CN117824984B - 一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，属于风洞试验技术领域，本发明为了解决现有技术常用的三种姿态角测量方法单独使用均不能准确测量模型姿态角的问题。使用大迎角机构以尾部支撑的方式将试验模型固定在支杆上进行高速风洞试验，试验前标定视频测角系统、采集基准图像、标定风洞天平和支杆的弹性角系数、测量角度传感器的安装角，试验过程中采用角度传感器测量机械臂中段的俯仰角和滚转角、采用视频测角系统测量机械臂中段的偏航角、采用编码器测量机械臂前段的俯仰角、计算得到风洞天平和支杆的弹性角，通过轴系转换最终得到试验模型的迎角和侧滑角。本发明测量与计算结果准确。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法。
背景技术
一般风洞试验中常用的模型姿态角测量或修正方法有弹性角叠加方法、角度传感器测量角度方法、视频姿态系统测量方法等。弹性角叠加方法适用于常规支撑形式的测力试验中，通过天平测量得到的模型载荷，采用整个支撑系统前端（模型接口）到风洞支撑系统接口（近似认为是刚性）的弹性角系数计算得到弹性角，叠加风洞支撑系统的名义角即可得到模型的姿态角；角度传感器测量角度方法是通过在模型内安装角度传感器，而角度传感器采用了重力摆锤加速度计原理工作，所以它仅能测量俯仰角和滚转角，而无法测量偏航角；视频姿态系统测量方法是通过在模型（被测物体）表面制作标记点，在试验前标定模型姿态角与标记点之间的关系，试验过程中实时拍摄标记点位置从而解算得到模型的姿态角。
高速风洞大迎角机构试验与常规支撑试验相比有其特殊性，常用的三种姿态角测量方法单独使用均不能准确测量模型姿态角：
试验过程中不同姿态角下，大迎角支撑系统机械臂的各关节角度在实时发生变化，支撑系统各方向的刚度也在实时发生变化，相应的弹性角系数不再是固定值，因此常规的弹性角叠加方法已不适用；
角度传感器仅能测量模型的俯仰角和滚转角，无法测量偏航角，因此对于面模型的侧滑角精度无法保证；同时大迎角支撑系统试验过程中为了满足风洞阻塞度的要求，模型尺寸较常规试验模型尺寸小，在模型内不能保证有足够的空间安装角度传感器；
视频姿态系统测量时要求被测区始终处于相机的视场范围内，而大迎角支撑系统模型与支杆绕大迎角支撑系统的前端旋转实现模型的迎角变化，模型被测区的移动范围较大，无法保证在整个试验过程中均处于视频系统相机的视场范围内。
发明内容
本发明的目的是提供一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，以解决现有技术常用的三种姿态角测量方法单独使用均不能准确测量模型姿态角的问题。本发明所采用的技术方案如下：
一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，包括如下步骤：
步骤一、大迎角机构的安装：所述大迎角机构包括依次铰接的机械臂前段、机械臂中段、机械臂后段和机械臂尾段，机械臂前段绕机械臂中段做俯仰运动，机械臂中段绕机械臂后段做偏航运动，机械臂后段绕机械臂尾段做偏航运动，将机械臂尾段与弯刀机构进行连接；
步骤二、将机械臂中段的姿态角调零：调节机械臂中段水平基准面的俯仰角和滚转角至0°，将机械臂中段侧向基准面相对于风洞试验段侧壁的侧滑角调整至小于1′；
步骤三、将角度传感器安装在机械臂中段上；
步骤四、标定视频测角系统的轴系，采集基准图像，验证视频测角系统准度；
步骤五、将支杆的根部与机械臂前段相连，将风洞天平与支杆的尖部相连，并检查风洞天平是否工作正常；
步骤六、先将试验模型安装在风洞天平的另一端，并调平试验模型，再计算试验模型和风洞天平之间的俯仰安装角、偏航安装角/>和滚转安装角/>；
