專利名稱：風洞側(cè)滑角直接實時測量方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模型空間姿態(tài)角測量技術(shù)領(lǐng)域。
對飛行器姿態(tài)的精確測量，是準確采集空氣動力學有關(guān)數(shù)據(jù)的重要前提。側(cè)滑角β是表征飛行姿態(tài)的一個主要物理參數(shù)，側(cè)滑角的定義是飛行器速度矢量
與飛行器對稱平面之間的夾角稱為側(cè)滑角β。在風洞試驗中，飛行器模型不動，空氣以一定的速度相對飛行器模型流動，風速
F的方向與飛行器模型相對運動方向相反，并與洞體X軸反向、平行，所以在風洞中側(cè)滑角的定義為洞體X軸與飛行器對稱面之間的夾角稱為側(cè)滑角。由此定義可知，側(cè)滑角β是直線和平面的三維空間角。根據(jù)推導，在洞體直角坐標中，側(cè)滑角可用如下公式表示β＝aro Sin(Cosr·Sinψ+Sinr·Sinα·Cosψ) (1)式中α為攻角，即為飛行器速度矢量
在飛行器對稱面上的投影與飛行器機身縱軸線的夾角。
r為滾動角，即飛行器對稱面與經(jīng)過機身軸線的鉛垂面之間的夾角。
ψ為偏航角，即飛行器機身軸線在水平面上的投影與洞體X軸之間的夾角。
目前采用尾撐裝置支撐模型是風洞實驗的先進手段之一。機械尾撐裝置的結(jié)構(gòu)如

圖1所示，其裝置由上轉(zhuǎn)盤(1)、下轉(zhuǎn)盤(2)、弧形軌道(3)、拖箱(4)、拖箱電機(5)、支桿(6)、內(nèi)應變天平(7)等部件組成?；⌒诬壍篮蜕舷罗D(zhuǎn)盤剛性聯(lián)接，飛行器模型(8)嵌套在內(nèi)應變天平上。在下轉(zhuǎn)盤的下方有一機械天平床身(8)，床身固定在機械天平的轉(zhuǎn)動機械(10)上。床身和轉(zhuǎn)動機構(gòu)在機械天平電動機(11)的拖動下與上下轉(zhuǎn)盤繞中心軸(12)同步旋轉(zhuǎn)，改變側(cè)滑角β，形成機械轉(zhuǎn)動分量βO。在風洞試驗過程中，風力既會使尾撐裝置彈性變形，也會使尾撐間隙位移，引起振動，產(chǎn)生β角的機械變形分量(包括彈性變形和間隙位移)△β和振動分量δβ，因此側(cè)滑角β是機械轉(zhuǎn)動分量βO、機械變形分量△β和振動分量δβ的總和，即β＝βO+△β+δβ。
已有技術(shù)測量β角的方法分為兩類，第一類方法是將角度傳感器安裝在以洞體Y軸為轉(zhuǎn)軸的飛行器模型支架上，測出其轉(zhuǎn)角，換算出側(cè)滑角機械轉(zhuǎn)動分量βO，再用經(jīng)驗公式人為修正，以補償變形分量△β對β角的貢獻，求出β角。該種方法的不足之處在于不能直接實時測量實際的β角值，由于修正值所固有的原理性誤差，使修正值和實際值之間相差較遠。第二類方法是利用測量裝置先分別測出攻角α，偏航角ψ，滾動角r，再用β＝f(α，ψ，r)的關(guān)系公式算出β角。例如，將加速計與陀螺安裝在飛行器模型中，實時測量出α、ψ、r的瞬時值，按統(tǒng)計平均的方法分別求出α、ψ、r，再按β＝f(α，ψ，r)的公式求出β，以近似代替振動中心位置的β角。這種方法的不足之處在于，既不能直接測出β角;也不能直接測出振中位置的ψ角，從而影響測量的實時性和準確度，而這些正是現(xiàn)代風洞測試技術(shù)急需解決的問題。
本發(fā)明的目的在于提出一種新的風洞試驗中測量側(cè)滑角的方法，可以直接、實時地對β角進行精確的測量。同時，根據(jù)本發(fā)明提出的測量方法，設計出在風洞實驗中對側(cè)滑角進行直接實時測量的系統(tǒng)，在大攻角，強烈隨機振動的惡劣條件下，能高精度大范圍地測出側(cè)滑角β的實際值。
根據(jù)上述側(cè)滑角定義，目前用工程的方法直接按空間角度的物理形式檢測側(cè)滑角β是很困難的。由公式(1)可知，β角是由攻角α、偏航角ψ、滾動角γ所決定的三維空間角向量β(α，ψ，γ)，通過分別測量α、ψ、γ角，再按它們之間的幾何關(guān)系式，可計算出β角。但是，這種間接的測量方法會引入各種測量誤差和計算誤差，使該系統(tǒng)的測量難以滿足更高的試驗要求。另外在吹風試驗中，風流在飛行器外表面形成的湍流，對飛行器模型的強迫振動使支撐飛行器模型的尾撐機構(gòu)和內(nèi)應變天平的機械特性即彈性變形和尾撐機構(gòu)結(jié)合部的間隙位移造成飛行器模型的隨機振動，湍流的迫振頻率和機械系統(tǒng)固有頻率的接近與重合又會造成強烈的振動。飛行器模型的振動即是線振動與角振動的復合，又是六個自由度同時復合振動的疊加。該種振動的幅值和頻率的變化是隨機的;幅值最大可達15g，最小可降至0.01g以下，即出現(xiàn)暫時準靜止狀態(tài);頻率最高可達400HZ，最小可至OHZ。因此，該種變頻變幅的隨機振動的動態(tài)范圍是很大的，而使測量與信號處理變得十分困難。
