CN116499696B - 一种提高风洞模型试验模型姿态角动态精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高风洞模型试验模型姿态角动态精度的方法，属于风洞模型试验技术领域。本发明解决了在风洞模型试验中存在动态因素影响时无法实时地、精确测量模型姿态角度的问题。本发明采集各轴向加速度计输出值并计算，得到各轴向加速度；依据当前时刻俯仰轴、滚转轴角加速度的值进行判断当前是否受动态干扰，当角加速度不为零时，对俯仰轴、滚转轴对应轴加速度值进行修正，得到各轴加速度的纯净加速度，角加速度为零时，测值即为纯净加速度；利用纯净加速度值进行各轴姿态角度的计算，得到修正后的姿态角度值；向系统回传角度数据。本发明显著提高了模型在风洞试验中运动条件下姿态角度测量的动态精度和可靠性。

Description

一种提高风洞模型试验模型姿态角动态精度的方法

技术领域

本发明属于风洞模型试验技术领域，具体为一种提高风洞模型试验模型姿态角动态精度的方法。

背景技术

在风洞的模型试验中，需要改变试验模型的姿态，作为风洞试验的基础试验条件，根据风洞中模型试验的要求，需要准确的控制和测量模型的姿态角度，作为风洞中模型试验的重要参数，进行数据分析。模型姿态角度的测量数据需要测量精度高，实时性强，才能保证后期试验模型的参数分析和模型试验评估的准确性。

但风洞试验中，尤其是高速风洞试验中，由于试验条件的要求和试验环境的影响，模型姿态角度的测量会受到动态条件的干扰，如模型自身姿态改变，以及迎风面在风速影响下的振动等，即实际风洞中模型试验是一个存在运动变化的动态环境，而角度测量必然会受到动态因素，也就是非重力场环境的加速度值的影响，从而影响测量精度。风洞试验中原来用于模型姿态测量的方法是依据安装在模型支杆的后端测量装置，通过位移和角度的转化推算出前端模型的姿态角度，在上述试验环境不能精确的反映前端模型在试验过程中的实际姿态，前端测量在试验过程中受动态因素影响大，也很难在动态试验环境中精确地测量姿态角。

因此，本申请提出一种具有较好的实用性、使用更灵活，相比原有方法精度更高的一种提高风洞模型试验模型姿态角动态精度的方法用以解决上述问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决现有技术在风洞模型试验中存在动态因素影响时无法实时地、精确测量模型姿态角度的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，包括以下步骤：

步骤一：试验前，标定测角的俯仰、滚转轴加速度计，得到加速度值计算参数；

步骤二：将角速度传感器安装至实时模型姿态角度测量装置上，在不同振幅和不同频率的条件下，拟合出固定采样周期时x轴、y轴的线加速度变化量与x轴、y轴的角速度变化量之间的关系；

步骤三：试验开始，对各轴向加速度计、角速度传感器进行数据采集；

步骤四：计算采样周期内角速度增量，得到角加速度，利用步骤二得到俯仰轴、滚转轴角加速度和各轴向干扰加速度；

步骤五：主流程依据步骤三中采集的各轴向加速度计测得实际输出值，依据步骤四得到当前时刻俯仰轴、滚转轴角加速度的值进行判断；角加速度不为零时，对俯仰轴、滚转轴对应轴加速度值进行修正后，得到各轴的纯净加速度，角加速度为零时，直接得到各轴的纯净加速度，进入步骤六；

步骤六：利用纯净加速度值进行各轴角度的计算，得到修正后的角度值；

步骤七：向系统回传角度数据，继续下一采样周期，循环步骤三至步骤七，完成高精度角度修正的连续动态试验角度测量。

进一步的，所述步骤一的具体方法为：在试验前，使用转台在静态条件下，标定各轴加速度计得到x轴、y轴的加速度计的零偏系数Bax、Bay和x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax、Kay。