步骤七、系统记零：将试验模型的俯仰角、偏航角和滚转角全部调节至0°，将此时的机械臂前段、机械臂中段和机械臂后段的俯仰角均标记为0°位置，将此时机械臂前段、机械臂中段和机械臂后段的滚转角均标记为0°位置，将所述视频测角系统测得的侧滑角位置标记为0°位置，将角度传感器的读数记为和/>，/>表示角度传感器与机械臂中段水平基准面之间的俯仰安装角，/>表示角度传感器与机械臂中段水平基准面之间的滚转安装角，通过弯刀机构将大迎角机构绕机械臂尾段的轴线旋转90°，并将机械臂中段侧向基准面调节至与地轴系平行，记录角度传感器输出的俯仰角，角度传感器输出的俯仰角即为角度传感器与机械臂中段参考平面之间的偏航安装角/>；
步骤八、正式试验：
按照试验模型迎角和侧滑角的目标值、通过机械臂中段与机械臂后段做偏航运动调节试验模型的侧滑角，通过机械臂前段做俯仰运动调节试验模型的迎角，测量得到俯仰角实时偏转值和滚转角实时偏转值/>，记录所述视频测角系统解算得到的偏航角为/>，在机械臂前段和机械臂中段之间的铰接轴上设置编码器，记录此时编码器输出的角度为/>，依次计算风洞坐标系、角度传感器坐标系、机械臂中段的前部坐标系、支杆的根部坐标系、风洞天平坐标系和试验模型坐标系之间的旋转矩阵，并根据各旋转矩阵解算出试验模型的姿态角和迎角。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤二的具体步骤为：
步骤21、使用象限仪测量机械臂中段的俯仰角和滚转角，通过弯刀机构的俯仰运动和滚转运动将机械臂中段的俯仰角、滚转角调节为零；
步骤22、在机械臂中段的上端面上选取第一特征点和第二特征点，使用激光跟踪仪分别测量第一特征点和第二特征点在风洞坐标系中的坐标，依次记录第一特征点的坐标为、第二特征点的坐标为/>，则/>通过下式计算：
；
步骤23、通过调整机械臂中段与机械臂后段之间的夹角，将机械臂中段的侧滑角调为；
步骤24、重复步骤22和步骤23，直到小于1′。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤三的具体步骤为：
步骤31、确认角度传感器的俯仰轴和滚转轴所在方向；
步骤32、将角度传感器与机械臂中段俯仰轴向和滚转轴向保持一致，安装于机械臂中段。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤四的具体步骤为：
步骤41、所述视频测角系统由高清相机、棋盘格标定板和圆形标记点组成，在机械臂中段前部的上端面上安装棋盘格标定板，在风洞试验段顶部的观察窗外侧安装高清相机，调节高清相机的视场、焦距和光圈，使高清相机能够清晰获取棋盘格标定板的图像，并采集-30°~30°偏航角范围内的棋盘格标定板图像，偏航角以1°为间隔递增，直到完成所述视频测角系统轴系的标定；
步骤42、拆除棋盘格标定板，在机械臂中段的前部粘贴圆形标记点，将圆形标记点作为基准，偏航角以1°为间隔递增，完成试验所需偏航角范围内的基准图像采集，标定角度与坐标之间的对应关系；
步骤43、在无风状态下，控制机械臂中段按给定的若干角度偏转，同时通过高清相机采集机械臂中段的偏转图像，识别采集到的偏转图像中圆形标记点位置，根据角度和坐标的对应关系，解算实际偏航角并与给定的角度进行对比，以验证所述视频测角系统解算的偏航角准度。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤六的具体步骤为：
步骤61、将试验模型与风洞天平连接，通过机械臂前段做俯仰运动调节试验模型的俯仰角至0°、通过机械臂后段做偏航运动调节试验模型的偏航角至0°；
步骤62、以试验模型参考平面或试验模型机身基准线作为基准，先通过弯刀机构做滚转运动调节试验模型的滚转角分别至0°、180°、90°和-90°，并在0°、180°、90°和-90°四个滚转角姿态下将试验模型的俯仰角调至0°，再采集风洞天平在试验模型四个滚转角姿态下的测量值，最后计算得到风洞天平各个分量的力和力矩，根据下式计算试验模型和风洞天平之间的俯仰安装角、偏航安装角/>和滚转安装角/>：
