CN113504388A

CN113504388A - 一种旋翼尾流spiv测量同步移测机构和锁相测量方法

Info

Publication number: CN113504388A
Application number: CN202110984369.0A
Authority: CN
Inventors: 齐中阳
Original assignee: Ningbo Institute of Innovation of Beihang University
Current assignee: Ningbo Institute of Innovation of Beihang University
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2021-10-15
Also published as: WO2023024926A1

Abstract

本发明公开了一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构和锁相测量方法，结构中的结构支架上安装有旋翼模型、传感器、激光头和摄像装置，分别用于进行旋翼尾流测量、旋翼相位锁定、照亮旋翼尾流的测量区域内的示踪粒子；锁相测量方法对观测区域内的示踪粒子进行捕捉，得到观测区域的速度场，锁相测量方法针对测量区域进行对焦和标定，对相位角的转轴标定点进行锁定，针对测量区域照亮示踪粒子并进行数据采集和数据分析，直到全部测量区域的数据采集完毕。本发明结合了相位锁定测量和相位平均技术，实现了伪时间解析的三维速度场测量并抑制了瞬态SPIV测量的较高误差问题，实现了指定相位角的测量，得到准确的流场分析结果。

Description

一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构和锁相测量方法

技术领域

本发明涉及一种同步移测机构和锁相测量方法，尤其涉及一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构和锁相测量方法。

背景技术

旋翼作为直升机的主要升力和操纵部件，其尾流结构对直升机的飞行性能和可靠性具有直接影响。因为旋翼尾流场包含空气动力学的多种复杂特性，如流场的整体旋转性、非定常性、非线性、三维效应、流场中的桨尖涡结构、桨-涡干扰、桨叶局部区域的动力分离等，流动结构的实验测量非常困难。

SPIV(Stereoscopic Particle Image Velocimetry)技术是一种通过在流体中均匀布撒与流体密度相近的粒子，并利用立体视觉原理，采用两台CCD相机离轴布置对激光片照亮的同一观测区进行粒子图像采集，之后通过对所采得的粒子图像进行互相关等一系列计算，最终得到该观测区域的粒子空间位移信息的流动观测技术。因此，SPIV是一种可以测量流场中一个二维切面上的三分量速度场的实验测量方法，可以获得高精度的旋翼尾流时空演化速度场数据。

SPIV测量旋翼尾流过程中，为了得到流动的全局特性和时空演化特性，往往需要沿下游方向选取多个站位，进行二维切面三分量速度场测量。根据SPIV技术的测量要求，需要调节两台CCD相机焦距与激光片重合于测量切面，之后进行标定，调节和标定过程难度较大且复杂。目前针对旋翼尾流SPIV测量过程中，每个测量站位均需进行一次调节和标定，导致实验难度大，效率低。此外，现有技术还存在旋翼转速快，SPIV时间解析能力有限等缺陷，无法准确刻画旋翼尾流特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构和锁相测量方法，可实现一次对两台CCD相机和激光片进行调节并标定，保证标定好的相机和激光片系统同步自动移动并依此测量所有站位，解决现有技术存在的缺憾；同时，结合相位锁定和SPIV测量技术，解决了旋翼转速快、SPIV时间解析能力限制的问题，实现了伪时间解析的三维速度场测量并抑制了瞬态SPIV测量的较高误差问题。

本发明采用如下技术方案实现：

一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构，其特征在于，包括一个结构支架，在结构支架上安装有旋翼模型、传感器、激光头和摄像装置，其中：

旋翼模型，用于进行旋翼尾流测量；

传感器，用于旋翼相位锁定；

激光头，用于照亮旋翼尾流的测量区域内的示踪粒子；

摄像装置，用于对观测区域内的示踪粒子进行捕捉，得到观测区域的速度场；

激光头和摄像装置在导轨驱动电机的作用下进行同步运动，对示踪粒子进行数据采集。

进一步的，在结构支架上安装有驱动导轨和驱动电机，驱动导轨沿垂直方向设置，摄像装置和激光头分别安装在驱动导轨上，在驱动电机的带动下沿垂直方向同步向上运动或向下运动。