进一步的，所述步骤二的具体方法为：安装好角速度传感器后，校正角速度传感器的测量敏感轴与加速度计测量轴轴向一致，利用速率转台在不同速率的情况下对使用的角速度传感器进行标定，得到角速度至角加速度的转换系数，使用角振动转台或在速率转台上以不同的速率摆动模拟动态环境，拟合出固定采样周期时x轴、y轴的线加速度变化量Δax'、Δay'与x轴、y轴的角速度变化量ΔωGx' 、ΔωGy' 之间的关系为：

Δax'=Kωx ×ΔωGx' （1）；

Δay'=Kωy ×ΔωGy' （2）；

从式（1）和式（2）中得到x轴、y轴的加速度的转换修正系数Kωx 、Kωy。

进一步的，所述步骤三的具体方法为：开始试验时，实时测量模型姿态角度，进行各轴向加速度计数据采集的同时，控制角速度传感器进行数据采集，得到同时刻的x轴加速度ax、y轴加速度ay和角速度值。

进一步的，所述步骤四的具体方法为：计算采样周期内角速度增量，得到角加速度，利用步骤二得到的x轴加速度转换修正系数Kωx和y轴加速度转换修正系数Kωy将实测角速度变化量ΔωGx、ΔωGy计算转换为相应轴向上的干扰加速度Δax和Δay，并得到式（3）和式（4）：

Δax =Kωx ×ΔωGx （3）；

Δay = Kωy ×ΔωGy （4）。

进一步的，所述步骤五的具体方法为：依据步骤三中采集的各轴向加速度计测得实际输出值，通过x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax和Kay、x轴、y轴的加速度计的零偏系数Bax和Bay参数计算得到各轴加速度，当角加速度不为零时，说明当前时刻有需要修正的振动干扰，通过式（5）和式（6）对x轴、y轴对应轴加速度值进行修正，得到纯净加速度ax'和ay'，式（5）和式（6）分别为：

ax' =Kax× ax+ Bax+ Δax （5）；

ay' =Kay× ay+Bay+ Δay （6）；

当角加速度为零时，x轴、y轴加速度即为纯净加速度ax'和ay'，进入步骤六。

进一步的，步骤二中所述的模型姿态角度测量装置包括测量模块底座、X轴加速度计、Y轴加速度计和角速度传感器，X轴加速度计、Y轴加速度计按轴向安装在测量模块底座上，角速度传感器与加速度计轴向一致安装在测量模块底座上，测量模块底座整体布置在试验模型质心位置上。

本发明具有以下有益效果：

本发明的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法解决了风洞模型试验中运动过程和吹风过程中模型姿态角度测量的准确度问题，体积小、成本少，操作简单，显著提高了模型在风洞试验中运动条件下姿态角度测量的动态精度和可靠性。

本发明的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法应用于风洞试验中模型试验运动状态，以及风洞试验中造成的动态影响问题的解决，在风洞试验模型姿态角动态精度补偿修正应用中，可取得理想效果，也可以在保证数据采集时刻相同的前提下，单独增加角速度传感器，运用本动态精度修正方法，扩展应用于后处理式数据拟合等。

附图说明

图1是一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法加速度值计算修正流程图；

图2是一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法角速度传感器安装示意图。

图中11-测量模块底座，12-X轴加速度计，13-Y轴加速度计，14-角速度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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。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。

实施例1，结合图1-图2说明本实施例，本实施例的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，装置部分包括测量模块底座11、X轴加速度计12、Y轴加速度计13、角速度传感器14，X轴加速度计12、Y轴加速度计13按轴向安装在测量模块底座11上，角速度传感器14安装在测量模块底座11上，为保证角速度传感器14和X轴加速度计12、Y轴加速度计13轴向一致，通过安装时的调试机械位置保持同轴或使用软件标定同轴性。在试验时，测量模块底座11整体布置在试验模型质心位置上，各轴向与被测模型同轴安装。

具体包括以下步骤：

步骤一：在试验开始前，使用转台在静态条件下，标定各轴加速度计，得到x轴、y轴的加速度计零偏系数Bax、Bay和x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax、Kay；