；
其中，为天平在试验模型的滚转角为0°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型的滚转角为0°时测得的法向力，/>分别为天平在试验模型的滚转角为0°时测得的侧向力，/>为天平在试验模型的滚转角为180°时测得的轴向力，为天平在试验模型的滚转角为180°时测得的法向力，/>为天平在试验模型的滚转角为90°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型的滚转角为90°时测得的法向力，/>为天平在试验模型的滚转角为-90°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型的滚转角为-90°时测得的法向力。
进一步的，在上述技术方案中，所述步骤七和步骤八的具体步骤为：
步骤81、按照试验模型迎角和侧滑角的目标值，通过机械臂中段与机械臂后段做偏航运动调节试验模型的侧滑角，通过机械臂前段做俯仰运动调节试验模型的迎角，测量得到俯仰角实时偏转值和滚转角实时偏转值/>，记录所述视频测角系统解算得到的偏航角为/>，在机械臂前段和机械臂中段之间的铰接轴上设置编码器，记录此时编码器输出的角度为/>；
步骤82、从风洞坐标系到角度传感器坐标系旋转矩阵为：
；
步骤83、从角度传感器坐标系到机械臂中段坐标系旋转矩阵为：
；
步骤84、从机械臂中段坐标系到支杆根部坐标系旋转矩阵为：
；
其中，为机械臂前段根部的俯仰角变化量；
步骤85、弹性角的计算：
风洞天平及支杆在重力和气动载荷作用下会发生弹性变形，导致弹性变形前的风洞天平轴线与未变形的风洞天平轴线存在偏角，即风洞天平、支杆的弹性角，弹性角可按照下列公式计算得到：
；
其中，为俯仰弹性角，/>为偏航弹性角，/>为滚转弹性角，/>为与法向力对应的弹性变形常数，/>为与俯仰力矩对应的弹性变形常数，/>为与侧向力对应的弹性变形常数、/>为与偏航力矩对应的弹性变形常数、/>为滚转力矩对应的弹性变形常数，在前期准备阶段通过阶梯加载砝码线性回归得到，/>为风洞天平测得的法向力，/>为风洞天平测得的侧向力，/>为风洞天平测得的俯仰力矩，/>为风洞天平测得的偏航力矩，/>为风洞天平测得的滚转力矩；
步骤86、从支杆根部坐标系到风洞天平坐标系旋转矩阵为：
；
步骤87、从风洞天平坐标系到试验模型坐标系旋转矩阵为：
；
其中，、/>、/>分别为试验模型与风洞天平之间的俯仰、偏航和滚转安装角，在步骤62中得到；
步骤88、试验模型姿态角解算；
风洞坐标系到试验模型坐标系的旋转矩阵具有三种路径形式，第一路径为风洞坐标系、角度传感器坐标系、机械臂中段坐标系、支杆根部坐标系、风洞天平坐标系和试验模型坐标系依次形成的矩阵路径，第二路径是风洞坐标系和试验模型直接形成的矩阵路径，第三路径是风洞坐标系、风洞的航迹坐标系、风洞的风轴坐标系和试验模型坐标系依次形成的矩阵路径，三种路径通过下式表示：
；
并得到
；
试验模型的俯仰角、偏航角和滚转角通过下式计算：
；
试验模型的迎角和侧滑角通过下式计算：
；
其中，为试验模型的俯仰角，/>为试验模型的偏航角，/>为试验模型的滚转角，/>为试验模型的迎角，/>为试验模型的侧滑角，/>为旋转矩阵第m行、第n列元素，/>为旋转矩阵/>第m行、第n列元素，/>为风洞流场纵向气流偏角，/>为风洞流场航向气流偏角，/>为风洞流场横向气流偏角。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明综合运用现有姿态角测量方法及设备，在高速风洞大迎角风洞试验中，综合运用了角度传感器、编码器、视频姿态系统、天平弹性角等，提出了一种适用于高速风洞大迎角机构试验的模型姿态角精确测量方法，解决了大迎角高速风洞试验中模型姿态角无法精确测量的问题。
