CN109477770A - 风生成装置和包括该风生成装置的风测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风生成装置(1)，该风生成装置(1)包括至少一个风生成壁(1')，该风生成壁(1')包括多个风生成单元(11)，该多个风生成单元沿至少第一方向和第二方向彼此相邻设置以便形成至少一个风生成壁(1')，其中所述多个风生成单元中的每个风生成单元(11)包括至少两个通风单元(111)，风生成单元内的每个通风单元被单独控制，其特征在于：所述多个风生成单元中的每个风生成单元(11)包括至少一个控制单元，所述控制单元适于单独控制所述通风单元(111)，以便在空气流动路径中在空间和时间上产生任意的风廓线以及沿着所述至少第一方向和第二方向改变所述每个风生成单元所产生的风的物理特性，并且所述多个风生成单元(11)可拆卸地彼此连接，使得所述风生成壁(1')的尺寸和形状可以改变。

Description

风生成装置和包括该风生成装置的风测试设备

技术领域

本发明涉及一种风生成装置和一种包括这种风生成装置的风测试设备，所述风测试设备优选地用于无人机，更优选地用于小型飞行器。

背景技术

在本领域中众所周知的是，风洞对于测试不同类型的装置的空气动力学性能非常有用。这些装置可以包括飞机的缩小模型或飞机的全尺寸的部分，例如飞机尾部。这些风洞的测试过程通常包括将待测物体放置在空气流动路径中，然后产生高速的层流风廓线，并计算物体的与流动力相关的空气动力学性能。可以想象，测试飞机尾部需要生成非常高的风速和非常大的风洞来产生飞行条件。为了实现这种测试，传统的风洞通常产生具有平坦的风廓线和层流的稳定风。因此，这些隧道具有较大的尺寸和占据区域。而且，他们的测试平台几乎无法改变。

几年以来，人们看到使用小型飞行器，如无人机，通常也被称为纳米飞行器的NAV或微型飞行器的MAV，变得越来越重要。因此，以与传统大型飞机相同的方式，这些小型(用于纳米或微型)飞行器需要在风洞中进行测试，以便分析和改善其飞行性能。然而，很容易理解，这类小型飞行器与大型飞机的测试之间存在如下巨大差异，即，对于大型飞机而言，测试可以忽略乱流(shear)、涡流和阵风等湍流，因为这些现象对大型飞机几乎没有影响。相反，这些现象对无人机之类的小型飞行器具有重要影响，因为乱流和阵风实际上改变了小型飞行器在飞行期间的行为。因此，传统的风洞不适用于无人机之类的这些新型小型飞行器。因此，需要一种适用于这些新型小型飞行器的风测试设备，其能够产生小型飞行器在使用时将遇到的特定风条件。

大量的风洞用导管输送，这意味着流通过具有坚固壁的各种管道输送。对于传统测试而言，壁的存在不是问题，因为测试模型牢固地连接在支杆或平台上。然而，对于自由飞行的无人机，壁会产生碰撞危险。

在传统风洞方法中，通过使用换能器来评估空气动力学性能，换能器测量在测试物体上流动的风产生的力。为此，测试模型必须牢固地连接到换能器上，而换能器本身固定在风洞结构上。这种构造不允许测试模型自由飞行。可以理解的是，很难想象如何在非限制性飞行模型上测量流动力。

鉴于上述问题，本发明人已经寻找这些问题的技术方案并且已经实现了下面将描述的本发明。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供一种风生成装置，该风生成装置适于容易地产生风廓线，该风廓线类似于如无人机等小型飞行器在实际飞行条件下(例如，在城市或乡村环境中)经受的风廓线。