本發(fā)明人經(jīng)過分析，提出在風洞實驗中通過實際測量近似側(cè)滑角θ，以θ值表示β角的測量理論。近似側(cè)滑角θ的定義是飛行器模型縱軸對稱面和水平面的交線與X軸之間的夾角。根據(jù)推導，可得到θ=aro Sin[11·Cos2aSin2r(Cosr·Siny+Sina·Sinr·Cosψ)](2)]]>令δo為θ角與β角的誤差，δo＝θ-β則δo＝1/2(r2tgθCos2α) (3)若θ的測量范圍為-45°≤θ≤+45°，當r角很小時，δo值很小。γ很小的條件在風洞實驗中的尾撐裝置結(jié)構(gòu)上已經(jīng)得到保證。通常只產(chǎn)生微小的彈性變形，例如r≤15′，將此值代入式(3)中可得到δomax＜2″。因此，在要求β角的精度和準度(即不確定度)小于2′，測量范圍-45°≤β≤+45°的條件下β角的值可以直接用θ角的值代替。
在吹風試驗中，飛行器模型始終進行著動態(tài)變化范圍很大的隨機振動，測量飛行器模型振動中一定姿態(tài)(即位置)的角度值是用戶的基本要求。取一段時間內(nèi)振動的瞬態(tài)角度值的平均數(shù)，其目的也是為了近似地取得振動平衡姿態(tài)(即振中位置)的β角度值。因此，采用對振動中一定姿態(tài)(即一定空間位置)采數(shù)的方法具有測量的直接性，而免除了由于數(shù)據(jù)處理所帶來的原理性隨機誤差。
根據(jù)理論計算，由于彈性變形和間隙位移所引起的變形分量的最大值△βmax＜1.8°，振動分量的最大值δβmax≥7.1°;為此本發(fā)明提出選取振動平衡位置，即振中采數(shù)的方法，可減小接收器的接收信號的角度范圍，達到在對振動不進行全視場掃描的情況下，實現(xiàn)強振條件下對一定位置的β角度的精確測量之目的，以此提高該系統(tǒng)的性能價格比。綜上所述，本發(fā)明提出一種直接實時測量側(cè)滑角β的實際方法，包括(1)將能產(chǎn)生一物理平面的目標發(fā)生器置于被測模型體內(nèi)，調(diào)整所說的物理平面與該模型幾何對稱面重合，使之代表模型對稱面的方法;
(2)將信號接收裝置放置于所說的物理平面與水平面的交線處，自動跟蹤和檢測出所說的交線的空間性位置變化的方法;
(3)對所說的信號進行數(shù)據(jù)采集(簡稱采數(shù))和信號處理，得到側(cè)滑角△β+δβ分量值的方法;
(4)采用角度傳感器測量側(cè)滑角的機械轉(zhuǎn)動分量βo，再按β＝βo+△β+δβ的關(guān)系求出β角的組合測量方法。
本發(fā)明的一種實施上述方法的最佳方案是所說的目標發(fā)生器采用能產(chǎn)生一激光扇面的激光目標發(fā)生器，激光扇面與水平面的交線稱為激光交線。所說的信號接收裝置為激光信號接收裝置。
所說的激光信號接收裝置采用雙通道差分式線陣列光電檢測器，二個檢測器以一定間距平行地安裝在既可隨模型同步繞軸轉(zhuǎn)動又可同時沿轉(zhuǎn)動切向平移的復合機械裝置上，自動跟蹤飛行器模型的運動;雙通道線陣列光電檢測器同時檢測激光交線的位移，通過差分計算消除平動位移，得到轉(zhuǎn)動位移之差，求得β角實時變形分量和振動分量△β+δβ。
所說的對激光信號進行采數(shù)和信號處理的方法包括兩個部分1.是采數(shù)即對激光交線進行曝光;2.是信號處理即將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)二值化整形，變?yōu)閿?shù)字量，將所說的兩路檢測數(shù)據(jù)相減，消除平動位移量，得到轉(zhuǎn)動位移之差值△Z再轉(zhuǎn)化成側(cè)滑角的變形分量和振動分量即△β+δβ的方法，即根據(jù)雙通道光電檢測器的間距L算出θ角。
θ＝arctg[△z/L]，該θ角值即為△β+δβ值。
所說的采數(shù)包括三種方式，即振中采數(shù)、隨機采數(shù)和連續(xù)采數(shù)。這三種方式根據(jù)不同的測量要求事先設定，并能夠根據(jù)振動狀態(tài)產(chǎn)生的控制信號自動切換。例如連續(xù)采數(shù)和振中采數(shù)的切換，或連續(xù)采數(shù)和隨機采數(shù)的切換。
所說的振中采數(shù)方法是利用在激光扇面法線方向測出的檢振信號和信號處理電路，使所說的信號接收裝置只接收模型在振動中處于振中位置時的激光信號，以此求出△β角的方法。