附图说明
图1是风洞坐标系到试验模型坐标系旋转矩阵的三种路径形式；
图2是试验模型通过大迎角机构安装在风洞试验段的示意图；
图3是试验模型通过大迎角机构安装在弯刀机构的示意图。
图中，1．风洞试验段、2．弯刀机构、3．高清相机、4．大迎角机构、5．试验模型、6．观察窗、7．机械臂尾段、8．机械臂后段、9．机械臂中段、10．角度传感器、11．编码器、12．机械臂前段、13．支杆、14．第一特征点、15．棋盘格标定板、16．第二特征点、17．风洞天平。
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栓连接、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，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，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，可拆卸连接选择螺栓连接。
以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
实施例：如图1-图3所示，一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，包括如下步骤：
步骤1、大迎角机构4的安装：所述大迎角机构4包括依次铰接的机械臂前段12、机械臂中段9、机械臂后段8和机械臂尾段7，机械臂前段12绕机械臂中段9做俯仰运动，机械臂中段9绕机械臂后段8做偏航运动，机械臂后段8绕机械臂尾段7做偏航运动，将机械臂尾段7与弯刀机构2进行连接，大迎角机构4为现有技术；
步骤21、使用象限仪测量机械臂中段9的俯仰角和滚转角，通过弯刀机构2的俯仰运动和滚转运动将机械臂中段9的俯仰角、滚转角调节为零；
步骤22、在机械臂中段9的上端面上选取第一特征点14和第二特征点16，使用激光跟踪仪分别测量第一特征点14和第二特征点16在风洞坐标系中的坐标，依次记录第一特征点14的坐标为、第二特征点16的坐标为/>，则/>通过下式计算：
；
步骤23、通过调整机械臂中段9与机械臂后段8之间的夹角，将机械臂中段9的侧滑角调为；
步骤24、重复步骤22和步骤23，直到小于1′；
步骤31、确认角度传感器10的俯仰轴和滚转轴所在方向；
步骤32、将角度传感器10与机械臂中段9俯仰轴向和滚转轴向保持一致，安装于机械臂中段；
步骤41、所述视频测角系统由高清相机3、棋盘格标定板15和圆形标记点组成，在机械臂中段9前部的上端面上安装棋盘格标定板15，在风洞试验段1顶部的观察窗6外侧安装高清相机3，调节高清相机3的视场、焦距和光圈，使高清相机3能够清晰获取棋盘格标定板15的图像，并采集-30°~30°偏航角范围内的棋盘格标定板15图像，偏航角以1°为间隔递增，直到完成所述视频测角系统轴系的标定；
步骤42、拆除棋盘格标定板15，在机械臂中段9的前部粘贴圆形标记点，将圆形标记点作为基准，偏航角以1°为间隔递增，完成试验所需偏航角范围内的基准图像采集，标定角度与坐标之间的对应关系；
步骤43、在无风状态下，控制机械臂中段9按给定的若干角度偏转，同时通过高清相机3采集机械臂中段9的偏转图像，识别采集到的偏转图像中圆形标记点位置，根据角度和坐标的对应关系，解算实际偏航角并与给定的角度进行对比，以验证所述视频测角系统解算的偏航角准度；
步骤5、将支杆13的根部与机械臂前段12相连，将风洞天平17与支杆13的尖部相连，并检查风洞天平17是否工作正常；
步骤61、将试验模型5与风洞天平17连接，通过机械臂前段12做俯仰运动调节试验模型5的俯仰角至0°、通过机械臂后段8做偏航运动调节试验模型5的偏航角至0°；