步骤二：安装角速度传感器14，校正角速度传感器14的测量敏感轴与加速度计测量轴轴向一致，利用速率转台在不同速率的情况下对使用的角速度传感器14进行标定，得到角速度至角加速度的转换系数，使用角振动转台或在速率转台上以不同的速率摆动模拟动态环境，在不同的角振动条件下或速率摆动的条件下，分别测量俯仰x轴、滚转y轴角速度传感器14和加速度计的变化，在不同振幅和不同频率的条件下，拟合出固定采样周期时x轴、y轴的线加速度变化量Δax'、Δay'与x轴、y轴的角速度变化量ΔωGx' 、ΔωGy' 之间的关系为：

Δax'=Kωx×ΔωGx' （1）；

Δay'=Kωy×ΔωGy' （2）；

从式（1）和式（2）中得到x轴、y轴的加速度的转换修正系数Kωx 、Kωy；

步骤三：开始试验后，实时测量模型姿态角度时，进行各轴向加速度计数据采集的同时，控制进行角速度传感器14的数据采集，得到同时刻x轴加速度ax、y轴加速度ay和角速度值；

步骤四：计算采样周期内角速度增量，得到角加速度，并利用步骤二得到的x轴加速度转换修正系数Kωx和y轴加速度转换修正系数Kωy将实测角速度变化量ΔωGx、ΔωGy计算转换为相应轴向上的干扰加速度Δax和Δay：

Δax=Kωx×ΔωGx （3）；

Δay =Kωy×ΔωGy （4）；

步骤五：主流程依据步骤三采集的各轴向加速度计测得的实际输出值，通过x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax、Kay，x轴、y轴的加速度计的零偏系数Bax、Bay等参数计算得到各轴加速度，同时系统依据步骤四得到的当前时刻俯仰轴、滚转轴角加速度的值进行判断，若角加速度不为零时，说明当前时刻有需要修正的振动干扰，通过式（5）和式（6）对x轴、y轴对应轴加速度值进行修正，得到纯净加速度ax'和ay'；

式（5）和式（6）为：

ax' =Kax×ax+Bax+ Δax （5）；

ay' =Kay×ay+Bay+ Δay （6）；

当各轴的角加速度为零时，x轴、y轴采集计算的加速度即为纯净加速度ax'和ay'，直接进入步骤六；

步骤六：利用纯净加速度值进行各轴角度的计算，得到修正后的角度值；

步骤七：向系统回传角度数据，继续下一采样周期，循环步骤三至步骤七，完成带高精度角度修正的连续动态试验角度测量。

加速度计算修正流程具体如图1所示，上电启动后进行输出信号形式，通讯形式，传感器数量等基本的默认参数配置。试验时角速度传感器14与x轴加速度计12和y轴加速度计13同时刻进行速度数据采集，通过加速度计值计算加速度，通过角速度传感器值计算用于补偿修正的干扰加速度，补偿运算周期必须小于动态响应要求的周期，实施例中整个算法的采集、修正补偿周期小于10mS；

当有振动干扰时，会有俯仰x轴和滚转y轴出现干扰加速度值，从而影响计算角度的加速度值，使用角速度传感器14测得这种变化，通过取出振动条件下角速度变化带来的加速度变化的方法对x轴、y轴方向的加速度值进行修正；

修正公式为：

ax' =Kax × ax + Bax + Kωx×ΔωGx （7）；

ay' =Kay × ay + Bay + Kωy×ΔωGy （8）；

式（7）中：ax'为修正后的x轴纯净加速度，ax为采集的x轴加速度，Kax为x轴向加速度计刻度系数，Bax为x轴加速度计零偏系数，Kωx为x轴的加速度转换修正系数，ΔωGx 为角速度传感器实测x轴角速度变化量；