更具体地，本发明的另一个目的是提供一种风生成装置，该风生成装置适于容易地产生非层流风流或典型的湍流条件，例如轮廓风、阵风、湍流和恶劣天气。

此外，本发明的另一个目的是提供一种风测试设备，在该风测试设备中小型飞行器(也称为无人机)可以执行无约束的操纵而没有被损坏的风险。

本发明的另一个目的是提供一种测量自由飞行的飞行器的空气动力学性能的方法。

最后，本发明的另一个目的是提供一种用于小型飞行器的模块化风测试设备，该模块化风测试设备易于使用和操纵，并且可以容易地改变并适应特定的飞行器或测试场景。

本发明的第一方面涉及一种风生成装置，该风生成装置包括至少一个风生成壁，该至少一个风生成壁包括多个风生成单元，该多个风生成单元沿至少第一方向和第二方向彼此相邻设置以便形成至少一个风生成壁。每个风生成单元由至少两个通风单元组成，风生成单元内的每个通风单元被单独控制。至少一个控制单元适于所述多个风生成单元中的每一个，以便独立地控制包括在风生成单元中的所述多个通风单元中的每一个。独立地控制每个通风单元的可能性允许在空气流动路径中产生特定的风廓线，以便在空间和时间上改变特定的风廓线。因此，可以在测试期间产生乱流和阵风并改变湍流的类型。此外，由于每个通风单元在至少两个方向上独立控制，因此可以容易地产生任何类型的湍流，并且可以在不使用筛网(screen)或湍流器的情况下实时调节湍流水平，以及涡流中的流动结构的规模可根据小型飞行器的尺寸进行调整。多个风生成单元可拆卸地彼此连接，从而可以改变所述风生成壁的尺寸和形状。由于这一点，风生成装置的模块化是特殊的，因为它可以适应待测试的无人机，但它也可以适应必须进行该测试的环境类型。

本发明的优选实施例在于，每个通风单元由两个串联安装的反向旋转通风扇组成。因此，减少了不受控制的且不期望的湍流的产生。

优选地，风生成装置还在空气流动路径中包括具有蜂窝结构的第一框架和提供安装到风生成单元的多个均化室的第二框架。这些系统的作用类似于对于风扇产生的不期望的涡流的过滤器，并且还使每个风生成单元的风廓线更均匀，以便在测试期间获得更准确的数据和/或更好地控制风的生成。

本发明的一个优选实施例在于，每个通风单元设有其特定的均化室。由此，可以使每个通风单元的风廓线更均匀。

本发明的第二方面涉及一种用于小型飞行器的风测试设备，该风测试设备包括根据本发明的第一方面的风生成装置。

本发明的优选实施例在于，风测试设备还包括用于小型飞行器的位置检测装置，位置检测装置适于检测小型飞行器相对于风测试设备的位置。因此，无人机可以在风洞中被保持控制。

优选地，用于小型飞行器的位置检测装置包括视觉相机系统和飞行器嵌入式传感器中的至少一个，如有源GPS信号。由于这个原因，无人机可以在测试期间自由飞行，无需使用支杆或力测量仪器。

本发明的一个优选实施例在于，风测试设备还包括计算装置，用于基于所述位置检测装置的信号，优选地还有来自用于所述小型飞行器的无人机的发动机、在所述无人机内部的加速度计和陀螺仪的数据，计算作用在小型飞行器上的空气动力。因此，无需借助于天平或传统的力测量仪器就可以容易地评估无人机的空气动力学性能，例如升力、阻力、力矩、稳定性等。

有利地，风测试设备还包括特定的天气条件产生装置，该天气条件产生装置适于在空气流动路径内引入天气条件。由于这一点，无人机的空气动力学性能结果可能更加准确。

优选地，空气流动路径是开放式管道风洞。因此，不存在损坏小型飞行器的风险。

优选实施例在于，风生成装置包括枢转装置。由此，至少一部分风生成装置是可移动的，以便改变空气流动路径的方向。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施例，附图应被认为是说明性的而非限制性的，其中：

-图1A表示本发明的风生成装置的优选实施例的透视图；

-图1B表示本发明的风生成装置的优选实施例的各种几何结构和布置；

-图2表示根据本发明优选实施例的风生成单元的透视图；

-图3A至3C表示用于小型飞行器的风测试设备的侧视图，该风测试设备包括根据本发明第一方面的风生成装置。

具体实施方式

在本文中，优选使用术语“小型飞行器”，但是该术语不应限于飞行物体，因为它更通常涉及任何测试对象，其中真实的风条件测试对于该测试对象是重要的，因为真实的风条件是当测试对象遭受其时影响测试对象行为的空气。

图1A表示本发明的风生成装置1的优选实施例的透视图。

如该图所示，风生成装置1包括单个风生成壁1'，该风生成壁1'又包括多个风生成单元11，这里是三十五个，但是本发明显然不限于此，多个风生成单元11沿箭头Y表示的第一方向(此处为水平方向)和箭头X表示的第二方向(此处为竖直方向)彼此邻近地设置或堆叠，从而形成风生成壁1'。重要的是要注意，这些方向不一定是直的并且可以是弯曲的，例如，如果风生成壁1'具有如图1B所示的弯曲形状。这里提到的空气流动路径涉及可以通过使用风生成装置1来改变风廓线的体积。可以容易地想象，风生成装置1包括在风生成装置1下游的吹气侧和在风生成装置1的上游的吸气侧，吹气侧和吸气侧都是空气流动路径的一部分。这意味着空气流动路径可以位于风生成装置1的一侧或两侧，并且空气流动路径实际上穿过风生成装置1。