步骤62、以试验模型5参考平面或试验模型5机身基准线作为基准，先通过弯刀机构2做滚转运动调节试验模型5的滚转角分别至0°、180°、90°和-90°，并在0°、180°、90°和-90°四个滚转角姿态下将试验模型5的俯仰角调至0°，再采集风洞天平17在试验模型5四个滚转角姿态下的测量值，最后计算得到风洞天平17各个分量的力和力矩，根据下式计算试验模型5和风洞天平17之间的俯仰安装角、偏航安装角/>和滚转安装角/>：
；
其中，为天平在试验模型5的滚转角为0°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为0°时测得的法向力，/>分别为天平在试验模型5的滚转角为0°时测得的侧向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为180°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为180°时测得的法向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为90°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为90°时测得的法向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为-90°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型5的滚转角为-90°时测得的法向力；
步骤7、系统记零：将试验模型5的俯仰角、偏航角和滚转角全部调节至0°，将此时的机械臂前段12、机械臂中段9和机械臂后段8的俯仰角均标记为0°位置，将此时机械臂前段12、机械臂中段9和机械臂后段8的滚转角均标记为0°位置，将所述视频测角系统测得的侧滑角位置标记为0°位置，将角度传感器10的读数记为和/>，/>表示角度传感器10与机械臂中段9水平基准面之间的俯仰安装角，/>表示角度传感器10与机械臂中段9水平基准面之间的滚转安装角，通过弯刀机构2将大迎角机构4绕机械臂尾段7的轴线旋转90°，并将机械臂中段9侧向基准面调节至与地轴系平行，记录角度传感器10输出的俯仰角，角度传感器10输出的俯仰角即为角度传感器10与机械臂中段9参考平面之间的偏航安装角/>；
步骤81、按照试验模型5迎角和侧滑角的目标值，通过机械臂中段9与机械臂后段8做偏航运动调节试验模型5的侧滑角，通过机械臂前段12做俯仰运动调节试验模型5的迎角，测量得到俯仰角实时偏转值和滚转角实时偏转值/>，记录所述视频测角系统解算得到的偏航角为/>，在机械臂前段12和机械臂中段9之间的铰接轴上设置编码器11，记录此时编码器11输出的角度为/>；
步骤82、从风洞坐标系到角度传感器10坐标系旋转矩阵为：
；
步骤83、从角度传感器10坐标系到机械臂中段9坐标系旋转矩阵为：
；
步骤84、从机械臂中段9坐标系到支杆13根部坐标系旋转矩阵为：
；
其中，为机械臂前段12根部的俯仰角变化量；
步骤85、弹性角的计算：
风洞天平17及支杆13在重力和气动载荷作用下会发生弹性变形，导致弹性变形前的风洞天平17轴线与未变形的风洞天平17轴线存在偏角，即风洞天平17、支杆13的弹性角，弹性角可按照下列公式计算得到：
；
其中，为俯仰弹性角，/>为偏航弹性角，/>为滚转弹性角，/>为与法向力对应的弹性变形常数，/>为与俯仰力矩对应的弹性变形常数，/>为与侧向力对应的弹性变形常数、/>为与偏航力矩对应的弹性变形常数、/>为滚转力矩对应的弹性变形常数，一般在前期准备阶段通过阶梯加载砝码线性回归得到，/>为风洞天平17测得的法向力，/>为风洞天平17测得的侧向力，/>为风洞天平17测得的俯仰力矩，/>为风洞天平17测得的偏航力矩，/>为风洞天平17测得的滚转力矩；
步骤86、从支杆13根部坐标系到风洞天平17坐标系旋转矩阵为：
；
