低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔顺暅y量技術(shù)研究.pdf

1、多功能結(jié)冰風(fēng)洞建設(shè)項目作為我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施已于2013年12月建成，模型位姿測量系統(tǒng)作為該風(fēng)洞測控系統(tǒng)的主要部分，其性能指標(biāo)對風(fēng)洞的綜合指標(biāo)至關(guān)重要。基于低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)非接觸測量的完整性要求和結(jié)冰風(fēng)洞試驗環(huán)境的特殊性，研究一種能獲得完整位姿參數(shù)、實時的、非接觸的、高精度的、可靠的低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔藴y量技術(shù)和方法有著重要的意義。在對國內(nèi)外低速風(fēng)洞目前所采用的各種模型位置和姿態(tài)測量方法探討的基礎(chǔ)上，本文首次提出基于超聲測量技

2、術(shù)的低速風(fēng)洞模型位置和姿態(tài)的非接觸測量技術(shù)和方法，并對該方法及其求解算法進行了深入研究，主要有以下方面的工作與成果：
　　(1)提出完整的低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔顺暦墙佑|測量方法，并建立了應(yīng)用于大型低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔顺暦墙佑|測量的數(shù)學(xué)模型。包括實時聲速測量、超聲精確測距、單點空間超聲定位數(shù)學(xué)模型及其算法、試驗?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)辨識的數(shù)學(xué)模型及其算法，以及位姿超聲測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定等五個部分組成。
　　(2)提出實時聲速測量方法

3、、超聲精確測距方法以及單點空間超聲定位數(shù)學(xué)模型的求解算法。實時聲速測量方法用于實時準(zhǔn)確獲得低速風(fēng)洞試驗段內(nèi)的聲速。超聲精確測距方法用于測量固定在閉口試驗段內(nèi)壁上（或者開口試驗段模型周邊）的信標(biāo)超聲傳感器與固定安裝在模型上的目標(biāo)超聲傳感器之間的準(zhǔn)確距離。單點空間超聲定位數(shù)學(xué)模型利用超聲精確測距獲得同一目標(biāo)超聲傳感器與三個以上信標(biāo)超聲傳感器的距離，通過組合法求解出該目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)值。通過對該數(shù)學(xué)模型計算的推導(dǎo)及分析，提出

4、了求解目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上坐標(biāo)的最優(yōu)測量構(gòu)形，并對單點空間超聲定位模型算法的效率和可靠性進行了驗證。
　　(3)提出位姿參數(shù)辨識數(shù)學(xué)模型的求解算法。位姿參數(shù)辨識數(shù)學(xué)模型為嚴(yán)密計算數(shù)學(xué)模型，包括軸系轉(zhuǎn)換和位姿求解兩個部分。軸系轉(zhuǎn)換方法通過利用模型坐標(biāo)軸系和風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上三個以上的公共點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用重心化處理和變量分離等方法，求解出模型坐標(biāo)軸系在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過對兩個坐標(biāo)軸系平移矩陣和旋

5、轉(zhuǎn)矩陣的分析，采用位姿求解方法獲得模型在風(fēng)洞試驗段內(nèi)的位置和姿態(tài)。通過對位姿參數(shù)辨識數(shù)學(xué)模型中的軸系轉(zhuǎn)換矩陣求解方法的分析，提出了兩個軸系公共點在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的點位重構(gòu)方法和兩種計算模型，即等式求解模型和多目標(biāo)規(guī)劃模型。另外，通過分析，給出了點位重構(gòu)的方法和算法。
　　(4)提出低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔顺暅y量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定方法用于該系統(tǒng)應(yīng)用的計量確認(rèn)。對于信標(biāo)超聲傳感器和實時聲速測量超聲傳感器安裝位置的坐標(biāo)值測量，本文提出采用基

6、點校準(zhǔn)法予以校準(zhǔn)和標(biāo)定。對于配對實時聲速傳感器間距離的測量本文提出兩種方法，即基點校準(zhǔn)法和差距法，考慮到測量的高精度要求，優(yōu)先采用差距法對其進行校準(zhǔn)和標(biāo)定。對于試驗?zāi)Ｐ蜕瞎潭ǖ哪繕?biāo)超聲傳感器在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)值測量，本文提出采用坐標(biāo)重合法予以校準(zhǔn)和標(biāo)定。
　　(5)以國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一的多功能結(jié)冰風(fēng)洞的3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞應(yīng)用為例，提出了用于結(jié)冰風(fēng)洞次試驗段開展1號4041標(biāo)模試驗時的模型位姿超聲測量系統(tǒng)設(shè)計方案。給出了系