所說的隨機采數(shù)方式是指調(diào)整電路常數(shù)，控制線陣列光電檢測器的曝光時刻，使所說的信號接收裝置只接收模型在振動中某一空間位置的激光信號，以此求出△β+δβ的方法。
所說的連續(xù)采數(shù)方式是提高所說接收裝置的采數(shù)頻率，使其符合采樣定理，控制所說的信號接收裝置進行全視場掃描即定時接收模型在振動中處于各點位置的激光信號，以此離散的測得振動中△β+δβ的連續(xù)變化的方法。
所說的激光信號處理方法還包括通過數(shù)字濾波、排序、數(shù)據(jù)篩選等技術(shù)，精確地求出△β+δβ角連續(xù)變化的平均值的方法。
本發(fā)明所述的方法的主要特點是，其一，用物理平面-激光扇面代替模型縱軸幾何對稱面，其二，用測量近似側(cè)滑角θ的值替代實際上的側(cè)滑角β的值，其三，能直接、實時、精確得到β值。其四，可自行消除尾撐系統(tǒng)彈性變形和間隙位移所引起的平移分量，只測出β角方向的偏轉(zhuǎn)量。其五，在大攻角強烈隨機振動的條件下能以三種數(shù)據(jù)采集方式(包括振中，隨機和連續(xù))測得β的瞬時值。其六是能在大角度范圍內(nèi)精確實測β角，其范圍是在-10°≤α≤+100°的條件下，-45°≤β≤+45°;其不確定度小于2′。
本發(fā)明提出一種實現(xiàn)上述方法的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)。由△β角測量系統(tǒng)和βo測角裝置所組成，所說的△β角測量系統(tǒng)由安裝在模型體內(nèi)可發(fā)生激光扇面的激光目標發(fā)生器;安裝在所說的復合機械裝置上可自動跟蹤飛行器模型運動的信號接收裝置;隨動跟蹤激光交線的伺服裝置，以及信號采集和數(shù)據(jù)處理裝置等組成;所說的βo測量裝置由位于模型尾撐裝置下，并隨模型同步旋轉(zhuǎn)的△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架;固定在該機械結(jié)構(gòu)上的伺服電機即轉(zhuǎn)動托架電機;安裝在該轉(zhuǎn)動裝置上的角度傳感器及其數(shù)據(jù)處理裝置所組成。
本發(fā)明所述的系統(tǒng)可在風洞試驗中對側(cè)滑角進行直接、實時測量，在大攻角范圍-10°≤α≤+100°的條件下，可在-45°≤β≤+45°變化范圍內(nèi)進行精確測量。測量的不確定度≤2′，滿足了風洞試驗對側(cè)滑角的測量要求。
附圖簡要說明圖1 風洞試驗尾撐裝置結(jié)構(gòu)示意2 β角直接實時測量系統(tǒng)實施例總體安裝示意3 半導體激光目標發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意4 信號采集處理子系統(tǒng)示意框5 CCD信號與數(shù)據(jù)處理電路示意框6 CCD采數(shù)方式的控制及轉(zhuǎn)換電路示意框7 CCD隨動平臺閉環(huán)控制示意框8 光電碼盤測角與△β+δβ測量的組合處理示意框圖本發(fā)明所述方法用于風洞試驗尾撐結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)裝置的一種最佳實施例如圖2～6所示，下面結(jié)合附圖對其結(jié)構(gòu)及工作原理分別進行詳細描述。
圖2為本實施例的總體安裝示意圖。
該系統(tǒng)由△β角測量系統(tǒng)和βo測量裝置構(gòu)成。△β角測量系統(tǒng)主要由半導體激光目標發(fā)生器(100)檢振加速度計(207)、組合體(208)、CCD隨動平臺(201)、CCD攝像頭(202)、CCD控制器(203)、主機箱(204)、半導體激光電源(106)等組成;βo測量裝置主要由△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架(9)(現(xiàn)由機械天平床身代替)、轉(zhuǎn)動托架電機(現(xiàn)由機械天平電機(11)代替)、光電碼盤(301)、譯碼計數(shù)器(302)、主計算機(400)等組成。其中二個CCD攝像頭(202)及其各自的CCD控制器(203)構(gòu)成雙通道差分式CCD攝像機;檢振加速度計(207)、CCD控制器(203)、主機箱(204)中的各種電路，光電碼盤(301)、譯碼計數(shù)器(302)、主計算機(400)等構(gòu)成信號采集處理子系統(tǒng)。
