CN116105962A - 基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统及试验方法，包括设置在风洞内的试验模型和设置在风洞外的控制系统，试验模型内包括一组信号接收模块和至少两组模拟天线，模拟天线包括电机和连接在电机上的线轮，线轮上缠绕有天线，天线的末端连接稳定锥，所述信号接收模块的信号输出端与电机的输入控制端连接，所述控制系统包括计算机和与计算机进行信号传输的信号发射模块和高速摄像机，所述信号传输模块与信号接收模块无线通信；本发明从根本上解决了飞机对潜通信系统试验技术难点，且不受电磁干扰影响，该系统可用于类似空中加油软管收放风洞试验、大型无人机拖靶风洞试验，为外场飞行试验的安全评估工作提供了有效的技术保障。

Description

基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统及试验方法
技术领域
本发明涉及风洞试验领域，具体涉及到基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统及试验方法。
背景技术
为充分发挥水下作业进行及时有效的指挥是极其重要的，目前已被发现并研究的能用于对水下通信的手段有甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继及高频等，由于海水是导电煤质，对电磁波具有很大衰作用，因而解决与水下作业的通信问题成为非常困难的技术难题，从国内外研究的情况来看，完全理想的水下通信手段是不存在的，各种手段都有利有弊。现有的水下通信方式具有发送不够及时、抗电磁干扰能力差，易遭破坏或摧毁等缺点。
由于极低频、蓝绿激光、卫星中继或存在一些目前无法解决的问题，或容易暴露位置，所以，在当前国内的条件下，利用甚低频进行飞机对潜通信是可行的。机载甚低频对潜通信系统美国早已实现，从这一点来看，利用甚低频进行飞机对潜艇通信是可行的。利用甚低频进行对潜通信，水下作业利用拖曳天线接收命令时速度受到限制，最高不能超过4节。这是利用甚低频进行对潜通信所造成的一个不可避免的问题。由于我国早已实现了岸基甚低频对潜通信系统，甚低频对潜通信系统的接收端已装备在用，所以只需研究系统的发射部分。该系统的几项关键技术包括：能够装在飞机上的大功率全固态发射机、发射机与天线的匹配网络、天线收放装置、拖曳天线。100千瓦全固态发射机的所有关键技术目前都已解决，发射机与天线的匹配网络、上行信号接收系统、天线收放装置等可借鉴其它已成熟系统的相应部分。飞机拖曳天线是机载甚低频发射系统的最关键部分，在飞机飞行过程中，天线的垂直度影响了辐射效率，这主要是由于天线的形状引起的。
目前的困难主要在拖曳天线的运动状态问题上，这需要运用流体力学的原理来进行验证，特别是天线稳定锥在机身附近时的运动姿态以及稳定性，其是否会收到机身尾流影响导致乱摆且影响到机身安全，以及两根天线是否受尾流影响在机身附近发生缠绕。由于国内在该领域内发展缓慢，目前在风洞试验中还未有相关成熟的试验方法，以往采用的航模遥控器与普通接收机人为的进行收放线控制，但该方法已受到风洞内各种设备的电磁干扰，且天线收放精度不高，会发生天线稳定锥与机身相碰撞的现象。
发明内容
本发明的目的是设计一套风洞试验方法，用于模拟飞行器在飞行过程中拖曳天线在风中的摇摆状态。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统，包括设置在风洞内的试验模型和设置在风洞外的控制系统，
所述试验模型内包括一组信号接收模块和至少两组模拟天线，所述模拟天线包括电机和连接在电机上的线轮，所述线轮上缠绕有天线，天线的末端连接稳定锥，所述信号接收模块的信号输出端与电机的输入控制端连接，
所述控制系统包括计算机和与计算机进行信号传输的信号发射模块和高速摄像机，所述信号传输模块与信号接收模块无线通信。
在上述技术方案中，每组模拟天线为独立的控制单元。
一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将试验模型置于风洞内，开启风洞对模型进行吹风试验；
步骤二：由风洞外的计算机给出控制信号，控制信号由信号发射模块和信号接收模块相互通信，传输至电机；
步骤三：电机根据控制信号进行工作，带动线轮进行转动，天线与稳定锥在吹风中缓慢释放；