步骤87、从风洞天平17坐标系到试验模型5坐标系旋转矩阵为：
/>
；
其中，、/>、/>分别为试验模型5与风洞天平17之间的俯仰、偏航和滚转安装角，在步骤62中得到；
步骤88、试验模型5姿态角解算；
风洞坐标系到试验模型5坐标系的旋转矩阵具有三种路径形式，第一路径为风洞坐标系、角度传感器10坐标系、机械臂中段9坐标系、支杆13根部坐标系、风洞天平17坐标系和试验模型5坐标系依次形成的矩阵路径，第二路径是风洞坐标系和试验模型5直接形成的矩阵路径，第三路径是风洞坐标系、风洞的航迹坐标系、风洞的风轴坐标系和试验模型5坐标系依次形成的矩阵路径，三种路径通过下式表示：
；
并得到
；
试验模型5的俯仰角、偏航角和滚转角通过下式计算：
；
试验模型5的迎角和侧滑角通过下式计算：
；
其中，为试验模型5的俯仰角，/>为试验模型5的偏航角，/>为试验模型5的滚转角，/>为试验模型5的迎角，/>为试验模型5的侧滑角，/>为旋转矩阵第m行、第n列元素，/>为旋转矩阵/>第m行、第n列元素，/>为风洞流场纵向气流偏角，/>为风洞流场航向气流偏角，/>为风洞流场横向气流偏角。
本发明综合运用现有姿态角测量方法及设备，在高速风洞大迎角风洞试验中，综合运用了角度传感器10、编码器11、视频测角系统、天平弹性角等，提出了一种适用于高速风洞大迎角机构试验的模型姿态角精确测量方法，解决了大迎角高速风洞试验中模型姿态角无法精确测量的问题。
以上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 (6)
1.一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、大迎角机构（4）的安装：所述大迎角机构（4）包括依次铰接的机械臂前段（12）、机械臂中段（9）、机械臂后段（8）和机械臂尾段（7），机械臂前段（12）绕机械臂中段（9）做俯仰运动，机械臂中段（9）绕机械臂后段（8）做偏航运动，机械臂后段（8）绕机械臂尾段（7）做偏航运动，将机械臂尾段（7）与弯刀机构（2）进行连接；
步骤二、将机械臂中段（9）的姿态角调零：调节机械臂中段（9）水平基准面的俯仰角和滚转角至0°，将机械臂中段（9）侧向基准面相对于风洞试验段（1）侧壁的侧滑角调整至小于1′；
步骤三、将角度传感器（10）安装在机械臂中段（9）上；
步骤四、标定视频测角系统的轴系，采集基准图像，验证视频测角系统准度；
步骤五、将支杆（13）的根部与机械臂前段（12）相连，将风洞天平（17）与支杆（13）的尖部相连，并检查风洞天平（17）是否工作正常；
步骤六、先将试验模型（5）安装在风洞天平（17）的另一端，并调平试验模型（5），再计算试验模型（5）和风洞天平（17）之间的俯仰安装角、偏航安装角/>和滚转安装角；
步骤七、系统记零：将试验模型（5）的俯仰角、偏航角和滚转角全部调节至0°，将此时的机械臂前段（12）、机械臂中段（9）和机械臂后段（8）的俯仰角均标记为0°位置，将此时机械臂前段（12）、机械臂中段（9）和机械臂后段（8）的滚转角均标记为0°位置，将所述视频测角系统测得的侧滑角位置标记为0°位置，将角度传感器（10）的读数记为和/>，表示角度传感器（10）与机械臂中段（9）水平基准面之间的俯仰安装角，/>表示角度传感器（10）与机械臂中段（9）水平基准面之间的滚转安装角，通过弯刀机构（2）将大迎角机构（4）绕机械臂尾段（7）的轴线旋转90°，并将机械臂中段（9）侧向基准面调节至与地轴系平行，记录角度传感器（10）输出的俯仰角，角度传感器（10）输出的俯仰角即为角度传感器（10）与机械臂中段（9）参考平面之间的偏航安装角/>；
步骤八、正式试验：