半導體激光目標發(fā)生器(100)安裝在被測模型(8)體內(nèi)，經(jīng)組合體(208)與模型剛性聯(lián)接，并使其產(chǎn)生的激光扇面(101)與經(jīng)模型縱軸線的對稱面重合。所說的半導體激光目標發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由半導體激光電源(106)、半導體激光器(105)、準直透鏡組(104)、圓柱鏡(103)、凹柱鏡(102)等部件所組成，各部件依次共軸安裝固定成一整體。并安裝在飛行器模型內(nèi)的組合體中，以保證激光扇面與飛行器模型對稱面重合，其工作過程如下半導體激光器(105)由半導體激光電源(106)供電產(chǎn)生一束激光，該激光束通過設置在激光器前的一組準直透鏡(104)后變成一束很細的平行光，再經(jīng)過圓柱鏡(103)將該激光沿圓柱鏡的徑向擴散成圓心角約為30°的激光扇面，再經(jīng)凹柱面鏡(102)后，將該激光扇面的圓心角擴大4倍，形成圓心角約為120°的激光扇面(101)。由于激光束通過柱面鏡時，沿柱面鏡母線方向不擴散，因此激光扇面的厚度仍與平行光束的光斑直徑(約為1～2mm)相同。該激光扇面與洞體水平面相交形成的激光交線(107)作為測量基準線。
雙通道差分式CCD攝像機的兩個攝像頭相距一定間隔，平行安裝在CCD隨動平臺(201)上。該隨動平臺安裝在與飛行器模型同步繞軸轉(zhuǎn)動的機械天平床身(9)上，使CCD攝像頭準確跟蹤模型的機械轉(zhuǎn)動(同步誤差小于3′)。所說的CCD隨動平臺裝有由驅(qū)動電源(206)帶動的步進馬達(205)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，使之帶動CCD攝像頭沿所說的機械轉(zhuǎn)動的切線方向平移，自動跟蹤激光交線超出CCD象敏區(qū)界限的移動;而從上述的兩個方面保證CCD像頭在測量范圍內(nèi)(-10°≤α≤100°，-45°≤β≤45°)均能接收到激光交線處的光信號。在兩個攝像頭上方的下轉(zhuǎn)盤(2)上開有兩個激光透鏡窗口(14)，使激光通過，被攝像頭接收。其工作原理如下激光扇面經(jīng)過飛行器模型激光透射窗孔(13)和下轉(zhuǎn)盤上的激光透射窗口入射到雙CCD攝像頭上，與光敏陣列相交形成激光交點，交點的光強經(jīng)過CCD像敏元件轉(zhuǎn)換成與光強有線性關(guān)系的電量，該電量經(jīng)驅(qū)動脈沖順序移出，從而將光的空間分布轉(zhuǎn)換為電的時序分布。由于激光扇面是隨被測模型的空間位置的改變而產(chǎn)生位移變化，因而激光扇面與水平面交線在θ角方向上的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)即表示了側(cè)滑角的空間變化狀態(tài);由于雙CCD攝像頭與模型在側(cè)滑角方向上的機械轉(zhuǎn)動保持同步，因此CCD攝像頭中象敏區(qū)間上的激光交點的位置變化只反映出模型因彈性變形和間隙位移以及振動變化所引起的側(cè)滑角的改變。由于模型的彈性間隙變形及振動變化不但引起β角度的轉(zhuǎn)動位移量，而且還會引起平動位移量，在實際試驗中，平動位移量比角度位移量還要大很多，為能精確測得β角度的轉(zhuǎn)動位移量，本實施例采用雙CCD攝像頭同時檢測激光交線的位移，將所檢測的象素地址相減，即雙通道差分方式，消除平動位移，得到轉(zhuǎn)動位移之差，以此求得△β+δβ。CCD控制器根據(jù)信號采集處理子系統(tǒng)給出的曝光脈沖的不同輸入方式，直接控制CCD攝像頭對激光信號的曝光時間，決定CCD攝像機的采數(shù)工作方式。例如，測量模型振動平衡(振中)位置的△β時，只需在模型位于振動平衡位置時發(fā)出CCD曝光脈沖，使CCD抓拍此時激光交點的位移量;若測量振動任意瞬時位置的△β+δβ，只需按一定間隔定時發(fā)出曝光脈沖，使CCD分時抓拍不同振動位置處的激光交點的位移量;縮小曝光脈沖的定時間隔，則可得到一組密集的離散的振動瞬態(tài)位置的激光交點的位移量，從而測出模型振動中△β值的連續(xù)變化。
所說的光電碼盤安裝在與床身剛性聯(lián)接并與上下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)的機械天平轉(zhuǎn)動機械(10)的電機(11)軸上。隨著機械天平轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動而發(fā)出的編碼和計數(shù)脈沖由與光電碼盤相聯(lián)的譯碼計數(shù)器進行譯碼和計數(shù)，再送入信號采集處理子系統(tǒng)中的主計算機進行計算處理。