式（8）中：ay'为修正后的y轴纯净加速度，ay为采集的y轴加速度，Kay为y轴向加速度计刻度系数，Bay为y轴加速度计零偏系数，Kωy为y轴的加速度转换修正系数，ΔωGy 为角速度传感器实测y轴角速度变化量。

x轴的加速度转换修正系数Kωx，y轴的加速度转换修正系数Kωy通过在试验室振动台模拟不同的振动条件，通过测量角速度的变化计算及反复验证得出。

本实施例进行了增加修正算法和不使用修正算法的误差试验对比，如下表所示：

数据对比表是在试验室模拟振动的条件下，使用了修正算法和没有使用的部分测量数据对比，误差的计算是基于振动过程中理论计算的位置角度，从数据对比中可以看出，使用了修正算法在一定的范围内的振动条件，可以提高测量精度。

本实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：试验前，标定测角的俯仰、滚转轴加速度计，得到加速度值计算参数；

步骤二：将角速度传感器（14）安装至实时模型姿态角度测量装置上，在不同振幅和不同频率的条件下，拟合出固定采样周期时x轴、y轴的线加速度变化量与x轴、y轴的角速度变化量之间的关系；

步骤三：试验开始，实时测量模型姿态角度，进行各轴向加速度计数据采集的同时，控制角速度传感器（14）进行数据采集，得到同时刻的x轴加速度ax、y轴加速度ay和角速度值；

步骤四：计算采样周期内角速度增量，得到角加速度，利用步骤二得到的x轴加速度转换修正系数Kωx和y轴加速度转换修正系数Kωy将实测角速度变化量ΔωGx、ΔωGy计算转换为相应轴向上的干扰加速度Δax和Δay，并得到式（3）和式（4）：

Δax = Kωx ×ΔωGx （3）；

Δay = Kωy ×ΔωGy （4）；

步骤五：主流程依据步骤三中采集的各轴向加速度计测得实际输出值，依据步骤四得到当前时刻俯仰轴、滚转轴角加速度的值进行判断；通过x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax和Kay、x轴、y轴的加速度计的零偏系数Bax和Bay参数计算得到各轴加速度，当角加速度不为零时，说明当前时刻有需要修正的振动干扰，通过式（5）和式（6）对x轴、y轴对应轴加速度值进行修正，得到纯净加速度ax'和ay' ，式（5）和式（6）分别为：

ax' = Kax× ax+ Bax+ Δax （5）；

ay' = Kay× ay+Bay+ Δay （6）；

当角加速度为零时，x轴、y轴加速度即为纯净加速度ax'和ay'，进入步骤六；

步骤六：利用纯净加速度值进行各轴角度的计算，得到修正后的角度值；

步骤七：向系统回传角度数据，继续下一采样周期，循环步骤三至步骤七，完成高精度角度修正的连续动态试验角度测量。

2.根据权利要求1所述的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：

在试验前，使用转台在静态条件下，标定各轴加速度计得到x轴、y轴的加速度计的零偏系数Bax、Bay和x轴、y轴加速度计的刻度系数Kax、Kay。

3.根据权利要求2所述的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：

安装好角速度传感器（14）后，校正角速度传感器（14）的测量敏感轴与加速度计测量轴轴向一致，利用速率转台在不同速率的情况下对使用的角速度传感器（14）进行标定，得到角速度至角加速度的转换系数，使用角振动转台或在速率转台上以不同的速率摆动模拟动态环境，拟合出固定采样周期时x轴、y轴的线加速度变化量Δax'、Δay'与x轴、y轴的角速度变化量ΔωGx' 、ΔωGy' 之间的关系为：

Δax'= Kωx ×ΔωGx' （1）；

Δay'= Kωy ×ΔωGy' （2）；

从式（1）和式（2）中得到x轴、y轴的加速度的转换修正系数Kωx 、Kωy。

4.根据权利要求1所述的一种提高风洞模型试验测量模型姿态角动态精度的方法，其特征在于：步骤二中所述的模型姿态角度测量装置包括测量模块底座（11）、X轴加速度计（12）、Y轴加速度计（13）和角速度传感器（14），X轴加速度计（12）、Y轴加速度计（13）按轴向安装在测量模块底座（11）上，角速度传感器（14）与加速度计轴向一致安装在测量模块底座（11）上，测量模块底座（11）整体布置在试验模型质心位置上。