CN107796591B - 一种用于小型旋翼机的抗风实验室以及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小型旋翼机的抗风实验室以及实验方法，包括：实验室本体，所述实验室本体内部设有实验区；在所述实验室本体的第一墙体上、与实验区相对应的位置处设置由若干风机组成的风机组风面，所述风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；第一墙体上设有入风口，在与所述第一墙体对立的第二墙体上设有出风口；在距离所述入风口和出风口设定位置处分别设有风速传感器；本发明有益效果：本发明能够在室内环境下检测小型旋翼机的抗风性能，受外界干扰因素小。采用变频器控制风机组运行，实现风场风速可调，风速波动小。

Description

一种用于小型旋翼机的抗风实验室以及实验方法

技术领域

本发明涉及小型旋翼机性能检测技术领域，尤其涉及小型旋翼机抗风实验室以及实验方法。

背景技术

近年小型旋翼机发展迅速，且已经实际应用于许多行业。小型旋翼机在室外飞行，容易受到一些天气环境的影响，或者说我们有时候需要其在一些恶劣气象条件下工作，如阴雨天或有风的天气。而针对小型旋翼机抗风、抗雨等性能指标的检测装置的发展却是滞后的。

小型旋翼机的抗风性能作为其重要的指标之一，对小型旋翼机抗风性能的检测一般停留在仿真阶段，对小型旋翼机抗风实验装置的研究具有重要意义。对小型旋翼机进行抗风性能的实验，首先得有稳定可控的风场。人造风是指使用机械使得空气流动产生的风。从实验场地分的话，可以分为室外和室内两种。室外环境下容易受天气因素影响。室内环境下，可以考虑风洞模型。风洞主要由洞体、驱动***和测量控制***组成。从驱动***区分，风洞可分为连续式风洞、暂冲式风洞。连续式风洞一般由风扇或轴流式压缩机构成。暂冲式风洞，在洞体入口处放置贮气罐(存压缩后气体)，洞体出口放置真空罐。上述风洞模型不是针对飞行状态下小型旋翼机抗风性能测试用的。

目前针对小型旋翼机飞行状态下，且离地面高5米左右级别，测试其抗风性能的装置主要在室外，还没有室内的测试装置。但是室外环境下人造风场受影响因素较多，容易导致测量结果不准确。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种小型旋翼机抗风实验室以及实验方法，该实验室及方法能够产生风速可调的风场，实现在室内环境下检测小型旋翼机抗风性能。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

本发明公开了一种用于小型旋翼机的抗风实验室，包括：

实验室本体，所述实验室本体内部设有实验区；在所述实验室本体的第一墙体上、与实验区相对应的位置处设置由若干风机组成的风机组风面，所述风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；

所述第一墙体上设有入风口，在与所述第一墙体对立的第二墙体上设有出风口；在距离所述入风口和出风口设定位置处分别设有风速传感器；

将实验区场地划分区域，预先测试每个区域在不同的风机组转速下对应的风速，结合风速传感器所在位置处的实际风速，预估小型旋翼机所在位置处的实际风速。

进一步地，还包括：用于实现风速控制和数据采集的控制***，所述变频器和风速传感器分别通过总线形式与控制***相应的串口连接；所述控制***通过PCI转串口扩展卡实现多个串口同时工作，每个串口负责同一类型的设备。本发明采用的多线程多串口总线式通讯方式，使得每路串口总线职责唯一，互不干扰。

进一步地，还包括：用于获取小型旋翼机飞行轨迹以及三维坐标信息的小型旋翼机飞行轨迹实时跟踪***。

进一步地，所述入风口和出风口上均设有防风装置，能够防止外界风对室内干扰。

进一步地，所述风机组风面上设置整风装置，所述整风装置为空心长方体，在所述整风装置与风面相对的一面由若干格子结构构成，通过这些小格子进行整风后，可使得风面质量变好。

进一步地，所述实验室本体顶部设计为弧形，采用膜结构，可以增强GPS信号接收。

为了进一步增强GPS信号接收，所述实验室主体采用钢结构，外部为玻璃幕墙。

本发明还公开了一种小型旋翼机的抗风实验方法，包括以下步骤：

(1)将待测小型旋翼机放于实验区中心，控制小型旋翼机飞行到离地面设定高处悬停；

(2)预估小型旋翼机所在位置处的风速，将小型旋翼机所在位置处的风速从零增加到设定风速，获取小型旋翼机飞行轨迹及三维信息，观测小型旋翼机移动的距离；

(3)控制风速降到零，让小型旋翼机转换角度，重复上述步骤；完成小型旋翼机各个角度的抗风能力测试。

进一步地，预估小型旋翼机所在位置处风速的具体方法为：

(2-1)将实验区场地划分区域，测试每个区域在不同的风机组转速下对应的风速，预先制作不同风机组转速下对应每个区域风速的标定表格；

(2-2)在距离入风口、出风口设定位置处分别设置风速传感器；

(2-3)设定实验的风机组转速，实验时观测上述两位置处的风速传感器得出的风速数据，根据步骤(2-1)得出的标定表格，通过标定的方法预估得出小型旋翼机所在位置处的实时风速。

