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

1、多功能結(jié)冰風(fēng)洞建設(shè)項(xiàng)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(cè)量系統(tǒng)作為該風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)的主要部分，其性能指標(biāo)對(duì)風(fēng)洞的綜合指標(biāo)至關(guān)重要。基于低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)非接觸測(cè)量的完整性要求和結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境的特殊性，研究一種能獲得完整位姿參數(shù)、實(shí)時(shí)的、非接觸的、高精度的、可靠的低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔藴y(cè)量技術(shù)和方法有著重要的意義。在對(duì)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(cè)量方法探討的基礎(chǔ)上，本文首次提出基于超聲測(cè)量技

2、術(shù)的低速風(fēng)洞模型位置和姿態(tài)的非接觸測(cè)量技術(shù)和方法，并對(duì)該方法及其求解算法進(jìn)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(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔顺暦墙佑|測(cè)量方法，并建立了應(yīng)用于大型低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔顺暦墙佑|測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。包括實(shí)時(shí)聲速測(cè)量、超聲精確測(cè)距、單點(diǎn)空間超聲定位數(shù)學(xué)模型及其算法、試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)辨識(shí)的數(shù)學(xué)模型及其算法，以及位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定等五個(gè)部分組成。
　　(2)提出實(shí)時(shí)聲速測(cè)量方法

3、、超聲精確測(cè)距方法以及單點(diǎn)空間超聲定位數(shù)學(xué)模型的求解算法。實(shí)時(shí)聲速測(cè)量方法用于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得低速風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的聲速。超聲精確測(cè)距方法用于測(cè)量固定在閉口試驗(yàn)段內(nèi)壁上（或者開口試驗(yàn)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(diǎn)空間超聲定位數(shù)學(xué)模型利用超聲精確測(cè)距獲得同一目標(biāo)超聲傳感器與三個(gè)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(duì)該數(shù)學(xué)模型計(jì)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(cè)量構(gòu)形，并對(duì)單點(diǎn)空間超聲定位模型算法的效率和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(3)提出位姿參數(shù)辨識(shí)數(shù)學(xué)模型的求解算法。位姿參數(shù)辨識(shí)數(shù)學(xué)模型為嚴(yán)密計(jì)算數(shù)學(xué)模型，包括軸系轉(zhuǎn)換和位姿求解兩個(gè)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(gè)以上的公共點(diǎn)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(duì)兩個(gè)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(yàn)段內(nèi)的位置和姿態(tài)。通過對(duì)位姿參數(shù)辨識(shí)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(gè)軸系公共點(diǎn)在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的點(diǎn)位重構(gòu)方法和兩種計(jì)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(diǎn)位重構(gòu)的方法和算法。
　　(4)提出低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔顺暅y(cè)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(jì)量確認(rèn)。對(duì)于信標(biāo)超聲傳感器和實(shí)時(shí)聲速測(cè)量超聲傳感器安裝位置的坐標(biāo)值測(cè)量，本文提出采用基

6、點(diǎn)校準(zhǔn)法予以校準(zhǔn)和標(biāo)定。對(duì)于配對(duì)實(shí)時(shí)聲速傳感器間距離的測(cè)量本文提出兩種方法，即基點(diǎn)校準(zhǔn)法和差距法，考慮到測(cè)量的高精度要求，優(yōu)先采用差距法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。對(duì)于試驗(yàn)?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(cè)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(yàn)段開展1號(hào)4041標(biāo)模試驗(yàn)時(shí)的模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。給出了系