步骤四：在进行步骤三的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥在释放过程中摇摆的状态进行拍摄，并将拍摄的图像进行上传到计算机；
步骤五：当天线与稳定锥释放到指定位置，电机停止工作，天线与稳定锥随着吹风进行摇摆，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤六：由风洞外的计算机给出控制信号，电机带动线轮进行转动，逐步回收摇摆的天线与稳定锥，在回收的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤七：在计算机中，由图像处理软件对天线和稳定锥的运动轨迹与姿态进行分析，并用定性原则进行安全性分析与评估工作。
在上述技术方案中，两组模拟天线具有不同的控制状态：
或，计算机能够独立控制其中一组模拟天线进行收放；
或，计算机控制两组模拟天线同步进行收放。
在上述技术方案中，两组模拟天线具有不同的动作状态：
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用相同转速释放相同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用不同转速释放相同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用相同转速释放不同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用不同转速释放不同长度的天线。
在上述技术方案中，信号发射模块与信号接收模块之间采用Zigbee协议无线通信，通信过程中的数据校验采用的校验方法，具体为：
S1:预置1个16位的寄存器，初始值为OxFFFF；
S2:把信息帧的第一个8位二进制数据与16位的寄存器的低8位相异或，把结果放入寄存器，高8位数据不变；
S3:把寄存器的内容右移一位，用0填补最高位，并检查移出位；
S4:如果移出位为0，重复S3，否，则寄存器与OxA001进行异或；
S5:重复S3和S4，直到右移8次，整个8位数据全部处理完毕；
S6:重复S2～S5，进行信息帧下一个8位二进制数据处理；
S7:将该信息帧所有字节按上述步骤处理完毕，将得到的16位寄存器的高、低位字节交换，得到的寄存器内容即为校验码。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中的天线采用直径为0.8mm或者1mm的金线，该金线密度与真实天线密度符合风洞相似准则要求。
本发明中的线轮的材质为树脂，通过3D打印机制成；考虑到风洞试验模型内部空间有限，电机和线轮采用直连方式；线轮所受的扭矩以及转速与电机相同，控制电机按照给定的速度运转即可实现试验所要求的天线收放速度；电机为定制产品，扭矩大于2N•m以上，额定转速大于1000 r/min，15位绝对编码器，一圈脉冲高达32768，满足试验要求，该电机为控制电机一体化设计、体积小、接线简单、低噪声，且支持位置/速度闭环控制，确保了天线收放的高精度要求，避免了与天线相连的稳定锥与机身相撞的现象发生。
本发明中的控制系统采用无线通信方式，为了使用方便和简化系统结构，通信采用Zigbee协议的无线网络。相比与普通PPM信号的无线电波通讯系统，ZigBee是近距离、低复杂度、低功耗的双向无线通信技术，基于IEEE802.15.4标准，工作频段为2.4 GHz，采用QPSK调制技术，传输速率达到250 kb/s，传输距离标准为10～75 m。ZigBee无线网络有星型、树状和网状3种组网结构。由于本试验中系统节点较少，采用最简单的星型网络结构。系统中有洞外控制和模型内部节点。将洞外控制节点设为协调器作为中心节点，模型内部节点设为终端，即该网络为最简单的点对点网络。控制计算机通过接口转换模块与洞外节点连接，控制计算机将控制指令发送至中心节点，中心节点通过无线芯片发送至终端节点，终端节点接收控制信号，通过总线传输控制指令到电机，电机根据控制指令运行到指定位置。
本发明中具有两套模拟天线，可单独收放每根天线，也可同时收放两根天线，两根天线的收放速度和长度可独立设定，互不影响。故本发明中设计的控制软件具备控制模式选择、控制参数设定、调试等功能。在试验过程中，在软件里输入收放速度和收放长度，发送控制指令，实现天线收放的位置控制。
本发明中为了保证通信的可靠性，模型内接收模块接收到数据后需要校验数据，检查数据是否正确，无线通信协议采用CRC校验方法。