所說的信號采集處理子系統(tǒng)由CCD信號與數(shù)據(jù)處理單元、CCD采數(shù)方式的控制及轉(zhuǎn)換單元、CCD隨動平臺閉環(huán)控制單元和光電碼盤測角與△β+δβ角測量的組合處理單元所組成，如圖4所示。
1.CCD信號與數(shù)據(jù)處理單元，如圖5所示。
本單元由CCD控制器、CCD數(shù)據(jù)接口(先進先出存儲器)、及裝在主機箱中的數(shù)據(jù)緩沖器、8085單板機和主計算機等構(gòu)成。其工作過程如下CCD攝像頭將光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)CCD控制器中視頻處理部分將光的空間分布變?yōu)殡姷臅r序波形，再二值化整形將視頻信號變?yōu)門TL電平的矩形波。該信號經(jīng)數(shù)字處理部分給出前后沿相應的象素地址，存入先進先出存儲器，并向8085單板機發(fā)出數(shù)據(jù)準備好(即DR)信號，8085CPU接到DR信號之后，將兩個CCD前后沿象素地址分別寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，經(jīng)過計算，求出前后象素地址的平均值n。8085 CPU將兩個CCD同時檢測的象素地址的平均值n1和n2相減，削除平動位移，求得轉(zhuǎn)動位移之差即△z＝(n1-n2)×0.013μm;再根據(jù)兩個CCD的間隔距離L，按θ＝arctg[△z/L]算出θ角。
2.CCD采數(shù)方式的控制及轉(zhuǎn)換單元，如圖6所示。
本單元由檢振傳感器和信號處理電路所組成，所說的檢振傳感器可采用檢振加速度計，該檢振加速度計安裝在組合體內(nèi)，以保證加速度計的敏感軸與激光扇面正交。所說的信號處理電路包括，加速度信號前置放大器、主機箱中的濾波、AGC、移相、積分、檢零、相位補償、采數(shù)方式自動切換電路及自檢脈沖發(fā)生器等。其工作過程如下本系統(tǒng)所用CCD采數(shù)分為三種方式，即振中、隨機和連續(xù)采集。這三種采數(shù)方式可以根據(jù)振動狀態(tài)產(chǎn)生的控制信號自動切換。其中，振中和隨機采數(shù)用檢振信號控制。
由檢振加速度計檢測出沿激光扇面法線方向的加速度信號。該信號經(jīng)阻抗變換、幅值放大電路將弱信號變?yōu)閺娦盘枺h距離傳輸給主機箱中的濾波電路和AGC、移相電路，將頻帶較寬幅值變化范圍很大的加速度信號變?yōu)轭l帶較窄幅值變化范圍較小的加速度信號，該信號經(jīng)二重積分電路轉(zhuǎn)換成位移信號，并經(jīng)檢零電路給出零點脈沖，用作CCD振中采數(shù)的原始信號。
由于檢測電路的相頻特性和AGC電路的相幅特性的畸變，需對零點脈沖進行相位補償。將零點脈沖經(jīng)過幅值移相補償和頻率移相補償電路校正，給出相對實際振動信號相差很小的曝光脈沖即振中曝光脈沖，使CCD抓拍激光交線位于振中位置處的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而測出△β角達到振中采數(shù)的目的;對于零點脈沖如果改變移相常數(shù)，則可測出振動任意位置處的△β+δβ角，達到振動中空間位置選擇測量即隨機采數(shù)的目的。
連續(xù)采集由自檢脈沖發(fā)生器定時給出采數(shù)曝光脈沖，測出振動過程中瞬態(tài)位置的△β+δβ角。提高采數(shù)頻率，使其符合采樣定理，則可離散的測得振動中△β+δβ角的連續(xù)變化，達到連續(xù)采數(shù)的目的。
由于在吹風試驗中飛行器模型的運動是隨機變化的，有時是強振，有時是弱振，有時出現(xiàn)準靜止狀態(tài)(振幅小于0.01g)，為此系統(tǒng)設有采數(shù)方式自動切換電路，使CCD在飛行器模型處于振動狀態(tài)時，按振中(或隨機)方式采集數(shù)據(jù);處于準靜止狀態(tài)時，按連續(xù)方式采集數(shù)據(jù)。
3.CCD隨動平臺閉環(huán)控制單元，如圖7所示。
本單元主要包括8085 CPU、D/A轉(zhuǎn)換器、運算放大器、壓控振蕩器、步進馬達及其驅(qū)動電源等組成的伺服裝置及隨動平臺構(gòu)成。其工作過程如下由于尾撐系統(tǒng)的各種變形所造成的飛行器模型沿Z軸方向的平動和β角方向的轉(zhuǎn)動，會使激光交線超出CCD視場范圍。將兩個CCD架設在隨動平臺上，當CCD檢測出激光交點已超出人為確定的上下限時，8085 CPU則根據(jù)CCD輸出的數(shù)據(jù)判斷超出，并自動發(fā)出運行命令和速度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)運算放大器放大，并使壓控振蕩器按精確的線性關(guān)系發(fā)出頻率一定的方波，控制馬達電源驅(qū)動步進馬達按一定速度帶動隨動平臺運行，使CCD自行跟蹤激光交線。以保證CCD象敏區(qū)不脫離激光交線。
