專利名稱：模型俯仰/搖滾運動下速度/壓力聯(lián)合同步測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域的一種風洞實驗方法，特別是涉及在模型動態(tài)俯仰/ 兩自由度運動過程中，模型運動量和多種流動量的聯(lián)合測量方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代戰(zhàn)斗機通常要求做大攻角機動飛行以提高其作戰(zhàn)效能，這種機動飛行動作 通常是由飛行快速俯仰和滾轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，同時飛行在大攻角俯仰運動時也會產(chǎn)生不可控 的非線性飛行運動，如繞體軸極限環(huán)振蕩的機翼搖滾現(xiàn)象。因而，在風洞中研究戰(zhàn)機做 俯仰橫向滾轉(zhuǎn)或振蕩耦合運動時的氣動特性和流場特性具有重要的工程應(yīng)用意義。在大攻角條件下，受旋渦分離流、渦破裂、渦干擾等流動現(xiàn)象影響，流動特性 十分復(fù)雜，給實驗研究帶來了很大困難，通常需要多種測量手段聯(lián)合使用方能較全面的 了解其流動結(jié)構(gòu)和對氣動特性的影響機理。大攻角下需測量的基本流動量包括物面壓力 和空間速度場，空間速度場是了解空間流動結(jié)構(gòu)和渦量分布的基礎(chǔ)，而物面壓力是連接 空間流場和模型氣動特性的橋梁。在模型靜止的靜態(tài)實驗中，由于流動的定常性，多種 實驗手段可以單獨分開使用而不會影響實驗結(jié)果。但是在模型橫向滾轉(zhuǎn)振蕩運動的動態(tài) 實驗中，流動具有很強的非定常性，分開做的各個實驗之間相關(guān)性變差，給數(shù)據(jù)分析帶 來不便和不確定性。因而在大攻角動態(tài)實驗中，多種實驗手段的聯(lián)合同步測量變得十分 必要。美國NotreDame大學(xué)Nelson教授的研究團隊為了研究機翼搖滾現(xiàn)象，開發(fā)了一 套同步測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PID調(diào)節(jié)方法驅(qū)動電機強迫搖滾模型模擬自由搖滾時間歷 程，同時進行模型表面壓力測量或進行空間流場顯示。該裝置給該研究團隊的研究帶來 了很大進展，他們系統(tǒng)的研究了 80°大后掠三角翼機翼搖滾過程中流動的特性及演化規(guī) 律，總結(jié)出滾轉(zhuǎn)力矩與滾轉(zhuǎn)角的非線性特性、搖滾中滾轉(zhuǎn)阻尼的喪失和氣動遲滯特性是 形成搖滾的原因。但實驗技術(shù)方面動態(tài)測壓和空間流動顯示并沒有同時進行，所得數(shù)據(jù) 對應(yīng)起來有很大困難，同時因動態(tài)測壓和空間流動顯示實驗要分兩次進行，實驗實驗效 率也不高。同時，由于他們開展研究時技術(shù)條件的限制，沒有采用PIV技術(shù)測量空間速 度場(PIV技術(shù)在上世紀90年代初還不是成熟的流動測量技術(shù))。英國Bath大學(xué)機械工 程系實現(xiàn)了模型自由搖滾振蕩情況下采用PIV進行流場拍攝，但沒有透露模型運動與PIV 如何同步的細節(jié)，也沒有涉及物面壓力測量。最近，北京航空航天大學(xué)發(fā)展了單自由度 搖滾振蕩情況下的PIV/壓力同步測控技術(shù)。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展了俯仰/搖滾 振蕩兩自由度運動下，流場和物面壓力的同步測控技術(shù)，兩自由度下相比單自由度下的 測控技術(shù)存在運動的耦合問題，在流動測量上也存在新的難點，這也是本發(fā)明要解決的 問題。首先應(yīng)該說明一下，如何理解俯仰/搖滾耦合運動及其實現(xiàn)的方法。這里的俯 仰/搖滾耦合運動，是指強迫俯仰/強迫搖滾耦合運動，這種耦合運動技術(shù)可以模擬給定 規(guī)律的俯仰/搖滾運動，為進行現(xiàn)代飛行器在俯仰加搖滾振蕩運動中的流動現(xiàn)象研究打下基礎(chǔ)。