[发明专利]一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统和测量方法

说明书

本发明公开了一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统，包括现场姿态捕获子系统、远程位姿解算子系统和模型回收子系统。现场姿态捕获子系统，利用惯性传感器测量风洞自由飞试验模型的角速度和加速度；远程位姿解算子系统，对现场姿态捕获子系统测量得到的风洞自由飞试验模型的角速度和加速度数据进行实时或离线解算，获得风洞自由飞试验模型的位姿信息；模型回收子系统，用于在试验结束时回收风洞自由飞试验模型和现场姿态捕获子系统。本发明同时公开了该测量系统的测量方法。本发明可克服风洞自由飞试验传统高速摄影方法位姿信息获取自由度少，有效数据长度短的问题，成本低，可重复使用。

技术领域

本发明属于风洞飞行试验领域，涉及一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统和测量方法。

背景技术

风洞自由飞试验技术作为风洞试验领域的重要分支，是飞行器动态特性研究的一种重要手段，其特点是没有任何支撑干扰，能够较为真实模拟飞行器的实际飞行状态。其试验原理是：在保证风洞试验与飞行状态的动力学相似的情况下，对试验模型的位置姿态进行捕获，进而获取飞行器的静、动稳定导数系数及其它相关气动系数。

目前，风洞自由飞试验模型的位姿捕获均基于高速摄影方法。其优点是位姿捕获精度较高，抗干扰性较好，其应用目前已经成熟。但受限于风洞试验条件，其目前存在如下弊端：1、仅能在二维平面成像，因此仅能捕获三个自由度的位姿信息，对于侧向位移、侧滑角以及滚转角位移无法获取，这无疑限制了风洞试验自由飞的应用范围；2、受限于风洞试验段观察窗尺寸范围和模型尺寸缩比比例的限制，模型在观察窗范围内飞行的时间较短，这会导致无法获得足够长的有效拍摄记录时间，进而影响对试验结果的准确分析。其中，蒋增辉等人在专利“发射式风洞自由飞试验中拍摄记录时间获取方法(CN 105258906B)”和专利“一种风洞自由飞试验模型飞行轨迹预估方法(CN 104458202B)”中分别提出一种飞行轨迹预估方法以及一种发射式风洞自由飞试验方法，以图解决模型拍摄时间短导致数据量不足的问题，但其获取的数据量依然有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种风洞自由飞试验的模型位姿测量系统和测量方法，基于MEMS惯性传感器测量模型位姿，为风洞自由飞试验模型位姿捕获提供新途径。

本发明的技术解决方案为：

一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统，包括现场姿态捕获子系统、远程位姿解算子系统和模型回收子系统；

现场姿态捕获子系统，利用惯性传感器测量风洞自由飞试验模型的角速度和加速度；

远程位姿解算子系统，对现场姿态捕获子系统测量得到的风洞自由飞试验模型的角速度和加速度数据进行实时或离线解算，获得风洞自由飞试验模型的位姿信息；

模型回收子系统，用于在试验结束时回收风洞自由飞试验模型和现场姿态捕获子系统。

所述现场姿态捕获子系统包括电源模块、CPU模块、总线模块、惯性传感器、数据存储模块和蓝牙模块；

电源模块：为现场姿态捕获子系统各个模块供电；

CPU模块：试验过程中，向惯性传感器模块发送数据测量指令，并对总线模块的信息传送机制进行控制；

总线模块：采用PCI总线，是其余各模块之间传送信息的公共通信干线；

惯性传感器：用于测量并获取风洞自由飞试验模型的三轴角速度和三轴加速度数据，通过总线模块传送给数据存储模块和蓝牙模块；其中，惯性传感器采用MEMS惯性传感器，内嵌陀螺仪和加速度计；

数据存储模块：采用微型数据存储卡对惯性传感器模块测量的数据进行存储；

蓝牙模块：接收惯性传感器测量的数据，并实时向外发送。