如通过图1B所示，可以理解，风生成装置1可以包括多个风生成壁1'，这里是三个，每个风生成壁1'包括特定数量和构造的风生成单元11，它们可拆卸地彼此连接以形成风生成装置1。更具体地，如图1B所示，多个风生成单元11可拆卸地彼此连接，从而可以改变风生成装置1的尺寸和形状以及构造。因此，可以将风生成装置1构造成足够小以便能够携带它或者甚至将其形状构造成适合特定空间或者甚至在图1B中所示的相同的风生成装置1内提供不同的风生成壁1'，例如垂直的风生成壁1'。图1A示出了近似正方形的风生成装置1。然而，本发明不限于此，并且如图1B所示，壁1'可以具有根据飞行器的实际尺寸或期望的风条件的类型所需的任何形状或尺寸。用于将风生成装置连接在一起的可拆卸固定装置未在图中示出，并且不受限制，因为它们可以是任何常规知识。

图2表示根据本发明的优选实施例的风生成单元11的透视图。可以看出，图1中所示的所述多个风生成单元11中的每个风生成单元11包括至少两个通风单元111，图2中的风生成单元11由九个通风单元111组成，这九个通风单元111布置成三行和三列，每行和每列包括三个通风单元111，但是本发明显然不限于这种构造并且可以是不同的，例如，风生成单元11可以由至少两个通风单元111组成。而且，每个通风单元111可以由两个串联安装的反向旋转通风扇1111、1112组成。通过串联安装，意味着它们沿着风流动路径以相邻的方式布置或附接。可以使用任何类型的风扇。虽然这不应该限制本发明，但是风生成装置1可以包括每平方米超过100个的通风扇，从而允许大的风和风廓线调制。利用该风生成装置1，用户可以产生大于50km/h、直到100km/h或更高的风速。

此外，从图2中可以看出，风生成装置1，更优选地，每个风生成单元11还在空气流动路径中，但优选地在通风单元111的上游，包括第一框架2和第二框架3，第一框架2具有蜂窝结构，第二框架3提供安装到风生成单元11的多个均化室31。优选地，每个通风单元111设置有其特定的均化室31。

尽管未在图中示出，但是控制单元是本发明的关键特征，因为它适于单独控制风生成单元11内的每个通风单元111，以便改变每个风生成单元11沿第一方向Y和第二方向X所产生的风的物理特性，例如力、速度、强度、时间变化、压力、方向等，以便在空间和时间上改变特定的风廓线。这允许风生成单元11产生彼此不同的n个风廓线。此外，由于多个风生成单元11中的每个风生成单元11包括至少两个通风单元111，所以控制单元还能够单独控制风生成单元11内的每个通风单元111。控制单元是从风生成单元外部接收信号、处理该信号并输出命令信号以控制通风单元的电子装置。至少一个控制单元适用于每个风生成单元。

图3A至3C表示用于小型飞行器6的特定风测试设备4的侧视图，该特定风测试设备4包括根据本发明第一方面的风生成装置1。

这里的风测试设备是3合1的设备，包括本发明的风生成装置1和一侧(这里是吸气侧)的风洞壳体。壳体包括上述三个部分，会聚部分、层流部分和发散部分，并且如图3B所示允许无人机以规则的层流进行测试。在风生成装置1的另一侧是开放式管道风洞，无人机可以如箭头所示在湍流中进行测试。下面通过枢转装置解释图3A和3C之间的差异。

可以看出，无人机6可以放置在用于湍流的风扇吹气侧(图3A)，放置在用于稳定的层流的吸气侧(图3B)，或者放置在具有成角度的风扇结构的倾斜风中(图3C)。

更具体地，图3A示出了具有乱流和阵风流的无人机的测试，如图3A的体积7中的箭头和曲线所示。由于每个风生成单元11在时间和风力或甚至风向上都被单独控制，从而产生这些乱流和阵风。通过风向，意味着由于单独的控制，可以控制一些风生成单元以便反转它们的流动方向。由于在体积7中没有边界壁，因此允许无人机在湍流的空气流动路径内自由飞行。而且，如所示，风测试设备4还包括用于小型飞行器6或无人机的位置检测装置5，位置检测装置5适于检测小型飞行器6相对于风测试设备4的位置。更特别地，如图中所示，用于小型飞行器的位置检测装置5包括系统，该系统包括两个视觉相机51、52，例如Vicon相机系统等，两个视觉相机51、52追踪飞行器6。代替该系统，或者除了该系统之外，位置检测装置5可以包括嵌入飞行器的传感器53。传感器可以是物理传感器，但当然也可以是生成的表示无人机的位置和高度的GPS信号。由于包含在设备4中的这些检测装置5和计算装置，因为所述位置检测装置5充当模拟GPS，所以可以基于所述小型飞行器6的所述位置检测装置5的信号，优选地另外还有来自用于所述小型飞行器的无人机的发动机、所述无人机内部的加速度计和陀螺仪的数据，计算作用在小型飞行器6上的空气动力。