4.光電碼盤測角與△β+δβ測量的組合處理單元，如圖8所示。
本單元主要由機械天平電動機(11)軸上的光電碼盤，譯碼計數(shù)器和主計算機等組成。其工作過程如下將△β角測量系統(tǒng)安裝在機械天平床身(目前是以機械天平床身代替△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架)上，在機械天平轉(zhuǎn)動裝置和上下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)的條件下，測出模型相對機械天平的變化量即△β或△β+δβ，并由8085單板機送至主計算機;
與此同時，根據(jù)安裝在機械天平電機軸上的光電碼盤隨著機械天平轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動而發(fā)出的編碼和計數(shù)脈沖，由譯碼計數(shù)器譯碼、計數(shù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)送入主計算機按減速比等當量算出β角的機械轉(zhuǎn)動量βo;
在上述基礎(chǔ)上，主計算機按β＝βo+△β+δβ的計算公式算出β角，從而實現(xiàn)β角的大角度βo和小角度△β+δβ直接實時測量的有機組合，使之在大角度范圍內(nèi)可以精確測量β角。
本實施例β角直接實時測量系統(tǒng)安裝位置說明半導體激光目標發(fā)生器(100)安裝在組合體內(nèi)，剛性聯(lián)接，其激光扇面須與通過組合體縱軸線的對稱面重合。
半導體激光電源(106)可安裝在△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架上或地面其他的支撐體上。
飛行器模型激光透射窗孔(13)在安裝半導體激光目標發(fā)生器的模型外表面處開設，使激光扇面經(jīng)該孔透射而無阻擋。
激光扇面(101)激光扇面必須于飛行器模型對稱面重合。
下轉(zhuǎn)盤激光透射窗口(14)該孔開設在CCD攝像頭上方的下轉(zhuǎn)盤上，具體定位尺寸和形狀大小由激光入射至CCD攝像頭的光路走向決定。
激光交線激光交線的寬度應小于2mm，長度由α角的變化范圍而定，以保證在α角的變化范圍內(nèi)該交線始終覆蓋于CCD視場范圍內(nèi)。
CCD隨動平臺(201)安裝在△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架上(現(xiàn)由機械天平床身代替)。該平臺的縱向軸線應于托架的轉(zhuǎn)動切線平行。
CCD攝像頭(202)安裝在CCD隨動平臺上，安裝夾角由激光入射角決定以保證取得最大光電信號輸出。兩個線陣CCD平行、對齊放置，并與隨動平臺縱軸線平行。
CCD控制器(203)安裝于轉(zhuǎn)動托架上，其與CCD攝像頭的距離由視頻信號傳輸特性決定。
主機箱(204)可安裝于轉(zhuǎn)動托架上，也可安裝在地面的支架上。
檢振加速度計及前置放大器剛性聯(lián)接安裝在組合體內(nèi)。加速度計的敏感軸應與組合體的縱軸對稱面垂直。
組合體(208)安裝在飛行器模型的前部，剛性聯(lián)接，組合體自身的對稱面須與模型對稱面重合。
△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架(9)(現(xiàn)由機械天平床身代替)安裝在下轉(zhuǎn)盤下方即風洞以外，并能與模型和上下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)。
光電碼盤(301)安裝在轉(zhuǎn)動托架電動機(現(xiàn)由機械天平電動機代替)的轉(zhuǎn)動軸上。
譯碼計數(shù)器(302)安裝在同步控制機柜內(nèi)。
主計算機(400)安裝在控制室內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種直接實時測量側(cè)滑角β的方法，包括(1)將能產(chǎn)生一物理平面的目標發(fā)生器置于被測模型體內(nèi)，調(diào)整所說的物理平面與該模型幾何對稱面重合，使之代表模型對稱面的方法；(2)將信號接收裝置放置于所說物理平面與水平面的交線處，自動跟蹤和檢測出所說的交線的空間性位置變化的方法；(3)對所說的信號進行數(shù)據(jù)采集(簡稱采數(shù))和信號處理，得到側(cè)滑角△β+δβ分量值的方法；(4)采用角度傳感器測量側(cè)滑角的機械轉(zhuǎn)動分量βo，再按β=βo+△β+δβ的關(guān)系求出β角的組合測量方法。
