[发明专利]一种风洞分离模拟实验系统和方法

摘要

本发明风洞分离模拟实验系统属于风洞实验技术领域，涉及一种适用于风洞环境中外载物模型分离过程测量的模拟实验系统。该模拟实验系统采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合，通过助投器施加作用力完成外载物与母机分离，高速视觉装置对分离过程进行测量。本发明采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合确保风洞分离体模型分离系统安全可靠，具有较高的承载能力与快速触发能力，并引入助投器对模型施加可调的投放力，对风洞分离模型分离初始角度、分离角度、分离速度与分离角速度进行控制，保证了分离模型分离过程与真机分离过程的高度一致，双目高速视觉装置具有精度高、频响高等特点满足分离全程参数测量需求。

主权项

一种风洞分离模拟实验方法，其特征是，该方法由分离模拟实验准备、模拟分离动作及测量设备触发过程、进行高速视觉测量三部分组成；方法的具体步骤如下：(1)分离模拟实验准备模拟分离动作采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置共同作用紧固分离体模型，机械同心滑轨装置(3)分为安装于分离体模型(2)上的强化限位同心滑块(7)以及固定于分离悬挂架(10)上的同心滑道(8)，滑块滑道配合允许分离体模型沿滑道方向运动，分离体通过机械同心滑轨装置安装，并通过爆炸螺栓固定位置调整分离物安装角度；根据实验分离角度、分离角速度与分离速度要求调整助投器给分离体模型施加不同投放力使模型在滑道加速后达到规定分离要求；(2)模拟分离动作及测量设备触发模拟分离设备各部件动作顺序为：A)打开助投气缸(11)气体通过助投器(4)给分离体施加预投力；B)爆炸螺栓(1)接收触发信号引爆，解除分离体运动限制；双目高速视觉摄像机(6)与爆炸螺栓(1)同步接收触发信号开始分离过程拍摄；C)在助投力作用下，分离体开始沿机械同心滑轨装置滑道加速运动；D)当机械同心滑轨装置(3)相对运动达到设定分离位置，分离体从设备中完全分离；E)双目高速视觉摄像机(6)完成全过程拍摄后，关闭拍摄功能；(3)双目高速视觉测量采用双目高速视觉测量方式对分离体分离全过程运动参数进行测量；采用已标定好的双目高速摄像机视觉，已知双目摄像机内、外参数；然后进行分离体特征标记的运动全程拍摄，获得分离体特征标记运动图像；对特征标记图像进行处理，分割分离体特征标记信息，提取其标记相面坐标，进行左、右高速摄像机对应标记匹配，重建出标记三维坐标，根据各标记三维坐标以及各特征标记位于分离体位置信息，得到分离体分离运动全程位姿信息以及速度、加速度等运动参数。分别建立风洞坐标系及分离物坐标系，根据两坐标系间转换关系求解分离体运动位姿信息，按实验要求建立风洞坐标系OwXwYwZw与分离体坐标系OtXtYtZt；定义分离体重心为分离体坐标系原点，其风洞坐标系下坐标(x0 y0 z0)为分离体位置参数；利用以下公式计算两坐标系间转换矩阵Rwt：xtytzt=Rwtxp-x0yp-y0zp-z0---(1)]]>其中，(xt yt zt)T为特征标记在分离体坐标系下坐标，(xp yp zp)T为特征标记在风洞坐标系下坐标，将转换矩阵Rwt分解便可就得分离体姿态信息：Rwb=cos(θY)cos(θZ)-sin(θY)sin(θX)sin(θZ)cos(θY)sin(θZ)sin(θX)cos(θZ)-sin(θY)cos(θX)-cos(θX)sin(θZ)cos(θX)cos(θZ)sin(θX)sin(θY)cos(θZ)+cos(θY)sin(θX)sin(θZ)sin(θY)sin(θZ)-cos(θY)sin(θX)cos(θZ)cos(θY)cos(θX)---(2)]]>如上式所示，‑θZ，‑θX，‑θY分别为分离体相对于风洞坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角。