进一步地，所述步骤(2-3)中小型旋翼机所在位置处的风速具体为：

根据标定表格中入风口处风速传感器对应位置的风速与实验时测得的入风口处风速传感器对应位置的风速，得到入风口处风速误差率；

根据标定表格中出风口处风速传感器对应位置的风速与实验时测得的出风口处风速传感器对应位置的风速，得到出风口处风速误差率；

求取入风口处风速误差率和风口处风速误差率的均值；

根据标定表格中小型旋翼机所在位置处的风速与所求得的均值，得到实验时小型旋翼机所在位置处的风速。

本发明的有益效果：

1.本发明能够在室内环境下检测小型旋翼机的抗风性能，受外界干扰因素小。

2.本发明采用变频器控制风机组运行，实现风场风速可调，风速波动小。

3.本发明通过小型旋翼机所在位置处的风速预估方法，能够实现小型旋翼机悬停状态下的风速测量，从而进行悬停状态下小型旋翼机抗风能力的检测，克服了以往无法测量在风速有衰减的风场下小型旋翼机处于飞行状态时的风速的难题。

4.本发明风场实验设备按照工业级标准设计，稳定性耐用性好，数字化程度高，操作方便，易于维护。

附图说明

图1是本发明的总体布局顶视图；

图2是本发明的外观示意图；

图3是本发明的外观设计效果图；

图4是本发明的风面设备示意图；

图5是本发明的整风装置示意图；

图6是本发明的控制***架构图；

图7是本发明的小型旋翼机所在位置处风速预估标定点示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明公开了一种用于小型旋翼机的抗风实验室，如图1所示，包括：实验室本体，实验室本体内部设有实验区；在实验室本体的第一墙体上、与实验区相对应的位置处设置由若干风机组成的风机组风面，风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；变频器机柜分别置于风机组风面两侧。

第一墙体两侧分别设有入风口，在与第一墙体对立的第二墙体两侧分别设有出风口；入风口和出风口对立的设计不仅能够保证室内外压力平衡，而且能使室内气流顺畅平稳。

在距离入风口和出风口设定位置处分别设有风速传感器。

入风口和出风口上均设有防风装置，防止外界风对室内干扰。防风装置包括：设置在进风口的风缓冲区或者气流缓冲区，以及设置在进风口处的卷帘门，设置在出风口的风缓冲区或者气流缓冲区，以及设置在出风口处的卷帘门。

本实施例中，在进风口设置宽2米的缓冲区并加卷帘门，在出风口设置4米缓冲区加卷帘门，如图1所示的顶视图。

参考图1给出的实验室房屋尺寸17m×12m×12m(长宽高)。房屋设计有入风口(侧入风口)和出风口(侧出风口)。在入风口中间有4m宽的风机组风面通过变频器控制产生可调速的风，变频器机柜分别置于风机组风面两侧。侧出风口共有4个卷帘门构成，风机产生的风可以由卷帘门排到室外，保证室内压力不变。人可位于控制室内操作风场设备，完成小型旋翼机抗风实验。

如图2所示为房屋外观示意图，由风机组成的风面位于房屋入风口处安放，风面中心离地面高度为5米。房屋顶部设计为弧形，采用膜结构，可以增强GPS信号接收。

如图3所示为外观设计效果图，实验室主体采用钢结构，外部为玻璃幕墙。可增强GPS信号接收。

如图4所示为风面设计示意图，小型旋翼机在飞行状态下进行抗风测试需要有一个较大的风面。从风洞模型可知，我们需要的是连续式风洞，其驱动***一般由风机组成，通过对离心风机、轴流风机和混流风机的比较，发现混流风机具有扇叶多、出风稳定、风速风压高、抗衰减能力强等优点，故选择混流风机作为风面。单台混流风机并不能满足试验对风面的需求，故采用多台风机组合的方式，通过仿真发现多台组合的混流风机对风的质量影响不大。

如图5所示为整风装置示意图，通过风机组成的风面出风时候风会有一点点发散，因此加入整风装置。整风装置是用铁皮做的一个空心长方体，长宽和风面尺寸一致，厚度1米，风面产生的风经过这个厚度1米的长方体，在长方体的与风机组风面对应的一面由若干小格子构成，让风经过这些小格子，进行整风，可使得风面质量变好。

控制***设置在控制室内，用于实现风速控制和数据采集；如图6所示，变频器和风速传感器分别通过总线形式与控制***相应的串口连接；控制***上位机用VC++实现，通过PCI转串口扩展卡实现多个串口同时工作，每个串口负责同一类型的设备，做的职责唯一，互不干扰。每一类串口采用485半双工通信方式，用总线形式控制挂载的设备。