2.如權(quán)利要求1所述的測量側(cè)滑角β的方法，其特征在于所說的目標發(fā)生器采用能產(chǎn)生一激光扇面的激光目標發(fā)生器，激光扇面與水平面的交線稱為激光交線，所說的信號接收裝置為激光信號接收裝置。
3.如權(quán)利要求2所說的測量側(cè)滑角β的方法，其特征在于所說的激光信號接收裝置是采用雙通道差分式線陣列光電檢測器，二個檢測器以一定間距平行地安裝在既可隨模型同步繞軸轉(zhuǎn)動又可同時沿轉(zhuǎn)動切向平移的復合機械裝置上，自動跟蹤飛行器模型的運動;雙通道線陣列光電檢測器同時檢測激光交線的位移，通過差分計算消除平動位移，得到轉(zhuǎn)動位移之差，求得β角實時變形分量和振動分量△β+δβ。
4.如權(quán)利要求2所說的測量測滑角β的方法，其特征在于所說的對激光信號進行采數(shù)和信號處理的方法包括兩個部分其一是采數(shù)即對激光交線進行曝光，其二是信號處理即將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)二值化整形，變?yōu)閿?shù)字量，將所說的兩路檢測數(shù)據(jù)相減，消除平動位移量，得到轉(zhuǎn)動位移之差△z，再轉(zhuǎn)化成側(cè)滑角的變形分量和振動分量即△β+δβ的方法。
5.如權(quán)利要求4所說的測量側(cè)滑角β的方法，其特征在于所說的采數(shù)包括三種方式，即振中采數(shù)、隨機采數(shù)和連續(xù)采數(shù)。這三種方式根據(jù)不同的測量要求事先設定，并能夠根據(jù)振動狀態(tài)產(chǎn)生的控制信號自動切換。例如連續(xù)采數(shù)和振中采數(shù)的切換，或連續(xù)采數(shù)和隨機采數(shù)的切換。所說的振中采數(shù)方式是利用在激光扇面法線方向測出的檢振信號和信號處理電路，使所說的信號接收裝置只接收模型在振動中處于振中位置時的激光信號，以此求出△β角的方法。所說的隨機采數(shù)方式是指調(diào)整電路常數(shù)，控制線陣列光電檢測器的曝光時刻，使所說的信號接收裝置只接收模型在振動中某一空間位置的激光信號，以此求出△β+δβ的方法。所說的連續(xù)采數(shù)方式是提高所說接收裝置的采數(shù)頻率，使其符合采樣定理，控制所說的信號接收裝置進行全視場掃描即定時接收模型在振動中處于各點位置的激光信號，以此離散的測得振動中△β+δβ的連續(xù)變化的方法。
6.如權(quán)利要求2、3或4所說的測量側(cè)滑角β的方法，其特征在于所說的激光信號處理方法還包括通過數(shù)字濾波、排序、數(shù)據(jù)篩選等技術(shù)，精確地求出△β角連續(xù)變化的平均值的方法。
7.一種實現(xiàn)權(quán)利要求2所述方法的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，由△β角測量系統(tǒng)和βO測量裝置所組成，所說的△β角測量系統(tǒng)由安裝在模型體內(nèi)可發(fā)生激光扇面的激光目標發(fā)生器，安裝在所說的復合機械裝置上可自動跟蹤飛行器模型運動的信號接收裝置;隨動跟蹤激光交線的伺服裝置，以及信號采集和數(shù)據(jù)處理裝置等組成，所說的βO測量裝置由位于模型尾撐裝置下，并隨模型同步旋轉(zhuǎn)的△β角測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動托架;固定在該機械結(jié)構(gòu)上的伺服電機即轉(zhuǎn)動托架電機;安裝在該轉(zhuǎn)動裝置上的角度傳感器及其數(shù)據(jù)處理裝置所組成。
8.如權(quán)利要求7所說的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的激光目標發(fā)生器由半導體激光電源、半導體激光器、準直透鏡組、圓柱鏡、凹柱鏡等部件所組成，各部件依次共軸安裝固定成一整體。并安裝在飛行器模型內(nèi)的組合體中，以保證激光扇面與飛行器模型對稱面重合。