按照试验模型（5）迎角和侧滑角的目标值、通过机械臂中段（9）与机械臂后段（8）做偏航运动调节试验模型（5）的侧滑角，通过机械臂前段（12）做俯仰运动调节试验模型（5）的迎角，测量得到俯仰角实时偏转值和滚转角实时偏转值/>，记录所述视频测角系统解算得到的偏航角为/>，在机械臂前段（12）和机械臂中段（9）之间的铰接轴上设置编码器（11），记录此时编码器（11）输出的角度为/>，依次计算风洞坐标系、角度传感器（10）坐标系、机械臂中段（9）的前部坐标系、支杆（13）的根部坐标系、风洞天平（17）坐标系和试验模型（5）坐标系之间的旋转矩阵，并根据各旋转矩阵解算出试验模型（5）的姿态角和迎角。
2.根据权利要求1所述的一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为：
步骤21、使用象限仪测量机械臂中段（9）的俯仰角和滚转角，通过弯刀机构（2）的俯仰运动和滚转运动将机械臂中段（9）的俯仰角、滚转角调节为零；
步骤22、在机械臂中段（9）的上端面上选取第一特征点（14）和第二特征点（16），使用激光跟踪仪分别测量第一特征点（14）和第二特征点（16）在风洞坐标系中的坐标，依次记录第一特征点（14）的坐标为、第二特征点（16）的坐标为/>，则/>通过下式计算：
；
步骤23、通过调整机械臂中段（9）与机械臂后段（8）之间的夹角，将机械臂中段（9）的侧滑角调为；
步骤24、重复步骤22和步骤23，直到小于1′。
3.根据权利要求2所述的一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：
步骤31、确认角度传感器（10）的俯仰轴和滚转轴所在方向；
步骤32、将角度传感器（10）与机械臂中段（9）俯仰轴向和滚转轴向保持一致，安装于机械臂中段。
4.根据权利要求3所述的一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤为：
步骤41、所述视频测角系统由高清相机（3）、棋盘格标定板（15）和圆形标记点组成，在机械臂中段（9）前部的上端面上安装棋盘格标定板（15），在风洞试验段（1）顶部的观察窗（6）外侧安装高清相机（3），调节高清相机（3）的视场、焦距和光圈，使高清相机（3）能够清晰获取棋盘格标定板（15）的图像，并采集-30°~30°偏航角范围内的棋盘格标定板（15）图像，偏航角以1°为间隔递增，直到完成所述视频测角系统轴系的标定；
步骤42、拆除棋盘格标定板（15），在机械臂中段（9）的前部粘贴圆形标记点，将圆形标记点作为基准，偏航角以1°为间隔递增，完成试验所需偏航角范围内的基准图像采集，标定角度与坐标之间的对应关系；
步骤43、在无风状态下，控制机械臂中段（9）按给定的若干角度偏转，同时通过高清相机（3）采集机械臂中段（9）的偏转图像，识别采集到的偏转图像中圆形标记点位置，根据角度和坐标的对应关系，解算实际偏航角并与给定的角度进行对比，以验证所述视频测角系统解算的偏航角准度。
5.根据权利要求4所述的一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，所述步骤六的具体步骤为：
步骤61、将试验模型（5）与风洞天平（17）连接，通过机械臂前段（12）做俯仰运动调节试验模型（5）的俯仰角至0°、通过机械臂后段（8）做偏航运动调节试验模型（5）的偏航角至0°；
步骤62、以试验模型（5）参考平面或试验模型（5）机身基准线作为基准，先通过弯刀机构（2）做滚转运动调节试验模型（5）的滚转角分别至0°、180°、90°和-90°，并在0°、180°、90°和-90°四个滚转角姿态下将试验模型（5）的俯仰角调至0°，再采集风洞天平（17）在试验模型（5）四个滚转角姿态下的测量值，最后计算得到风洞天平（17）各个分量的力和力矩，根据下式计算试验模型（5）和风洞天平（17）之间的俯仰安装角、偏航安装角/>和滚转安装角/>：
；