這種耦合運動一般通過分別使用電機驅(qū)動俯仰運動和搖滾運動實現(xiàn)，驅(qū)動這種 運動的電機一般采用性能較好的飼服電機并配有高精度的編碼器記錄運動時間歷程和實 現(xiàn)反饋控制。另外需要說明一下，空間流場測量和物面壓力測量技術(shù)?？臻g流場測量采用PIV 技術(shù)，PIV是粒子圖像速度測量技術(shù)的縮寫，借助于PIV可以精確的得到流體運動的速度 場，是分析流體在空間內(nèi)流動特性的重要實驗手段。實驗室內(nèi)的壓力測量采用在模型上 開測壓孔再通過壓力掃描閥實現(xiàn)測量。目前國內(nèi)外尚未見到，在模型動態(tài)滾轉(zhuǎn)/俯仰兩自由度運動下，聯(lián)合同步測量 模型的運動、物面壓力測量和空間速度場的先例。參考文獻[l]Zeiger, M.D., Telionis, D P., and Vlachos, P.P., "Unsteady Separated Flows over Three-dimensional SlenderBodies，” Progress in Aerospace Science, Vol.40, No.， 2004， pp.291-320.[2]Gresham, N.T., Wang, Z., and Gursul，I.， "Vortex Dynamics of Free-to-Roll Slender andNonslender Delta Wings，” Journal of Aircraft, Vol.47, No.l， 2010， pp.292-302.[3]搖滾/PIV/壓力同步測控技術(shù)的發(fā)展及其在機翼搖滾研究中的應(yīng)用，空氣動 力學(xué)學(xué)報，Vol.40，No.，2010, pp.291-320.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出在俯仰/搖滾兩自由度運動下，空間流場/物面壓力聯(lián)合同 步測量實驗方法及相應(yīng)裝置，本發(fā)明綜合利用了俯仰/搖滾兩自由度運動系統(tǒng)、壓力掃 描閥和PIV空間流場測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在同一瞬時同步獲得模型俯仰/搖滾運動學(xué)量、模型 表面壓力以及空間流場速度場信息，并提出了高精度同步測量運動/流場的分區(qū)測量方 法。本發(fā)明是一種在模型進行俯仰/搖滾動態(tài)兩自由度運動過程中，對模型運動軌 跡、物面壓力和空間速度場聯(lián)合同步測量的實驗方法，實驗系統(tǒng)設(shè)備包括工控機、電機 驅(qū)動的俯仰運動機構(gòu)、電機驅(qū)動的強迫搖滾支桿、多點壓力測量設(shè)備和粒子圖像測速儀 (PIV)。其特征在于通過工控機控制兩臺飼服電機按給定的規(guī)律分別驅(qū)動俯仰運動機構(gòu) 和強迫搖滾支桿進行俯仰運動和強迫搖滾運動，實現(xiàn)實驗?zāi)Ｐ偷母┭?搖滾雙自由度耦 合運動，工控機控制系統(tǒng)按指定頻率采集運動規(guī)律并進行閉環(huán)PID控制，當運動到需要 進行同步運動/流動測量的位置時，工控機發(fā)出指令給多點壓力測量設(shè)備和PIV，實現(xiàn)模 型實際運動位置、物面壓力和空間速度場的同步采集。本發(fā)明的模型運動是按給定規(guī)律的雙自由度俯仰和搖滾耦合運動，在需要采集 的位置有兩個角度，即攻角和滾轉(zhuǎn)角。在進行同步測量時，通過程序判斷是否達到預(yù) 定同步測量位置選擇是否發(fā)射同步測量信號，稱為鎖位測量方法。由于實際模擬運動規(guī) 律不可能與待模擬的運動規(guī)律完全一致，俯仰運動的規(guī)律與搖滾運動的規(guī)律也不一樣， 所以鎖位攻角或者鎖位滾轉(zhuǎn)角進行同步測量的誤差并不相同。