[發明專利]基于視覺測量技術風洞模型振動的抑制方法

有效

• 申請號: 201710181741.8
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106895952B
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 劉巍;姜雨豐;袁曉晶;周孟德;張家昆;劉惟肖;魯繼文;賈振元
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M9/04
• 分類號: G01M9/04;G01M9/06;G05D27/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明基于視覺測量技術風洞模型振動的抑制方法屬于風洞實驗技術領域，涉及一種風洞試驗中風洞模型振動的抑制系統及方法。該方法采用工業相機拍攝風洞模型的振動圖像，并利用FPGA視覺測量系統的圖像高速實時處理傳輸技術，解算出振動位移信號并轉化為模擬量反饋給控制器。控制器輸出控制信號，并經過功率放大，實現對壓電陶瓷作動器的控制進而實現風洞模型振動主動抑制的目的。該方法采用基于FPGA的視覺測量的方式測量風洞模型的振動信號作為控制作動器工作的反饋信號，有效避免高壓壓電陶瓷驅動信號對振動測量信號的干擾和濾波器產生的輸入信號的遲滯。該種方法使作動器控制穩定、精確，提升對風洞模型振動抑制的效果。

技術領域

本發明屬于風洞實驗技術領域，涉及一種基于視覺測量技術針對風洞試驗中風洞模型振動的抑制系統及方法。

背景技術

風洞實驗是依據運動的相對性原理，將飛行器的模型或實物固定在地面人工環境中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復雜的飛行狀態，獲取實驗數據，是現代飛機研制和生產的重要環節。

風洞實驗中風洞模型一般采用尾部支撐方式，模型的尾部連接測力天平和支桿，并將支桿的尾部固定在彎刀上面，風洞模型-天平-支桿系統形成一個典型的懸臂梁結構。該種支撐方式對模型周圍流場影響較小，但是由于尾部支撐的支桿長度一般是模型長度的三到五倍，該懸臂梁結構的系統剛度較低，在進行風洞實驗時模型受到頻率范圍較寬的氣動載荷激勵，模型-支桿系統會在一階固有振動頻率處產生低頻、大振幅的振動。風洞模型的振動幅值會隨著實驗中模型攻角的增大而增大，該種低頻大幅值振動會導致測力天平不能正常工作，風洞實驗獲得的氣動數據的精確度降低，嚴重時甚至對風洞模型-天平-支桿支撐系統造成損壞，影響風洞運行的安全。由于風洞流場環境復雜，信號相互干擾以及安裝空間有限等條件的限制，風洞實驗中模型振動的抑制仍然是急需解決的世界性難題。

2007年NASA NTF研究所S.Balakrishna等人在《Development of a Wind TunnelActive Vibration Reduction System》中提出了采用測力天平作為振動信號采集器并將采集的信號作為反饋信號實現模型振動的主動控制。但是天平信號非常微弱，極易受到高壓壓電陶瓷驅動信號的干擾，且風洞環境復雜，具有強電場與強磁場，影響到振動信號的反饋，進而造成高壓壓電陶瓷作動器控制的不準確，影響振動抑制的效果。2013年南京航空航天大學涂凡凡、宋靜、陳衛東等人在《人工神經網絡在壓電主動減振系統中的應用研究》和《基于迭代學習控制的振動主動控制技術研究》中采用加速度傳感器采集振動信號并反饋給控制器來實現模型振動的主動控制。振動加速度信號轉化為振動位移信號需要經過二次積分，由于積分區間即振動初始位置和終止位置的不確定，導致振動位移信號不準確。且加速度傳感器信號同樣存在易受到高壓壓電陶瓷驅動信號干擾的問題，信號還需要經過濾波器處理，造成反饋信號與控制器輸出信號的遲滯現象，影響作動器控制的準確性，進而影響對風洞模型振動進行抑制的效果。

發明內容

本發明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，發明一種風洞模型振動抑制系統，采用基于現場可編程門陣列(Field－Programmable Gate Array，以下簡稱為FPGA)的視覺測量技術將相機采集得到的圖像信號快速轉換為數字信號，進而直接得到風洞模型的振動位移信號，利用得到的振動信號作為反饋信號形成對風洞模型-天平-支桿系統振動的主動控制。由于視覺測量是一種非接觸式的測量技術，能夠在風洞的觀察窗外對風洞模型的振動信號進行采集，因此采用該種方式能夠有效避免風洞復雜強電磁場環境和高壓壓電陶瓷驅動信號對振動測量信號的干擾，同時基于FPGA的視覺振動測量技術具有信號處理傳輸速度快的特點，能夠有效避免測量信號遲滯的問題。因為該系統具有高可靠性、魯棒性的特點，解決了現有的風洞實驗中模型振動的抑制困難的難題，適合風洞實驗環境中的應用。