低速風洞試驗模型位姿超聲測量技術研究.pdf

1、多功能結(jié)冰風洞建設項目作為我國重大科技基礎設施已于2013年12月建成，模型位姿測量系統(tǒng)作為該風洞測控系統(tǒng)的主要部分，其性能指標對風洞的綜合指標至關重要?；诘退亠L洞試驗模型位姿參數(shù)非接觸測量的完整性要求和結(jié)冰風洞試驗環(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、可靠的低速風洞試驗模型位姿測量技術和方法有著重要的意義。在對國內(nèi)外低速風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上，本文首次提出基于超聲測量技

2、術的低速風洞模型位置和姿態(tài)的非接觸測量技術和方法，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)提出完整的低速風洞試驗模型位姿超聲非接觸測量方法，并建立了應用于大型低速風洞試驗模型位姿超聲非接觸測量的數(shù)學模型。包括實時聲速測量、超聲精確測距、單點空間超聲定位數(shù)學模型及其算法、試驗模型位姿參數(shù)辨識的數(shù)學模型及其算法，以及位姿超聲測量系統(tǒng)的校準和標定等五個部分組成。
　　(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)學模型的求解算法。實時聲速測量方法用于實時準確獲得低速風洞試驗段內(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）的信標超聲傳感器與固定安裝在模型上的目標超聲傳感器之間的準確距離。單點空間超聲定位數(shù)學模型利用超聲精確測距獲得同一目標超聲傳感器與三個以上信標超聲傳感器的距離，通過組合法求解出該目標超聲傳感器在風洞坐標軸系的坐標值。通過對該數(shù)學模型計算的推導及分析，提出

4、了求解目標超聲傳感器在風洞坐標軸系上坐標的最優(yōu)測量構形，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)學模型的求解算法。位姿參數(shù)辨識數(shù)學模型為嚴密計算數(shù)學模型，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軸系和風洞坐標軸系上三個以上的公共點坐標數(shù)據(jù)，采用重心化處理和變量分離等方法，求解出模型坐標軸系在風洞坐標軸系上的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。在此基礎上，通過對兩個坐標軸系平移矩陣和旋

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洞坐標軸系上的點位重構方法和兩種計算模型，即等式求解模型和多目標規(guī)劃模型。另外，通過分析，給出了點位重構的方法和算法。
　　(4)提出低速風洞試驗模型位姿超聲測量系統(tǒng)的校準和標定方法用于該系統(tǒng)應用的計量確認。對于信標超聲傳感器和實時聲速測量超聲傳感器安裝位置的坐標值測量，本文提出采用基

6、點校準法予以校準和標定。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和標定。對于試驗模型上固定的目標超聲傳感器在模型坐標軸系上的坐標值測量，本文提出采用坐標重合法予以校準和標定。
　　(5)以國家重大科技基礎設施之一的多功能結(jié)冰風洞的3m×2m結(jié)冰風洞應用為例，提出了用于結(jié)冰風洞次試驗段開展1號4041標模試驗時的模型位姿超聲測量系統(tǒng)設計方案。給出了系