进一步的，摄像装置包括两个CCD相机。

进一步的，传感器安装在固定支架上，与旋翼转轴标定点在同一水平面，传感器对转轴标定点进行锁定。

一种旋翼尾流SPIV测量的锁相测量方法，其特征在于，锁相测量方法具体包括：针对测量区域进行对焦和标定，启动旋翼模型旋转，产生旋翼尾流，布撒示踪粒子；确定旋翼尾流测量的相位角，通过传感器对相位角的转轴标定点进行锁定，每次旋翼旋转至测量相位角时，同步触发激光光源和摄像装置，针对测量区域照亮示踪粒子并进行数据采集；针对锁定相位进行多次重复采集，直到满足后续分析的数据条件；控制驱动电机工作，使摄像装置和激光头同步移动，自动切换测量区域，锁定测量相位角，触发摄像装置对测量区域数据采集；循环进行上述内容，直到全部测量区域的数据采集完毕，在程序中输入参数，启动程序开始实验测量；实验结束，进行数据后处理工作。

进一步的，摄像装置包括两个CCD相机，CCD相机和激光头分别固定安装在CCD相机支杆和激光头支杆上，驱动电机控制CCD相机支杆和激光头支杆进行移动。

本发明具备的有益技术效果是：本发明结合了相位锁定测量和相位平均技术，解决了旋翼转速快、SPIV时间解析能力限制的问题，实现了伪时间解析的三维速度场测量并抑制了瞬态SPIV测量的较高误差问题。从之前的只可以测量旋翼最高10转/分钟提高到400转/分钟。可以测量旋翼高转速流场，达到测量接近实际流场的目的。在实验中仅需要一次标定，能够提高实验效率，降低实验难度；标定过程简单方便；自动依此测量所有站位，CCD相机和激光头的同步走位精度高，有利于提升旋翼尾流时空演化的刻画精度；相位锁定测量和相位平均技术与SPIV技术相结合，解决了现有技术存在的旋翼转速快、SPIV时间解析能力有限的问题，实现了伪时间解析的三维速度场测量并抑制了瞬态SPIV测量的较高误差问题。之前只能对采集的所有数据进行一起分析，不能针对特定相位流场进行分析，分析结果不准确，但是本发明通过锁定相位角，对同一相位角可多次采集，实现了指定相位角的测量，以得到准确的流场分析结果。

附图说明

图1为本发明提供的SPIV原理拓扑图。

图2为本发明提供的SPIV测量旋翼尾流实验布置图。

图3为本发明提供的旋翼尾流SPIV自动移测机构示意图。

图4为本发明提供的旋翼尾流SPIV自动移测机构正视图。

图5为本发明提供的旋翼尾流SPIV自动移测机构俯视图。

图6为本发明提供的旋翼尾流SPIV自动移测机构侧视图。

图7为本发明提供的旋翼尾流SPIV测量实验示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想是，在SPIV测量旋翼尾流的实验中，利用一套自动移动测量系统和对应的移动测量方法，实现两个CCD相机对焦激光片的一次调节和标定，自动完成所有站位的二维切面三分量速度场测量，使相关实验的效率更高，操作更简单，并有效提升流动刻画的精度；同时，结合相位锁定和SPIV测量技术，解决了旋翼转速快、SPIV时间解析能力有限的问题，实现了伪时间解析的三维速度场测量并抑制了瞬态SPIV测量的较高误差问题。通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

附图标记说明：

驱动导轨1、驱动导轨2、驱动电机3、驱动电机4、结构支架5、CCD相机支杆6、激光头支杆7、CCD相机云台8、CCD相机云台9、激光头10、支撑滑轨11、支撑滑轨12、支撑滑轨13、支撑滑轨14、CCD相机15、CCD相机16、旋翼模型17、激光片18、旋翼转轴19、传感器20