在滾轉(zhuǎn)角速度比攻角速度 大的地方使用鎖攻角的方法可能導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)角誤差較大；而在滾轉(zhuǎn)角速度比攻角速度小的地方使用鎖滾轉(zhuǎn)角的方法可能導(dǎo)致攻角誤差較大。本發(fā)明提出根據(jù)攻角速度和滾轉(zhuǎn)角速 度的相對大小進行分區(qū)，在攻角運動速度較大的地方使用鎖攻角同步測量，而在滾轉(zhuǎn)運 動速度較大的地方使用鎖滾轉(zhuǎn)角同步測量，稱之為分區(qū)同步測量的方法。本發(fā)明的工控機采用硬件方式進行測控定時(采用定時計數(shù)器，如8254芯片 等)，兩電機的運動、壓力和速度場測量由工控機統(tǒng)一控制，工控機保證發(fā)給各個設(shè)備的 控制指令的同步性。本發(fā)明驅(qū)動模型進行俯仰和搖滾的電機為伺服電機，通過位于工控機內(nèi)的電機 控制卡和位于工控機外的電機驅(qū)動器進行控制。電機驅(qū)動俯仰運動機構(gòu)按給定的規(guī)律 (例如O-SOdeg攻角范圍30deg/s勻速運動)模擬俯仰運動，電機驅(qū)動搖滾支桿按給定的 規(guī)律(例如幅值45度的Ihz正弦運動)模擬搖滾運動；工控機以一定頻率從與電機相連 的編碼器讀取模型的運動規(guī)律，并進行閉環(huán)的PID控制，使模擬運動的精度更高。本發(fā)明模型表面多點壓力測量采用在模型表面打測壓孔的方式進行，測壓孔通 過導(dǎo)壓管與多點壓力掃描閥相連，壓力掃描閥采用微型掃描閥，放在模型內(nèi)或離模型不 遠的支桿上，多點壓力掃描閥可以是電子壓力掃描法、智能壓力掃描閥等。壓力掃描閥 從接受信號到實際測量的間隔較小，一般認為是瞬時測量。本發(fā)明的空間速度場測量采用PIV方法，PIV設(shè)備包括脈沖激光器，至少一臺照 相機，激光器和相機的同步卡，圖像采集卡，采集軟件。PIV測量采用蔬菜油作為示蹤 粒子，包括橄欖油，玉米油，豆油，葵花仔油等。選用對風洞設(shè)備沒有污染的示蹤材料 很重要。本發(fā)明是一種聯(lián)合同步測量實驗方法，其工控機通過多點壓力測量和PIV設(shè)備 的外觸發(fā)口實現(xiàn)對兩臺采集設(shè)備的控制。在工控機發(fā)出采集指令之前，需要先將壓力采 集設(shè)備的采集軟件和PIV采集軟件啟動，并處于外觸發(fā)等待狀態(tài)。由于PIV設(shè)備從接受 外觸發(fā)到實際采集有一確定的時間延遲，因而觸發(fā)脈沖要在PIV采集之前發(fā)射，應(yīng)事先 標定出每個需要采集的模型位置所對應(yīng)的發(fā)射外觸發(fā)指令的模型位置，發(fā)射外觸發(fā)指令 的模型位置位于需要采集的模型位置之前，兩者之間的時間延遲等于PIV時間延遲。本發(fā)明在實施測量時，首先將壓力掃描閥采集軟硬件和PIV采集軟硬件啟動處 于工作狀態(tài)，將兩者的采集方式都設(shè)為外觸發(fā)方式，然后啟動采集使其處于等待狀態(tài)， 等待工控機的采集指令。


圖1俯仰/搖滾耦合運動實驗機構(gòu)及系統(tǒng)控制圖；其中圖1 (a)俯仰/搖滾耦合 運動實驗機構(gòu)，圖1 (b)俯仰/搖滾運動系統(tǒng)控制框圖。圖2俯仰/搖滾耦合運動模擬結(jié)果及誤差；其中圖2 (a)俯仰/搖滾耦合運動模 擬結(jié)果，圖2 (b)俯仰/搖滾耦合運動模擬誤差。圖3運動/流動同步測量系統(tǒng)示意圖；圖4運動/流動同步測量工作時序圖；圖5同步測量誤差示意圖；圖6分區(qū)同步測量方法；其中圖6(a)同步測量點，圖6(b)各測量點攻角和滾轉(zhuǎn) 角速度圖7分區(qū)同步測量誤差；其中圖7(a)分區(qū)同步測量攻角誤差，圖7(b)分區(qū)同步測量滾轉(zhuǎn)角誤差。
