现：

将一个方箱固定于风洞内，以所述方箱的共享同一顶点的三个面以及该顶点建立所述方箱坐标系，利用绝对测量臂测量所述风洞坐标系的原点在所述方箱坐标系中的坐标值，计算出方箱坐标系与风洞坐标系的转换关系，从而建立起风洞坐标系。

3.如权利要求2所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法，其特征在于，以所述方箱中固定于风洞侧壁面上的一个顶点作为所述方箱坐标系的原点，所述方箱坐标系的三轴方向与所述风洞坐标系的三轴方向一致。

4.如权利要求1至3中任一项所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法，其特征在于，所述模型为导弹模型。

5.如权利要求1所述的测量模型的六自由度位移和姿态的方法，其特征在于，所述第一圆孔和第二圆孔分别设置在所述第一杆件的两端，所述第三圆孔和所述第四圆孔分别设置在所述第二杆件的两端，所述第一圆孔位于所述第一杆件相对于靠近所述支撑机构的一端，所述校准孔为所述第一圆孔。