本发明从根本上解决了飞机对潜通信系统试验技术难点，且不受电磁干扰影响。同时，该系统也可以用于类似空中加油软管收放风洞试验、大型无人机拖靶风洞试验，为外场飞行试验的安全评估工作提供了有效的技术保障。
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是试验方法原理框图；
图2是通信协议的校验流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示，本实施例的风洞天线收放系统包括两部分，其中一部分设置在风洞外，另一部分设置在风洞内的试验模型内部。其中设置在风洞外的是控制系统，包括计算机和无线传输模块，计算机通过串行总线与无线发射模块进行连接。而在试验模型内，包括两组模拟天线和一个无线信号接收模块，每组模拟天线包括一个无刷电机和与无刷电机连接的线轮，线轮上缠绕有天线，天线的一端连接有稳定锥。无线信号接收模块与无刷电机的控制端进行连接，用于控制无刷电机的工作。
两组模拟天线相互之间是独立的，由信号接收模块发出的控制信号控制每一组模拟天线，因此根据其控制信号可以实现两组模拟天线同步工作，或者只工作其中一组。而在工作过程中，每一组的模拟天线在进行收放的时候，根据无刷电机的转速和工作时间，可以实现对于天线的收放长度进行控制。
整个试验过程中，其关键点在于对于天线的精准控制以及天线在风洞中的状态，因此需要设置一台高速摄像机对天线的运动进行全程的拍摄，而计算机通过图像处理技术对图片进行处理，从而可以得到天线的运动轨迹和姿态。
整个试验过程为：
步骤一：将试验模型置于风洞内，开启风洞对模型进行吹风试验。
步骤二：由风洞外的计算机给出控制信号，控制信号由信号发射模块和信号接收模块相互通信，传输至电机；
在这个过程中，信号发射模块需要对控制信号进行编码，而信号接收模块需要对控制信号进行解码，通过对编解码的校验用于确保信号传输的完整性和可靠性；为了保证通信的可靠性，接收方接收到数据后需要校验数据，检查数据是否正确。通信协议采用CRC校验方法，如图2所示。CRC是循环冗余码校验，能通过多项式生成校验码，计算方法如下：
S1:预置1个16位的寄存器，初始值为OxFFFF；
S2:把信息帧的第一个8位二进制数据与16位的寄存器的低8位相异或，把结果放入寄存器，高8位数据不变；
S3:把寄存器的内容右移一位，用0填补最高位，并检查移出位；
S4:如果移出位为0，重复S3，否，则寄存器与OxA001进行异或；
S5:重复S3和S4，直到右移8次，整个8位数据全部处理完毕；
S6:重复S2～S5，进行信息帧下一个8位二进制数据处理；
S7:将该信息帧所有字节按上述步骤处理完毕，将得到的16位寄存器的高、低位字节交换，得到的寄存器内容即为校验码。
步骤三：电机根据控制信号进行工作，带动线轮进行转动，天线与稳定锥在吹风中缓慢释放；
根据步骤二中的控制信号，可以将控制信号分为同步控制和独立控制两种，具体为：
由信号接收模块控制一组模拟天线工作，由无刷电机驱动线轮释放天线和稳定锥，而另一组模拟天线暂时不工作。
或者有信号接收模块同步控制两组模拟天线工作，两个无刷电机同步驱动线轮同时释放天线和稳定锥。
在释放天线的过程中，无刷电机的转速和工作时长使得天线释放的长度和速度各自不同，具体为：
由信号接收模块给两个无刷电机给出相同转速和工作时间的控制信号，使得两组的天线以相同速度释放相同的长度；
由信号接收模块给两个无刷电机给出相同的转速和不同工作时间的控制信号，使得两组天线以相同速度释放不同的长度；
由信号接收模块给出两个无刷电机给出不同转速的控制信号，使得两组天线最终释放不同的长度；
由信号接收模块给出两个无刷电机给下不同转速的控制信号，使得两组天线最终释放相同的长度。
步骤四：在进行步骤三的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥在释放过程中摇摆的状态进行拍摄，并将拍摄的图像进行上传到计算机；
步骤五：当天线与稳定锥释放到指定位置，电机停止工作，天线与稳定锥随着吹风进行摇摆，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤六：由风洞外的计算机给出控制信号，电机带动线轮进行转动，逐步回收摇摆的天线与稳定锥，在回收的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤七：在计算机中，由图像处理软件对天线和稳定锥的运动轨迹与姿态进行分析，并用定性原则进行安全性分析与评估工作。
