低速风洞试验模型位姿超声测量技术研究

摘要

多功能结冰风洞建设项目作为我国重大科技基础设施已于2013年12月建成，模型位姿测量系统作为该风洞测控系统的主要部分，其性能指标对风洞的综合指标至关重要。基于低速风洞试验模型位姿参数非接触测量的完整性要求和结冰风洞试验环境的特殊性，研究一种能获得完整位姿参数、实时的、非接触的、高精度的、可靠的低速风洞试验模型位姿测量技术和方法有着重要的意义。在对国内外低速风洞目前所采用的各种模型位置和姿态测量方法探讨的基础上，本文首次提出基于超声测量技术的低速风洞模型位置和姿态的非接触测量技术和方法，并对该方法及其求解算法进行了深入研究，主要有以下方面的工作与成果：
　　(1)提出完整的低速风洞试验模型位姿超声非接触测量方法，并建立了应用于大型低速风洞试验模型位姿超声非接触测量的数学模型。包括实时声速测量、超声精确测距、单点空间超声定位数学模型及其算法、试验模型位姿参数辨识的数学模型及其算法，以及位姿超声测量系统的校准和标定等五个部分组成。
　　(2)提出实时声速测量方法、超声精确测距方法以及单点空间超声定位数学模型的求解算法。实时声速测量方法用于实时准确获得低速风洞试验段内的声速。超声精确测距方法用于测量固定在闭口试验段内壁上（或者开口试验段模型周边）的信标超声传感器与固定安装在模型上的目标超声传感器之间的准确距离。单点空间超声定位数学模型利用超声精确测距获得同一目标超声传感器与三个以上信标超声传感器的距离，通过组合法求解出该目标超声传感器在风洞坐标轴系的坐标值。通过对该数学模型计算的推导及分析，提出了求解目标超声传感器在风洞坐标轴系上坐标的最优测量构形，并对单点空间超声定位模型算法的效率和可靠性进行了验证。
　　(3)提出位姿参数辨识数学模型的求解算法。位姿参数辨识数学模型为严密计算数学模型，包括轴系转换和位姿求解两个部分。轴系转换方法通过利用模型坐标轴系和风洞坐标轴系上三个以上的公共点坐标数据，采用重心化处理和变量分离等方法，求解出模型坐标轴系在风洞坐标轴系上的平移参数和旋转参数。在此基础上，通过对两个坐标轴系平移矩阵和旋转矩阵的分析，采用位姿求解方法获得模型在风洞试验段内的位置和姿态。通过对位姿参数辨识数学模型中的轴系转换矩阵求解方法的分析，提出了两个轴系公共点在风洞坐标轴系上的点位重构方法和两种计算模型，即等式求解模型和多目标规划模型。另外，通过分析，给出了点位重构的方法和算法。
　　(4)提出低速风洞试验模型位姿超声测量系统的校准和标定方法用于该系统应用的计量确认。对于信标超声传感器和实时声速测量超声传感器安装位置的坐标值测量，本文提出采用基点校准法予以校准和标定。对于配对实时声速传感器间距离的测量本文提出两种方法，即基点校准法和差距法，考虑到测量的高精度要求，优先采用差距法对其进行校准和标定。对于试验模型上固定的目标超声传感器在模型坐标轴系上的坐标值测量，本文提出采用坐标重合法予以校准和标定。
　　(5)以国家重大科技基础设施之一的多功能结冰风洞的3m×2m结冰风洞应用为例，提出了用于结冰风洞次试验段开展1号4041标模试验时的模型位姿超声测量系统设计方案。给出了系统的组成，目标超声传感器、信标超声传感器、实时声速测量传感器的布局设计，系统的校准和标定设计，以及测量的程序和步骤等内容。

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中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1.1 选题依据

1.2 研究现状及分析

1.3 超声概述

1.4 本文研究的目的和研究内容

2 低速风洞试验模型位姿超声测量的理论模型

2.1 引言

2.2 超声精确测距方法

2.3 单点空间超声定位数学模型

2.4 试验模型位姿参数辨识的数学模型

2.5 试验模型位姿测量系统的校准和标定方法

2.6 本章小结

3 单点空间超声定位模型计算和分析

3.1 引言

3.2 数学模型的算法

3.3 构形优化

3.4 最优构形的应用分析

3.5 算法验证

3.6 本章小结

4 位姿参数辨识数学模型计算和分析

4.1 引言

4.2 轴系转换求解方法

4.3 试验模型位姿求解方法

4.4 算法验证

4.5 算法分析与点位重构

4.6 本章小结

5 试验模型位姿超声测量系统的校准和标定

5.1 引言

5.2 基点校准法及其处理方法

5.3 实时声速测量方法

5.4 坐标重合法及处理方法

5.5 本章小结

6 3m×2m结冰风洞模型位姿超声测量系统

6.1 引言

6.2 试验模型位姿超声测量系统的组成

6.3超声传感器的布局设计

6.4 系统的校准和标定设计

6.5 测量的程序和步骤

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1主要总结

7.2 主要创新点

7.3 存在的问题与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及得奖情况：

C. 作者在攻读学位期间申请专利目录：