一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)要求實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)模型的氣流角、角速率、姿態(tài)角信息，用 于飛行控制系統(tǒng)反饋或飛行歷程參數(shù)記錄。
[0003] 現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)按傳感器工作原理可分為三類：
[0004] (1)流場(chǎng)與慣性組合測(cè)量系統(tǒng)，分別采用風(fēng)標(biāo)傳感器和慣性測(cè)量傳感器測(cè)量獲得 氣流角和姿態(tài)角;該方法存在以下缺點(diǎn):一是風(fēng)標(biāo)傳感器必須安裝于模型外表面，破壞了模 型的幾何相似性，尤其是對(duì)機(jī)頭、機(jī)翼等敏感部位的關(guān)鍵氣動(dòng)特性影響較大;二是風(fēng)標(biāo)傳感 器的測(cè)量范圍有限，帶寬較低，不能滿足大迎角高機(jī)動(dòng)虛擬飛行實(shí)驗(yàn)使用要求;三是氣流角 和角速率、姿態(tài)角信息分別來源于兩種傳感器，且各自都有一定的測(cè)量誤差，數(shù)據(jù)的一致性 和相關(guān)性不好，不利于虛擬飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。
[0005] (2)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，在模型上安裝標(biāo)記點(diǎn)，采用光學(xué)測(cè)量元件實(shí)時(shí)捕獲標(biāo)記點(diǎn)空間 坐標(biāo)，解算獲得模型姿態(tài)?目息;該方法存在以下缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴;二是系統(tǒng)fe 準(zhǔn)、標(biāo)定和使用流程繁瑣，穩(wěn)定性差;三是在模型上布置標(biāo)志點(diǎn)，大大增加了模型設(shè)計(jì)加工 的難度。
[0006] (3)間接測(cè)量系統(tǒng)，在模型支撐裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處安裝編碼器傳感器，通過支撐裝 置和飛機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)傳遞關(guān)系，間接解算獲得模型姿態(tài);該方法存在以下缺點(diǎn)：一是適用 范圍窄，常常遇到裝置轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上無法安裝編碼器傳感器的情況;二是運(yùn)動(dòng)學(xué)解算關(guān)系復(fù) 雜，誤差累積，測(cè)量精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量系 統(tǒng)，采用純慣性測(cè)量元件直接測(cè)量獲得模型角速率和姿態(tài)角，再利用虛擬飛行實(shí)驗(yàn)特有的 姿態(tài)角和氣流角之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，間接解算獲得氣流角，從而獲得完整的虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)?型姿態(tài)測(cè)量信息。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥?態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，包括風(fēng)洞試驗(yàn)段、飛行器模型和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，所述姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括機(jī)載電 源、嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元和系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī)；
[0009] 其中，所述機(jī)載電源、嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元 置于所述飛行器模型內(nèi)部;所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元的測(cè)量信息通過串行總 線進(jìn)入所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī);所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果通過無線以太 網(wǎng)發(fā)送至所述系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī);所述系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī)置于所述風(fēng)洞試驗(yàn)段外部。
[0010] 進(jìn)一步的是，所述機(jī)載電源為所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和 慣性測(cè)量單元供電，所述機(jī)載電源具有電源電壓檢測(cè)與報(bào)警功能。
[0011] 進(jìn)一步的是，所述機(jī)載電源包括電池組、分壓電路、電壓檢測(cè)與報(bào)警、3組開關(guān)和輸 出端口；所述電池組提供直流電源;所述分壓電路將電源電壓調(diào)節(jié)至后級(jí)設(shè)備所需電壓范 圍;所述電壓檢測(cè)與報(bào)警監(jiān)控電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出輸出電壓不足告警信號(hào);所述 3組開關(guān)及輸出端口實(shí)現(xiàn)設(shè)備通斷和連接控制。
[0012] 進(jìn)一步的是，所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)，接收所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè) 量單元的信號(hào)，并利用所接收的信號(hào)解析串行通訊協(xié)議數(shù)據(jù)包，分別獲得姿態(tài)角和角速率 測(cè)量信息;根據(jù)虛擬飛行實(shí)驗(yàn)特有的氣流角和姿態(tài)角轉(zhuǎn)換關(guān)系，解算獲得氣流角。
[0013] 進(jìn)一步的是，所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)通過硬件電路或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)保證其實(shí) 時(shí)性，在所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)內(nèi)部同步運(yùn)行三個(gè)并行循環(huán)，所述三個(gè)并行循環(huán)包括 姿態(tài)角更新循環(huán)、角速率更新循環(huán)和氣流角解算循環(huán)。
[0014] 進(jìn)一步的是，所述姿態(tài)角更新循環(huán)完成所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)信號(hào)的接收和解 析，獲得姿態(tài)角測(cè)量值;所述角速率更新循環(huán)完成所述慣性測(cè)量單元信號(hào)的接收和解析，獲 得角速率測(cè)量值;所述氣流角解算循環(huán)，根據(jù)模型姿態(tài)角解算獲得迎角/側(cè)滑角。
[0015] 進(jìn)一步的是，所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)安裝于所述飛行器模型內(nèi)部并且靠近飛行器 模型質(zhì)心位置，所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)的敏感軸與飛行器模型的體軸平行，實(shí)時(shí)測(cè)量并輸 出模型姿態(tài)角。
