CN109596305A - 基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统及方法，该发明基于风洞自由飞实验技术，建立了一套气动/运动参数一体化实验系统，通过三自由度释放装置将实验模型与测力天平连接，测力天平数据与飞行控制系统同步连接与地面控制中心，且飞行控制系统与地面控制中心采用WiFi通信连接，实现模型姿态参数和气动参数的同步采集，可了解和测量气动力对飞行器飞行性能的实时影响。该实验系统可靠、集成度高、运动灵活。既可以实现模型的控制，又能够实现姿态信息和飞机气动力数据的实时数据采集。有助于改进气动力数学模型和促进高性能飞行器和控制系统的设计。

Description

基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统及 方法

技术领域

本发明涉及风洞动态试验技术，具体涉及一种基于风洞自由飞的气动/运动参数一体化动态实验系统及方法。

背景技术

在飞机的动态气动特性研究上，目前常用的方式还是传统的强迫振荡实验和试飞试验。传统强迫振荡动试验受支杆气动弹性影响较大，运动机构设计与试验数据后处理均非常复杂，试验成本较高。此外，强迫振荡动试验需要较高风速与强迫振荡频率才能从天平中获得足够信噪比气动数据。而试飞实验直接面临的问题是风险高、成本高、周期长等问题，且实验条件难以控制、难以重复、易受天气影响。

且常规的测力实验和飞机机动运动过程通常都是分开研究，而在大迎角下，气动参数和运动参数都随时间剧烈变化，而且气动参数与运动参数相互作用，呈现强烈的耦合效应，非常容易诱发非指令耦合运动，导致飞行失控，对气动和运动的一体化研究具有较大的意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于风洞自由飞的气动/运动参数一体化动态实验系统及方法。风洞自由飞试验由于释放了转动自由度，有效隔离了支撑系统的气动弹性影响，是风洞气流环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理试验，在获得飞机实验模型的姿态信息的同时获得此时气动力，不仅可以较为真实的反映飞行器的机动运动过程，还能展示气动/运动耦合特性，揭示气动/运动耦合机理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，包括风洞，设置于风洞内的自由度释放装置、风洞实验模型、测力天平、天平数据采集系统、地面控制中心；所述自由度释放装置包括支撑杆、设置于支撑杆顶部的自由度关节；所述风洞实验模型的腹部重心位置固定于自由度关节；所述支撑杆的底部与测力天平的重心位置固定连接；所述天平数据采集系统输入端与所述测力天平的输出端连接用以接受和处理测力天平的信号；所述地面控制中心与所述天平数据采集系统输出端连接以将测力数据进行记录和实时储存；所述风洞实验模型内嵌飞行控制系统，飞行控制系统与地面控制中心无线连接。

进一步的，所述自由度释放装置能够实现风洞实验模型的滚转、俯仰和偏航的单自由度释放，以及俯仰滚转、偏航滚转和俯仰偏航的两自由度释放，还能够实现风洞实验模型的三自由度释放。

进一步的，俯仰方向的释放角度能够达到±60°，滚转的释放角度能够达到±35°，偏航能够实现±180°释放。

进一步的，所述测力天平为六分量盒式天平。

进一步的，所述天平数据采集系统包括放大器和数据滤波器。

基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验方法，包括如下步骤：

步骤1：地面控制中心向飞行控制系统发送闭环指令；

步骤2：飞行控制系统控制风洞实验模型在风洞保持姿态稳定；

步骤3：地面控制中心开始采集并记录风洞实验模型的姿态信息和测力天平的测力数据；

步骤4：地面控制中心向飞行控制系统发送指令激励信号；

步骤5：飞行控制系统控制风洞实验模型做出相应的姿态响应；

步骤6：地面控制中心停止采集数据；重复步骤1-5。

有益效果：本发明基于风洞自由飞实验技术，建立了一套气动/运动参数一体化实验系统，通过三自由度释放装置将实验模型与测力天平连接，测力天平数据与飞行控制系统同步连接与地面控制中心，且飞行控制系统与地面控制中心采用无线通讯，实现模型姿态参数和气动参数的同步采集，可了解和测量气动力对飞行器飞行性能的实时影响。该实验系统可靠、集成度高、运动灵活。既可以实现模型的控制，又能够实现姿态信息和飞机气动力数据的实时数据采集。有助于改进气动力数学模型和促进高性能飞行器和控制系统的设计。

附图说明

图1为本发明的气动/运动参数一体化动态系统结构示意图；

图2中，(a)为自由度关节的侧面结构示意图；(b)为自由度关节的底面结构示意图；(c)为三自由度释放装置结构示意图；

图3为利用一种基于风洞自由飞的气动/运动参数一体化动态实验系统完成一个实验的整体工作流程图；

图4为实验结果示意图；

其中1是三自由度释放装置，2是风洞实验模型，3是飞行控制系统，4是测力天平，5是天平数据采集系统，6是地面控制中心，7是支撑杆，8是自由度关节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示是基于风洞自由飞的气动/运动参数一体化动态实验系统，包括风洞，设置于风洞内的自由度释放装置1、风洞实验模型2、测力天平4、天平数据采集系统5、地面控制中心6；所述自由度释放装置1包括支撑杆7、设置于支撑杆7顶部的自由度关节8；所述风洞实验模型2的腹部重心位置固定于自由度关节8；所述支撑杆7的底部与测力天平4的重心位置固定连接；所述天平数据采集系统5输入端与所述测力天平4的输出端连接用以接受和处理测力天平4的信号；所述地面控制中心6与所述天平数据采集系统5输出端连接以将测力数据进行记录和实时储存。自由度关节8由偏航构件、滚转构件以及俯仰构件三部分组成，支撑杆7通过轴承与偏航构件连接，偏航构件通过轴承与滚转构件相连，滚转构件通过轴承与俯仰构件相连，滚转构件与风洞实验模型2的腹部重心位置连接。