此外，虽然未在图中示出，但是风测试设备4还优选地包括适于在空气流动路径内引入天气条件的特定天气条件产生装置。特定天气条件的示例包括雨、冰雹、沙尘等。

如图3A和3C中所示，空气流动路径是位于体积7中的开放式管道风洞。这意味着空气流动路径不受任何类型的壁的限制。因为所有风生成单元11都是单独控制的，并且可以控制最外面的风生成单元11以便产生有助于将小型飞行器6保持在空气流动路径内的风，所以这是可能的。没有壁允许小型飞行器6执行无约束的操纵而没有碰撞的风险。此外，没有这些障碍，产生的天气条件不会损坏设备。

根据图3C所示的优选实施例，风生成装置1包括枢转装置，以便可移动，从而改变空气流动路径的方向。更具体地，在图3C中，我们可以看到，风生成装置1已经从竖直位置(因而具有水平流动路径)枢转到水平位置(因而具有竖直流动路径)。由于没有可能阻碍风生成装置1的运动的壁，所以这是可能的。通过这种枢转运动，风生成装置1可以测试比传统风洞更多的情况。枢转装置是常规的，并且优选地包括自动控制器和电动机；但是，这不是强制性的。虽然图3C示出了风生成装置1的90°的枢转运动，但是枢转角度可以是不同的，以便仅仅改变流动路径的方向。还请注意，即使图3C示出了整个风生成装置1的枢转运动，也可以提供枢转装置使得仅上述风生成装置1的至少一部分(如上所述为风生成壁1')可以相对于保持在其原始位置的至少一个其他部分移动。

图3B示出了本发明的另一个实施例，其中测试设备4实际上在一侧还包括层流壳体，该层流壳体包括多个边界壁，即，进气段、层流段和发散段，在层流段中由于流的横截面的收缩而增加风速。因此，该设备也可用于传统的空气动力学测试。在这个快速的层流段，无人机没有连接到与传统风洞相对的天平或平衡部件。在这里，无人机使用模拟的GPS信号自主飞行。追踪无人机的位置并使用来自其内部传感器的数据允许计算空气动力的作用力，如针对吹气侧的测试段所述。

虽然以上结合附图所示的优选实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所描述或示出的实施例，而是由所附权利要求的范围限定。例如，风生成装置1不限于任何类型的风扇、风扇形成的壁的任何尺寸或形状、或者待生成的风的受控廓线的任何类型。

Claims (11)

1.一种风生成装置(1)，包括：

至少一个风生成壁(1')，包括：

多个风生成单元(11)，所述多个风生成单元(11)沿至少第一方向和第二方向彼此相邻设置，以形成所述至少一个风生成壁(1')，

其中，所述多个风生成单元中的每个风生成单元(11)包括至少两个通风单元(111)，风生成单元内的每个通风单元被单独控制，

其特征在于，所述多个风生成单元中的每个风生成单元(11)包括至少一个控制单元，所述至少一个控制单元适于单独控制所述通风单元(111)，以便在空气流动路径中在空间和时间上产生任意的风廓线，以便沿着所述至少第一方向和第二方向改变由所述每个风生成单元产生的风的物理特性，和

其中，所述多个风生成单元(11)可拆卸地彼此连接，从而能够改变所述风生成壁(1')的尺寸和形状。

2.根据权利要求1所述的风生成装置，其中，每个通风单元(111)由两个串联安装的反向旋转的通风扇(1111、1112)组成。

3.根据权利要求1或2所述的风生成装置，在空气流动路径中还包括第一框架(2)和第二框架(3)，所述第一框架具有蜂窝结构，所述第二框架提供安装到风生成单元(11)的多个均化室(31)。

4.根据权利要求3所述的风生成装置，其中，每个通风单元(111)设有其特定的均化室(31)。

5.一种用于小型飞行器(6)的风测试设备(4)，包括根据前述权利要求中任一项所述的风生成装置(1)。

6.根据权利要求5所述的风测试设备，还包括用于小型飞行器(6)的位置检测装置(5)，所述位置检测装置(5)适于检测所述小型飞行器相对于所述风测试设备(4)的位置。

7.根据权利要求6所述的风测试设备，其中，用于所述小型飞行器的所述位置检测装置(5)包括视觉相机系统(51、52)和飞行器嵌入式传感器(53)中的至少一个。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的风测试设备，还包括计算装置，所述计算装置用于基于用于所述小型飞行器的所述位置检测装置(5)的信号计算作用在所述小型飞行器(6)上的空气动力。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的风测试设备，还包括特定天气条件产生装置，所述特定天气条件产生装置适于在所述空气流动路径内引入天气条件。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的风测试设备，其中，所述空气流动路径是开放式空间(7)。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的风测试设备，其中，所述风生成装置(1)包括枢转装置。