[0016] 進(jìn)一步的是，所述慣性測(cè)量單元安裝于模型內(nèi)部，所述慣性測(cè)量單元的敏感軸與 飛行器模型的體軸平行，實(shí)時(shí)測(cè)量并輸出模型角速率。
[0017] 進(jìn)一步的是，所述系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī)，主要起人機(jī)界面作用，接收和顯示所述嵌入式 姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)發(fā)送來的姿態(tài)測(cè)量值，輔助操作人員確認(rèn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)工作正常，并輔助 標(biāo)定航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元的傳感器初始安裝姿態(tài)角。
[0018] 基于同樣的發(fā)明原理，本發(fā)明還提供了一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量 系統(tǒng)的使用方法，包括步驟：
[0019] (a)安裝姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，調(diào)整航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元的敏感軸使其與 飛行器模型體軸對(duì)準(zhǔn)誤差在〇 . 1°以內(nèi)；（b)安裝飛行器模型，調(diào)整飛行器模型體軸使其與風(fēng) 洞坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)誤差在〇 . 05°以內(nèi)；（c)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)上電，測(cè)量并記錄初始安裝姿態(tài)角；（d) 在所述姿態(tài)角更新循環(huán)程序中進(jìn)行初始安裝姿態(tài)角修正設(shè)置；（e)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新 和輸出姿態(tài)測(cè)量信息。
[0020] 本發(fā)明所提出一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量系統(tǒng)，采用本技術(shù)方案的 有益效果：
[0021] (1)本發(fā)明采用純慣性測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量， 與流場(chǎng)和慣性組合測(cè)量、光學(xué)測(cè)量、間接測(cè)量系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、造價(jià) 低;測(cè)量原理充分利用了虛擬飛行實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，算法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn);角度測(cè)量范圍大、動(dòng)態(tài)性 能好、精度高。
[0022] (2)本發(fā)明中的機(jī)載設(shè)備全部安裝于模型內(nèi)部，完全避免了因模型幾何外形相似 受到破壞帶來的氣動(dòng)干擾問題。
[0023] (3)本發(fā)明中的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單體積小、重量輕、安裝條件寬松， 極大地降低了飛行器模型設(shè)計(jì)的難度。
[0024] (4)本發(fā)明提出的模型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，通用性好，可以用于開展不同型號(hào)飛行器風(fēng) 洞虛擬飛行研究;提出的使用方法簡(jiǎn)單易行，可以推廣到其他低速風(fēng)洞中，具有良好工程應(yīng) 用前景。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中機(jī)載電源的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中氣流角解算原理示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中慣性測(cè)量單元信號(hào)解析流程圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中模型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)使用方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一 步闡述。
[0031] 在實(shí)施例中，參見圖1所示，一種低速風(fēng)洞虛擬飛行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥藨B(tài)測(cè)量系統(tǒng)，包括 風(fēng)洞試驗(yàn)段、飛行器模型和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，所述姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括機(jī)載電源、嵌入式姿態(tài)測(cè) 量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元和系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī);其中，所述機(jī)載電源、嵌入 式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元置于所述飛行器模型內(nèi)部;所述航 向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元的測(cè)量信息通過串行總線進(jìn)入所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算 機(jī);所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果通過無線以太網(wǎng)發(fā)送至所述系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī)； 所述系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算機(jī)置于所述風(fēng)洞試驗(yàn)段外部。
[0032] 1.所述機(jī)載電源為所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)、航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單 元供電，所述機(jī)載電源具有電源電壓檢測(cè)與報(bào)警功能。
[0033] 其中，如圖2所示，所述機(jī)載電源包括電池組、分壓電路、電壓檢測(cè)與報(bào)警、3組開關(guān) 和輸出端口；所述電池組提供直流電源;所述分壓電路將電源電壓調(diào)節(jié)至后級(jí)設(shè)備所需電 壓范圍；所述電壓檢測(cè)與報(bào)警監(jiān)控電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出輸出電壓不足告警信號(hào)； 所述3組開關(guān)及輸出端口實(shí)現(xiàn)設(shè)備通斷和連接控制。
[0034] 2.所述嵌入式姿態(tài)測(cè)量計(jì)算機(jī)，接收所述航向姿態(tài)參考系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元的信 號(hào)，并利用所接