如图1所示，SPIV的原理为用激光照亮要测量的流场为观测区域，相机一和相机二以一定角度分别对观测区域内的示踪粒子进行捕捉，得到观测区域的速度场。

如图2所示利用SPIV技术进行旋翼尾流测量实现的实验布局，保证两台CCD相机15、CCD相机16和激光头10经过标定后，相对位置维持不变，在对旋流尾流进行多个站位自动测量时，CCD相机15、CCD相机16和激光头10同步垂直移动，切换站位测量。

如图3所示，本发明的自动移测装置主要包括驱动导轨1和驱动导轨2、驱动电机3和驱动电机4、结构支架5、CCD相机支杆6、激光头支杆7、CCD相机云台8和CCD相机云台9、支撑滑轨11、支撑滑轨12、支撑滑轨13和支撑滑轨14，各方向视图如图4、5和6所示。CCD相机云台8和CCD相机云台9是安装、固定CCD相机的支撑设备，可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后锁定调整机构，还可以扩大CCD相机的监视范围，或者由电动机进行精确定位，跟踪监视对象。

如图7结合图2描述，自动移测装置及其相位锁定测量方法的正常工作状态为：测量旋翼模型17的尾流结构，安装在激光头支杆7上的激光头10照亮纵向旋翼尾流的测量区域，CCD相机15安装在CCD相机云台8上，CCD相机16安装在CCD相机云台9上，CCD相机云台8和CCD相机云台9安装在CCD相机支杆6上，且CCD相机支杆6和激光头支杆7相互垂直，传感器20安装在结构支架5上，对旋翼测量相位角下的旋翼转轴19上的标定点进行锁定。

分别通过CCD相机云台8和CCD相机云台9调整CCD相机15和CCD相机16相对于测量区域的角度，然后在测量区域内调整CCD相机15和CCD相机16的焦距，最后进行标定。标定完成后，流场中布撒示踪粒子，在程序中输入参数，启动程序开始实验测量，通过程序在旋翼旋转至锁定相位角时，传感器20接收信号，同步触发激光头10、CCD相机15和CCD相机16进行数据采集，重复采集完成测量相位角的所需数据量后，程序自动触发控制器，同步控制驱动电机3和驱动电机4，使CCD相机支杆6和激光头支杆7同步沿驱动导轨1和驱动导轨2纵向移动到第二个站位，激光头10照亮第二个测量区域，然后程序再次在旋翼旋转至锁定相位角时触发CCD相机15和CCD相机16进行数据采集，之后依此到第三站位、第四站位直至完成所有站位的测量。

基于旋翼尾流SPIV测量的相位锁定测量方法具体包括：实验设备搭建与标定：如图7所示，旋翼模型17安装在机构上方，保证旋翼尾流向下发展，根据需要测量的相位角，在旋翼转轴19的对应周向位置选择标定点，传感器20与标定点在同一水平面上，对测量相位角进行锁定。根据激光片的视场范围，沿纵向确定几个测量区域，保证旋翼尾流结构可以得到完成精准的刻画，每个测量区域对应一个测量站位。本说明以确定3个测量站位a、b和c为例进行阐述，如图2所示，测量站位a、b和c为旋翼模型17下方的三个测量位置，在同一平面上，依次以移动距离L的间隔远离旋翼。

首先针对最靠近旋翼模型17的测量站位a，激光头10通过激光片18进行照亮(图2所示)；其次调节CCD相机云台8和CCD相机云台9，使固定在上面的CCD相机15和CCD相机16以合适的角度对准测量区域a(参考图1)；再次调节CCD相机15和CCD相机16的镜头，焦距对准测量区域a；最后进行标定操作。