9.如權(quán)利要求7或8所說的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的雙通道差分式CCD攝像機的兩個攝像頭相距一定間隔，平行安裝在CCD隨動平臺上。該隨動平臺安裝在與飛行器模型同步繞軸轉(zhuǎn)動的機械天平床身上，使CCD攝像頭準確跟蹤模型的機械轉(zhuǎn)動(同步誤差小于3′)，所說的CCD隨動平臺裝有由驅(qū)動電源帶動的步進馬達，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，使之帶動CCD攝像頭沿所說的機械轉(zhuǎn)動的切線方向平移，自動跟蹤激光交線超出CCD象敏區(qū)界限的移動，從而保證該系統(tǒng)的測量范圍，在兩個攝像頭上方的下轉(zhuǎn)盤上開有兩透射窗口，使激光通過，被攝像頭接收。
10.如權(quán)利要求7所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的光電碼盤安裝在與床身剛性聯(lián)接并與上下轉(zhuǎn)盤同步旋轉(zhuǎn)的機械天平轉(zhuǎn)動機構(gòu)的電機軸上，隨著機械天平轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動而發(fā)出的編碼和計數(shù)脈沖，由與光電碼盤相聯(lián)的譯碼計數(shù)器進行譯碼和計數(shù)，再送入信號采集處理子系統(tǒng)中的主計算機進行計算處理。
11.如權(quán)利要求7所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的信號采集處理子系統(tǒng)由CCD信號與數(shù)據(jù)處理單元、CCD采數(shù)方式的控制及轉(zhuǎn)換單元、CCD隨動平臺閉環(huán)控制單元和光電碼盤測角與△β+δβ角測量的組合處理單元所組成，如圖4所示。
12.如權(quán)利要求11所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的CCD信號與數(shù)據(jù)處理單元是由CCD控制器、CCD數(shù)據(jù)接口(先進先出存儲器)、及裝在主機箱中的數(shù)據(jù)緩沖器、8085單板機和主計算機等構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的CCD采數(shù)方式的控制及轉(zhuǎn)換單元，由檢振傳感器和信號處理電路所組成，所說的檢振傳感器采用檢振加速度計，該檢振加速度計安裝在組合體內(nèi)，以保證加速度計的敏感軸與激光扇面正交，所說的信號處理電路包括加速度信號前置放大器、主機箱中的濾波、AGC、移相、積分、檢零、相位補償、采數(shù)方式自動切換電路及自檢脈沖發(fā)生器等組成。
14.如權(quán)利要求11所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的CCD隨動平臺閉環(huán)控制單元由8085 CPU D/A轉(zhuǎn)換器、運算放大器、壓控振蕩器、步進馬達及其驅(qū)動源所組成的伺服裝置及隨動平臺構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求10所述的風洞側(cè)滑角直接、實時測量系統(tǒng)，其特征在于所說的光電碼盤測角與△β+δβ角測量的組合處理單元由機械天平電動機軸上的光電碼盤、譯碼計數(shù)器和主計算機組成。
全文摘要
風洞側(cè)滑角直接實時測量方法及其系統(tǒng)，屬于模型空間姿態(tài)角測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出一種新的測量側(cè)滑角的方法，其特點是用物理平面——激光扇面代替模型縱軸幾何對稱面，用測量近似側(cè)滑角θ值替代實際側(cè)滑角β值；用振中等采數(shù)方式控制信號接收裝置檢測激光交線的位置變化；用雙通道差分方式消除平移影響，用測量Δβ+δβ值與光電碼盤測量β值相結(jié)合的方法，直接、實時地得到精確的β值。本發(fā)明測量范圍是-45°≤β≤+45°，在大攻角、強振條件下，測量的不確定度小于2′。
文檔編號G01M9/02GK1057523SQ9110524
公開日1992年1月1日 申請日期1991年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月3日
發(fā)明者李達成, 孫培懋, 季仰東, 佟培仁, 郭繼光, 白穎, 張中華, 段振廣, 史宏民, 王輝, 王曉瑩 申請人:北京光電技術(shù)研究所, 清華大學, 機電部北京機電研究所