具體實施例方式本發(fā)明是對俯仰/搖滾兩自由度運動中的模型進行運動時間歷程和表面壓力及 PIV進行同步測量。圖1所示為可實現(xiàn)給定規(guī)律俯仰-搖滾運動的機構(gòu)例子及其系統(tǒng)控 制圖，從圖中可以看出，俯仰和搖滾運動分別由兩個飼服電機驅(qū)動，使用PID閉環(huán)控制 方法控制電機進行模擬運動，兩種模擬運動使用同一計時器，通過調(diào)節(jié)合適的PID參數(shù) 可以使模擬運動達到較高的精度，如圖2所示。對于模型動態(tài)物面測壓采用掃描閥測壓系統(tǒng)，模型表面多點壓力測量采用在模 型表面打測壓孔的方式進行，測壓孔通過導(dǎo)壓管與多點壓力掃描閥相連，壓力掃描閥采 用微型掃描閥，放在模型內(nèi)或離模型不遠的支桿上，多點壓力掃描閥可以是電子壓力掃 描法、智能壓力掃描閥等，采用外觸發(fā)工作方式，壓力掃描閥從接受信號到實際測量的 時間間隔可忽略。本例中的PIV系統(tǒng)外用外觸發(fā)工作方式，從接受外觸發(fā)信號到實際測量的工作 延時設(shè)定為20mms。本發(fā)明的整個同步測量系統(tǒng)示意圖如圖3所示，根據(jù)待模擬的曲線，計算所要 拍攝角度相位20ms之前的角度(包括攻角和滾轉(zhuǎn)角)相位，在模型運動過程中以512hz 頻率采集運動時間歷程并判斷是否到達該角度相位；當?shù)竭_時發(fā)射測壓信號外觸發(fā)PIV 系統(tǒng)，20ms之后外觸發(fā)測壓系統(tǒng)，模型運動至該角度相位，PIV與動態(tài)測壓系統(tǒng)同一瞬 時工作；同步采集到模型的實際運動位置和壓力及速度場信息，實現(xiàn)運動與流動的同步 測量。圖4顯示了這一同步測量的工作時序。本發(fā)明針對俯仰/搖滾的兩自由運動，所以同步測量的誤差有兩種，即同步 測量攻角誤差和滾轉(zhuǎn)角誤差，如圖5所示。在進行鎖位發(fā)射同步測量信號時，有鎖攻角 或鎖滾轉(zhuǎn)角兩種鎖位同步信號發(fā)射方法。在這兩種方法的選擇上，本發(fā)明提出了根據(jù)待 測位置攻角速度和滾轉(zhuǎn)角速度的相對大小進行選擇，對于給定的模擬曲線不同的測量位 置，若攻角速度大于滾轉(zhuǎn)角速度，則選擇鎖攻角測量，反之則選擇鎖滾轉(zhuǎn)角進行同步測 量。根據(jù)這一原則可以對待測點進行分區(qū)，在攻角速度較大的區(qū)域選擇鎖攻角同步測 量，反之選擇鎖滾轉(zhuǎn)角同步測量，這一分區(qū)測量的方法如圖6所示，在其中的第1、5、 10測量點采用鎖攻角同步測量方法，其余測量點采用鎖滾轉(zhuǎn)角方法。根據(jù)這一方法進行 同步測量的誤差結(jié)果如7所示。
權(quán)利要求
1.一種在模型進行俯仰/搖滾振蕩兩自由度動態(tài)運動過程中，對模型運動軌跡、物面 壓力和空間速度場聯(lián)合同步測量的實驗方法，包括工控機、俯仰運動機構(gòu)、電機驅(qū)動的 模型支桿、多點壓力測量設(shè)備和粒子圖像測速儀(PIV)，其特征在于通過工控機同時 驅(qū)動俯仰運動機構(gòu)和模型支桿，二者分別帶動模型使其按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律運動，當運動 到需要采集數(shù)據(jù)的位置，工控機發(fā)出指令給多點壓力測量設(shè)備和PIV系統(tǒng)，同步采集模 型實際運動位置、物面壓力和空間速度場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征為驅(qū)動俯仰和搖滾運動的電機為伺服電機或 步進電機，通過位于工控機內(nèi)的電機控制卡和位于工控機外的電機驅(qū)動器進行控制。電 機驅(qū)動俯仰運動機構(gòu)和模型支桿，按預(yù)先設(shè)定的運動規(guī)律，做俯仰-搖滾兩個自由度的 模擬運動。工控機通過PID反饋控制算法分別控制模型的俯仰和搖滾運動，通過伺服電 機上的編碼器實現(xiàn)模型實際運動位置的采集及控制量反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征為對于某需要測量的位置，需要事先計算該 測量點的攻角和滾轉(zhuǎn)角速度，若該點的攻角速度較大，則PIV和壓力系統(tǒng)的外觸發(fā)測量 信號均按攻角的位置信息進行攻角鎖位的同步測量方法。