其中，为天平在试验模型（5）的滚转角为0°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型（5）的滚转角为0°时测得的法向力，/>分别为天平在试验模型（5）的滚转角为0°时测得的侧向力，/>为天平在试验模型（5）的滚转角为180°时测得的轴向力，为天平在试验模型（5）的滚转角为180°时测得的法向力，/>为天平在试验模型（5）的滚转角为90°时测得的轴向力，/>为天平在试验模型（5）的滚转角为90°时测得的法向力，/>为天平在试验模型（5）的滚转角为-90°时测得的轴向力，为天平在试验模型（5）的滚转角为-90°时测得的法向力。
6.根据权利要求5所述的一种大迎角高速风洞试验模型姿态角测量与计算方法，其特征在于，所述步骤七和步骤八的具体步骤为：
步骤81、按照试验模型（5）迎角和侧滑角的目标值，通过机械臂中段（9）与机械臂后段（8）做偏航运动调节试验模型（5）的侧滑角，通过机械臂前段（12）做俯仰运动调节试验模型（5）的迎角，测量得到俯仰角实时偏转值和滚转角实时偏转值/>，记录所述视频测角系统解算得到的偏航角为/>，在机械臂前段（12）和机械臂中段（9）之间的铰接轴上设置编码器（11），记录此时编码器（11）输出的角度为/>；
步骤82、从风洞坐标系到角度传感器（10）坐标系旋转矩阵为：
；
；
步骤83、从角度传感器（10）坐标系到机械臂中段（9）坐标系旋转矩阵为：
；
步骤84、从机械臂中段（9）坐标系到支杆（13）根部坐标系旋转矩阵为：
；
其中，为机械臂前段（12）根部的俯仰角变化量；
步骤85、弹性角的计算：
风洞天平（17）及支杆（13）在重力和气动载荷作用下会发生弹性变形，导致弹性变形前的风洞天平（17）轴线与未变形的风洞天平（17）轴线存在偏角，即风洞天平（17）、支杆（13）的弹性角，弹性角可按照下列公式计算得到：
；
其中，为俯仰弹性角，/>为偏航弹性角，/>为滚转弹性角，/>为与法向力对应的弹性变形常数，/>为与俯仰力矩对应的弹性变形常数，/>为与侧向力对应的弹性变形常数、/>为与偏航力矩对应的弹性变形常数、/>为滚转力矩对应的弹性变形常数，在前期准备阶段通过阶梯加载砝码线性回归得到，/>为风洞天平（17）测得的法向力，/>为风洞天平（17）测得的侧向力，/>为风洞天平（17）测得的俯仰力矩，/>为风洞天平（17）测得的偏航力矩，/>为风洞天平（17）测得的滚转力矩；
步骤86、从支杆（13）根部坐标系到风洞天平（17）坐标系旋转矩阵为：
；
；
步骤87、从风洞天平（17）坐标系到试验模型（5）坐标系旋转矩阵为：
；
；
其中，、/>、/>分别为试验模型（5）与风洞天平（17）之间的俯仰、偏航和滚转安装角，在步骤62中得到；
步骤88、试验模型（5）姿态角解算；
风洞坐标系到试验模型（5）坐标系的旋转矩阵具有三种路径形式，第一路径为风洞坐标系、角度传感器（10）坐标系、机械臂中段（9）坐标系、支杆（13）根部坐标系、风洞天平（17）坐标系和试验模型（5）坐标系依次形成的矩阵路径，第二路径是风洞坐标系和试验模型（5）直接形成的矩阵路径，第三路径是风洞坐标系、风洞的航迹坐标系、风洞的风轴坐标系和试验模型（5）坐标系依次形成的矩阵路径，三种路径通过下式表示：
；
并得到
；
试验模型（5）的俯仰角、偏航角和滚转角通过下式计算：
；
试验模型（5）的迎角和侧滑角通过下式计算：
；
其中，为试验模型（5）的俯仰角，/>为试验模型（5）的偏航角，/>为试验模型（5）的滚转角，/>为试验模型（5）的迎角，/>为试验模型（5）的侧滑角，/>为旋转矩阵/>第m行、第n列元素，/>为旋转矩阵/>第m行、第n列元素，/>为风洞流场纵向气流偏角，/>为风洞流场航向气流偏角，/>为风洞流场横向气流偏角。
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2024
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