[发明专利]基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法

说明书

本发明基于视觉测量技术风洞模型振动的抑制方法属于风洞实验技术领域，涉及一种风洞试验中风洞模型振动的抑制系统及方法。该方法采用工业相机拍摄风洞模型的振动图像，并利用FPGA视觉测量系统的图像高速实时处理传输技术，解算出振动位移信号并转化为模拟量反馈给控制器。控制器输出控制信号，并经过功率放大，实现对压电陶瓷作动器的控制进而实现风洞模型振动主动抑制的目的。该方法采用基于FPGA的视觉测量的方式测量风洞模型的振动信号作为控制作动器工作的反馈信号，有效避免高压压电陶瓷驱动信号对振动测量信号的干扰和滤波器产生的输入信号的迟滞。该种方法使作动器控制稳定、精确，提升对风洞模型振动抑制的效果。

技术领域

本发明属于风洞实验技术领域，涉及一种基于视觉测量技术针对风洞试验中风洞模型振动的抑制系统及方法。

背景技术

风洞实验是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取实验数据，是现代飞机研制和生产的重要环节。

风洞实验中风洞模型一般采用尾部支撑方式，模型的尾部连接测力天平和支杆，并将支杆的尾部固定在弯刀上面，风洞模型-天平-支杆系统形成一个典型的悬臂梁结构。该种支撑方式对模型周围流场影响较小，但是由于尾部支撑的支杆长度一般是模型长度的三到五倍，该悬臂梁结构的系统刚度较低，在进行风洞实验时模型受到频率范围较宽的气动载荷激励，模型-支杆系统会在一阶固有振动频率处产生低频、大振幅的振动。风洞模型的振动幅值会随着实验中模型攻角的增大而增大，该种低频大幅值振动会导致测力天平不能正常工作，风洞实验获得的气动数据的精确度降低，严重时甚至对风洞模型-天平-支杆支撑系统造成损坏，影响风洞运行的安全。由于风洞流场环境复杂，信号相互干扰以及安装空间有限等条件的限制，风洞实验中模型振动的抑制仍然是急需解决的世界性难题。

2007年NASA NTF研究所S.Balakrishna等人在《Development of a Wind TunnelActive Vibration Reduction System》中提出了采用测力天平作为振动信号采集器并将采集的信号作为反馈信号实现模型振动的主动控制。但是天平信号非常微弱，极易受到高压压电陶瓷驱动信号的干扰，且风洞环境复杂，具有强电场与强磁场，影响到振动信号的反馈，进而造成高压压电陶瓷作动器控制的不准确，影响振动抑制的效果。2013年南京航空航天大学涂凡凡、宋静、陈卫东等人在《人工神经网络在压电主动减振系统中的应用研究》和《基于迭代学习控制的振动主动控制技术研究》中采用加速度传感器采集振动信号并反馈给控制器来实现模型振动的主动控制。振动加速度信号转化为振动位移信号需要经过二次积分，由于积分区间即振动初始位置和终止位置的不确定，导致振动位移信号不准确。且加速度传感器信号同样存在易受到高压压电陶瓷驱动信号干扰的问题，信号还需要经过滤波器处理，造成反馈信号与控制器输出信号的迟滞现象，影响作动器控制的准确性，进而影响对风洞模型振动进行抑制的效果。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种风洞模型振动抑制系统，采用基于现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，以下简称为FPGA)的视觉测量技术将相机采集得到的图像信号快速转换为数字信号，进而直接得到风洞模型的振动位移信号，利用得到的振动信号作为反馈信号形成对风洞模型-天平-支杆系统振动的主动控制。由于视觉测量是一种非接触式的测量技术，能够在风洞的观察窗外对风洞模型的振动信号进行采集，因此采用该种方式能够有效避免风洞复杂强电磁场环境和高压压电陶瓷驱动信号对振动测量信号的干扰，同时基于FPGA的视觉振动测量技术具有信号处理传输速度快的特点，能够有效避免测量信号迟滞的问题。因为该系统具有高可靠性、鲁棒性的特点，解决了现有的风洞实验中模型振动的抑制困难的难题，适合风洞实验环境中的应用。