旋翼尾流SPIV实验测量：启动旋翼模型17旋转，产生旋翼尾流；布撒示踪粒子；传感器20锁定旋翼模型17旋转过程中的测量相位角。

在实验设备搭建与标定的步骤中，已经针对测量区域a进行了对焦和标定，在此基础上，确定实验过程为：旋翼模型17旋转过程中，每当转到测量相位角时，传感器20发出信号，同步触发激光头10、CCD相机15和CCD相机16针对测量区域a数据采集，重复采集足够测量相位角下的数据；控制驱动电机3和驱动电机4工作使CCD相机支杆6和激光头支杆7同步向下移动距离L，带动CCD相机15、CCD相机16和激光头10同步向下移动距离L，测量区域a自动切换到测量区域b；旋翼模型17旋转过程中，每当转到测量相位角时，传感器20发出信号，同步触发激光头10、CCD相机15和CCD相机16针对测量区域b数据采集，重复采集足够测量相位角下的数据；控制驱动电机3和驱动电机4工作使CCD相机支杆6和激光头支杆7同步向下移动距离L，带动CCD相机15、CCD相机16和激光头10同步向下移动距离L，测量区域b自动切换到测量区域c；旋翼模型17旋转过程中，每当转到测量相位角时，传感器20发出信号，同步触发激光头10、CCD相机15和CCD相机16针对测量区域c数据采集，重复采集足够测量相位角下的数据；实验完成。实验过程中在程序中输入参数，启动程序开始实验测量；实验结束，开始数据后处理等工作。

在这种情况下需要克服现有技术存在的问题：旋翼转速快时只能对采集的所有数据进行分析，计算量巨大，不能针对特定相位流场进行分析，且分析结果不准确的技术问题。本发明通过锁定相位角，对同一相位角进行多次采集，一方面，实现了指定相位角的数据测量，从而可以得到更加准确的流场分析结果；另一方面，突破了现有技术只能对旋翼低转速流场的分析的束缚，显著提升了旋翼高转速状态下，流场分析的准确性，同时能够分析更接近真实旋翼工况的流场，应用本发明方法的流场分析结果对提升旋翼性能更加具有借鉴意义。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。在本专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种旋翼尾流SPIV测量同步移测机构，其特征在于，包括一个结构支架，在结构支架上安装有旋翼模型、传感器、激光头和摄像装置，其中：

旋翼模型，用于进行旋翼尾流测量；

传感器，用于旋翼相位锁定；

激光头，用于照亮旋翼尾流的测量区域内的示踪粒子；

2.根据权利要求1所述的旋翼尾流SPIV测量同步移测机构，其特征在于，在结构支架上安装有驱动导轨和驱动电机，驱动导轨沿垂直方向设置，摄像装置和激光头分别安装在驱动导轨上，在驱动电机的带动下沿垂直方向同步向上运动或向下运动。

3.根据权利要求1所述的旋翼尾流SPIV测量同步移测机构，其特征在于，摄像装置包括两个CCD相机。

4.根据权利要求1或2或3所述的旋翼尾流SPIV测量同步移测机构，其特征在于，传感器安装在固定支架上，与旋翼转轴标定点在同一水平面，传感器对转轴标定点进行锁定。

5.一种旋翼尾流SPIV测量的锁相测量方法，其特征在于，锁相测量方法具体包括：针对测量区域进行对焦和标定，启动旋翼模型旋转，产生旋翼尾流，布撒示踪粒子；确定旋翼尾流测量的相位角，通过传感器对相位角的转轴标定点进行锁定，每次旋翼旋转至测量相位角时，同步触发激光光源和摄像装置，针对测量区域照亮示踪粒子并进行数据采集；针对锁定相位进行多次重复采集，直到满足后续分析的数据条件；控制驱动电机工作，使摄像装置和激光头同步移动，自动切换测量区域，锁定测量相位角，触发摄像装置对测量区域数据采集；循环进行上述内容，直到全部测量区域的数据采集完毕。

6.根据权利要求5所述的旋翼尾流SPIV测量的锁相测量方法，其特征在于，摄像装置包括两个CCD相机，CCD相机和激光头分别固定安装在CCD相机支杆和激光头支杆上，驱动电机控制CCD相机支杆和激光头支杆进行移动。