反之則用滾轉(zhuǎn)角鎖相的同步測 量誤差。這種選擇鎖相方式的方法稱為分區(qū)方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征為模型表面多點壓力測量采用在模型表面打 測壓孔的方式進行，測壓孔通過導(dǎo)壓管與多點壓力掃描閥相連，壓力掃描閥采用微型掃 描閥，放在模型內(nèi)或離模型不遠的支桿上，多點壓力掃描閥可以是電子壓力掃描法、智 能壓力掃描閥等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征為空間速度場測量采用PIV方法，PIV設(shè)備包 括脈沖激光器，至少一臺照相機，激光器和相機的同步卡，圖像采集卡，采集軟件。PIV 測量采用蔬菜油作為示蹤粒子，包括橄欖油，玉米油，豆油，葵花仔油等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求2、3、4所述方法，其特征為工控機通過多點壓力測 量和PIV設(shè)備的外觸發(fā)口實現(xiàn)對兩臺采集設(shè)備的控制。在工控機發(fā)出采集指令之前，需 要先將壓力采集設(shè)備的采集軟件和PIV采集軟件啟動，并處于外觸發(fā)等待狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求2、3、4、5所述方法，其特征為由于PIV設(shè)備從接 受外觸發(fā)到實際采集有一確定的時間延遲，因而觸發(fā)脈沖要在PIV采集之前發(fā)射，應(yīng)事 先標定出每個需要采集的模型位置所對應(yīng)的發(fā)射外觸發(fā)指令的模型位置，發(fā)射外觸發(fā)指 令的模型位置位于需要采集的模型位置之前，兩者之間的時間延遲等于PIV時間延遲。 實際工作時，首先采集電機編碼器反饋的模型位置信息，根據(jù)該位置信息來確定是否到 達發(fā)射外觸發(fā)指令的模型位置，如果到了，則發(fā)射PIV采集指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求2、3、4、5、6、7所述方法，其特征為當實施測量 時，首先將壓力掃描閥采集軟硬件和PIV采集軟硬件啟動處于工作狀態(tài)，將兩者的采集 方式都設(shè)為外觸發(fā)方式，然后啟動采集使其處于等待狀態(tài)，等待工控機的采集指令；然 后，工控機發(fā)出控制指令啟動電機驅(qū)動支桿及模型運動，在需要采集的位置，發(fā)出采集 指令給掃描閥和PIV系統(tǒng)，實施數(shù)據(jù)采集，同時通過編碼器記錄模型實際位置。
全文摘要
本發(fā)明是一種對俯仰-搖滾兩自由度動態(tài)模擬運動控制過程中，對模型運動軌跡、物面壓力和空間速度場聯(lián)合同步測量的實驗方法。通過工控機同時驅(qū)動俯仰運動機構(gòu)和模型支桿，分別帶動模型使其按預(yù)先設(shè)定的軌跡進行俯仰和搖滾運動，當運動到需要采集數(shù)據(jù)的位置，工控機發(fā)出指令給多點壓力測量設(shè)備和PIV設(shè)備，同步采集模型實際運動位置、物面壓力和空間速度場。實驗結(jié)果可知，在PID閉環(huán)反饋控制下的兩自由度耦合模擬運動精度較高，根據(jù)分區(qū)的方法發(fā)射同步測量外觸發(fā)信號可以減小同步測量的誤差，該聯(lián)合同步實驗技術(shù)為深入分析大攻角非定常流動機理提供了有效的研究手段。
文檔編號G01M9/06GK102012308SQ20101018194
公開日2011年4月13日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者徐思文, 李巖, 王延奎, 鄧學(xué)鎣, 馬寶峰 申請人:北京航空航天大學(xué)