在本实施例中，所参与实验的天线、无刷电机、线轮与真实飞行器中的对应的设施要确保满足风洞相似准则要求。
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)

1.一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统，其特征在于包括设置在风洞内的试验模型和设置在风洞外的控制系统，
所述试验模型内包括一组信号接收模块和至少两组模拟天线，所述模拟天线包括电机和连接在电机上的线轮，所述线轮上缠绕有天线，天线的末端连接稳定锥，所述信号接收模块的信号输出端与电机的输入控制端连接，
所述控制系统包括计算机和与计算机进行信号传输的信号发射模块和高速摄像机，所述信号传输模块与信号接收模块无线通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放系统，其特征在于每组模拟天线为独立的控制单元。
3.一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放试验方法，其特征在于：
步骤一：将试验模型置于风洞内，开启风洞对模型进行吹风试验；
步骤二：由风洞外的计算机给出控制信号，控制信号由信号发射模块和信号接收模块相互通信，传输至电机；
步骤三：电机根据控制信号进行工作，带动线轮进行转动，天线与稳定锥在吹风中缓慢释放；
步骤四：在进行步骤三的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥在释放过程中摇摆的状态进行拍摄，并将拍摄的图像进行上传到计算机；
步骤五：当天线与稳定锥释放到指定位置，电机停止工作，天线与稳定锥随着吹风进行摇摆，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤六：由风洞外的计算机给出控制信号，电机带动线轮进行转动，逐步回收摇摆的天线与稳定锥，在回收的过程中，由高速摄像机对天线和稳定锥此时的状态进行拍摄并上传到计算机；
步骤七：在计算机中，由图像处理软件对天线和稳定锥的运动轨迹与姿态进行分析，并用定性原则进行安全性分析与评估工作。
4.根据权利要求3所述的一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放试验方法，其特征在于两组模拟天线具有不同的控制状态：
或，计算机能够独立控制其中一组模拟天线进行收放；
或，计算机控制两组模拟天线同步进行收放。
5.根据权利要求4所述的一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放试验方法，其特征在于两组模拟天线具有不同的动作状态：
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用相同转速释放相同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用不同转速释放相同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用相同转速释放不同长度的天线；
或，计算机控制两组模拟天线的电机采用不同转速释放不同长度的天线。
6.根据权利要求3-5任一所述的一种基于飞机对潜通信方式的风洞天线收放试验方法，其特征在于信号发射模块与信号接收模块之间采用Zigbee协议无线通信，通信过程中的数据校验采用的校验方法，具体为：
S1:预置1个16位的寄存器，初始值为OxFFFF；
S2:把信息帧的第一个8位二进制数据与16位的寄存器的低8位相异或，把结果放入寄存器，高8位数据不变；
S3:把寄存器的内容右移一位，用0填补最高位，并检查移出位；
S4:如果移出位为0，重复S3，否，则寄存器与OxA001进行异或；
S5:重复S3和S4，直到右移8次，整个8位数据全部处理完毕；
S6:重复S2～S5，进行信息帧下一个8位二进制数据处理；
S7:将该信息帧所有字节按上述步骤处理完毕，将得到的16位寄存器的高、低位字节交换，得到的寄存器内容即为校验码。
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