本发明公开了一种小型旋翼机抗风实验方法，包括以下步骤：

(1)将待测小型旋翼机放于实验区中心，控制小型旋翼机飞行到离地面设定高处悬停；

(2)预估小型旋翼机所在位置处的风速，将小型旋翼机所在位置处的风速从零增加到设定风速，获取小型旋翼机飞行轨迹及三维信息，观测小型旋翼机移动的距离；

(3)控制风速降到零，让小型旋翼机转换角度，重复上述步骤；完成小型旋翼机各个角度的抗风能力测试。

试验开始时候，首先，观察室外自然风，若室外无风，则将侧入风口和侧出风口的卷帘门全部打开；若室外有风，则观察风向，侧入风口和侧出风口只开一侧卷帘门，防止自然风干扰室内环境。

其次，将待测小型旋翼机放于试验区中心，控制小型旋翼机飞行到离地面5米高处悬停，人位于控制室内控制、观察，将小型旋翼机所在位置处风速从零增加到风速10m/s，通过实验室内部配备的小型旋翼机飞行轨迹实时跟踪***，获取小型旋翼机飞行轨迹及三维信息，其测量精度为厘米级，观测小型旋翼机移动的距离。

最后，控制风速降到零，让小型旋翼机转换角度面对风面，重复上述步骤。完成小型旋翼机各个角度的抗风能力测试。

小型旋翼机所在位置处风速通过预估获得，具体方法如图7所示，要对小型旋翼机进行抗风性能测试，就得知道小型旋翼机所处位置的风速信息，而像这种有风速衰减的风场并不像风洞那样容易获得试验区目标位置的实时风速。

首先，小型旋翼机本身并不能携带风速监测设备，因为这会影响其重量进而影响其抗风性能测试的准确性，小型旋翼机在作业时候一般是不会携带风速计的。其次，由于小型旋翼机是在飞行状态下进行抗风性能试验的，而在这个过程中要实时监测小型旋翼机处的风速，这样风速传感器的安装就面临一个难题。

针对风场的试验的这些特点，本发明提出一种在风速有衰减的风场下小型旋翼机处于飞行状态时，监测其所处位置的风速的方法。具体如下：

(1)将试验场地划分区域，测试每个区域风机不同转速对应的风速；

(2)在距离入风口、出风口3米处分别安放风速传感器。

(3)试验时观测两个传感器的数据，通过标定的方法得出小型旋翼机所在处的实时风速。例如把试验区划分为如图7表格所示，风机安装在表格区域右侧中间位置，假设我们已经测试出每个区域对应不同风机转速的值，风速传感器安装在D2和D6位置，小型旋翼机处于D4位置，我们要估算的就是D4位置的风速。

在风机出风口风速V_fan＝10m/s的时候，通过预先制作的风机不同风速对应每个区域风速的表格得出D6位置对应为V_{D6_table}，D4位置对应为V_{D4_table}，D2对应位置V_{D2_table}。

试验开始后通过电脑设置风机风速10m/s，这时候我们读取D2位置的传感器风速V_{D2_current}，D6位置风速传感器风速V_{D6_current}，则可以估算出D4位置的风速V_{D4_current}如下式所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种用于小型旋翼机的抗风实验室的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将待测小型旋翼机放于实验区中心，控制小型旋翼机飞行到离地面设定高处悬停；

(2)预估小型旋翼机所在位置处的风速，将小型旋翼机所在位置处的风速从零增加到设定风速，获取小型旋翼机飞行轨迹及三维信息，观测小型旋翼机移动的距离；

(3)控制风速降到零，让小型旋翼机转换角度，重复上述步骤；完成小型旋翼机各个角度的抗风能力测试；

预估小型旋翼机所在位置处风速的具体方法为：

(2-1)将实验区场地划分区域，测试每个区域在不同的风机组转速下对应的风速，预先制作不同风机组转速下对应每个区域风速的标定表格；

(2-2)在距离入风口、出风口设定位置处分别设置风速传感器；

(2-3)设定实验的风机组转速，实验时观测上述两位置处的风速传感器得出的风速数据，根据步骤(2-1)得出的标定表格，通过标定的方法预估得出小型旋翼机所在位置处的实时风速。

2.如权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述步骤(2-3)中小型旋翼机所在位置处的风速具体为：

根据标定表格中入风口处风速传感器对应位置的风速与实验时测得的入风口处风速传感器对应位置的风速，得到入风口处风速误差率；

根据标定表格中出风口处风速传感器对应位置的风速与实验时测得的出风口处风速传感器对应位置的风速，得到出风口处风速误差率；

求取入风口处风速误差率和风口处风速误差率的均值；

根据标定表格中小型旋翼机所在位置处的风速与所求得的均值，得到实验时小型旋翼机所在位置处的风速。

Images