风洞实验模型2内嵌飞行控制系统3，飞行控制系统3与地面控制中心6分别设置WiFi设备，两者通过Wi Fi信号连接。地面控制中心6通过Wi Fi信号向飞行控制系统3发送指令信号，并将接收到的测力试验数据实时传送至飞行控制系统3，并实时监测飞行控制系统3的飞行姿态信息。飞行控制系统3包括微舵机系统、飞行控制器，可实现舵面驱动，姿态解算和数据记录等功能。

测力天平4为六分量盒式天平，它是利用浮动框力的分解原理及合适的测量电桥将六个分量独立测出。该结构形式天平可以达到较高的刚度，分量间干扰小，其二次干扰可以达到忽略的程度。能够测量三个力和三个力矩。

天平数据采集系统包括放大器和数据滤波器。六分量盒式天平的获得的初始信号是极微弱的电信号，需要经过放大器放大以后才能被采集系统采集；同时初始的电信号携带有噪声信号，需经过数据滤波器滤波，以获得更好的数据。

如图2所示，三自由度释放装置1包括支撑杆7和自由度关节8，可以实现风洞实验模型的滚转、俯仰和偏航的单自由度释放，以及俯仰滚转、偏航滚转和俯仰偏航的两自由度释放，还可以实现实验模型的三自由度释放。其中俯仰方向的释放角度可以达到±60°，滚转的释放角度可以达到±35°，偏航可实现±180°释放。

一种基于风洞自由飞的气动/运动参数一体化动态实验方法，如图3，包括：

1)连接好实验系统，并做简单的调试；

2)将飞行控制系统与地面控制中心连接于同一无线局域网内，然后地面控制中心通过WiFi信号与实验模型内嵌飞行控制系统建立连接；

3)地面控制中心通过WiFi向飞行控制系统发送闭环指令，包括倍脉冲信号，斜坡信号、小波信号等；

4)飞行控制系统接收到指令信号后，驱动微舵机系统以调节舵面偏转使实验模型在风洞保持姿态稳定；

5)待实验模型稳定后，地面控制中心开始采集并记录飞机姿态信息和天平测力数据；

6)地面控制中心通过Wi Fi向飞行控制系统发送指令激励信号；

7)飞行控制系统驱动微舵机系统使实验模型做出相应的姿态响应；

8)地面控制中心停止采集数据；

9)开始新的实验：如果“是”，再一次实验开始。如果“否”，实验结束。

其实验结果如图4，由图4可知，两次重复实验测得的升力系数曲线具有良好的重复性。飞机模型在做动态俯仰运动时，表现出典型的迟滞效应。在模型上仰过程中，动态测力的升力系数高于静态测力的实验值，在下俯时，升力系数低于静态测力值。实验结果表明，气动/运动参数一体化实验系统，能够实现飞机自由度释放情况下的实时姿态信息以及气动力和力矩的同步获取，动态实验分析结果也表明该实验方式具备揭示飞机运动过程中气动/运动耦合特性的能力，达到了验证动态特性实验可行性的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，其特征在于，包括风洞，设置于风洞内的自由度释放装置(1)、风洞实验模型(2)、测力天平(4)、天平数据采集系统(5)、地面控制中心(6)；所述自由度释放装置(1)包括支撑杆(7)、设置于支撑杆(7)顶部的自由度关节(8)；所述风洞实验模型(2)的腹部重心位置固定于自由度关节(8)；所述支撑杆(7)的底部与测力天平(4)的重心位置固定连接；所述天平数据采集系统(5)输入端与所述测力天平(4)的输出端连接用以接受和处理测力天平(4)的信号；所述地面控制中心(6)与所述天平数据采集系统(5)输出端连接以将测力数据进行记录和实时储存；所述风洞实验模型(2)内嵌飞行控制系统(3)，飞行控制系统(3)与地面控制中心(6)无线连接。

2.根据权利要求1所述的基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，其特征在于，所述自由度释放装置(1)能够实现风洞实验模型(2)的滚转、俯仰和偏航的单自由度释放，以及俯仰滚转、偏航滚转和俯仰偏航的两自由度释放，还能够实现风洞实验模型(2)的三自由度释放。

3.根据权利要求2所述的基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，其特征在于，俯仰方向的释放角度能够达到±60°，滚转的释放角度能够达到±35°，偏航能够实现±180°释放。

4.根据权利要求1所述的基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，其特征在于，所述测力天平(4)为六分量盒式天平。

5.根据权利要求1所述的基于风洞自由飞的气动和运动参数一体化动态实验系统，其特征在于，所述天平数据采集系统(5)包括放大器和数据滤波器。

6.基于权利要求1所述系统的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：地面控制中心(6)向飞行控制系统(3)发送闭环指令；

步骤2：飞行控制系统(3)控制风洞实验模型(2)在风洞保持姿态稳定；

步骤3：地面控制中心(6)开始采集并记录风洞实验模型(2)的姿态信息和测力天平(4)的测力数据；

步骤4：地面控制中心(6)向飞行控制系统(3)发送指令激励信号；

步骤5：飞行控制系统(3)控制风洞实验模型(2)做出相应的姿态响应；

步骤6：地面控制中心(6)停止采集数据，重复步骤1-5。