LabVIEW開發(fā)航空航天器風(fēng)洞的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

空氣動(dòng)力及其系數(shù)的評(píng)估是航空航天器設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)基本任務(wù)，對(duì)于考慮制造高效飛行器非常重要。航空航天器的效率是根據(jù)其穩(wěn)定性、最小阻力和更高的機(jī)動(dòng)性來定義的。在風(fēng)洞中使用航空航天飛行器模型進(jìn)行測(cè)試，而不會(huì)給飛行員帶來風(fēng)險(xiǎn)或建造新的全尺寸測(cè)試飛行器的費(fèi)用。航空航天飛行器模型的風(fēng)洞研究對(duì)其設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能改進(jìn)起著重要作用。

為了在風(fēng)洞中對(duì)航空航天飛行器模型進(jìn)行準(zhǔn)確和優(yōu)化的空氣動(dòng)力學(xué)研究，需要集成模型姿態(tài)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過LabVIEW軟件和PXI模塊塊化硬件提高生產(chǎn)力并降低風(fēng)洞測(cè)試成本。基于LabVIEW的集成數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)控制操作與測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用程序集成提供了多種功能。

3米x2.25米低速閉路風(fēng)洞，用于評(píng)估航空航天器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。測(cè)試部分使用80MW軸流風(fēng)扇產(chǎn)生高達(dá)1m/s的低湍流水平的風(fēng)速。為了從距離測(cè)試段20米的控制室對(duì)航空航天飛行器模型進(jìn)行精確的風(fēng)洞測(cè)試，開發(fā)了模型姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程操作DAQ系統(tǒng)。

在開發(fā)場(chǎng)景中，典型的航空航天飛行器模型測(cè)試需要模型迎角，側(cè)滑，側(cè)傾的變化。為此，在測(cè)試部分中，將裝有六分量應(yīng)變片天平和傾斜傳感器的航空航天飛行器模型安裝在由機(jī)械臂操作的模型姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)上。模型儀器使用優(yōu)化的屏蔽電纜連接到基于PXI的儀器系統(tǒng)，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量。帶有閉環(huán)控制液壓馬達(dá)的機(jī)械臂由維氏放大器驅(qū)動(dòng)，通過PXI系統(tǒng)的PXI-7350運(yùn)動(dòng)控制模塊的多軸伺服驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)接收控制命令。

為了實(shí)現(xiàn)基于PXI的集成儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制，將基于Windows的主機(jī)與工業(yè)級(jí)PXI系統(tǒng)配合使用。PXI系統(tǒng)具有八槽機(jī)箱，可安裝所需的數(shù)據(jù)采集和控制模塊，并提供了集成觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘，用于多板同步。主機(jī)計(jì)算機(jī)使用主機(jī)到從光纖鏈路來控制PXI系統(tǒng)，該串程數(shù)據(jù)速率為1.5Gbit/s。串行鏈路充當(dāng)普通PCI網(wǎng)橋，PXI機(jī)箱中的PXI模塊在PC硬件設(shè)備管理器下顯示為正常PCI設(shè)備。這種配置稱為儀器儀表測(cè)量擴(kuò)展，允許以相對(duì)便宜的價(jià)格完全訪問PC環(huán)境。系統(tǒng)使用NI的MXI-4接口套件，該套件由一個(gè)安裝在主機(jī)的PCI總線中的PCI-8336接口板和一個(gè)安裝在PXI機(jī)箱的插槽8336中的PXI-1模塊組成。

為了優(yōu)化航天飛行器的風(fēng)洞研究，我們開發(fā)了基于LabVIEW的應(yīng)用軟件，用于執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析任務(wù)。

開發(fā)的VI使測(cè)試工程師能夠在模型俯仰和偏航步進(jìn)/掃描模式下對(duì)航空航天器進(jìn)行自動(dòng)風(fēng)洞研究。VI易于配置，可在預(yù)定義的航空航天飛行器模型測(cè)試角度陣列的單次測(cè)試運(yùn)行中執(zhí)行優(yōu)化的風(fēng)洞研究。主DAQ?VI由各種子VI組成，用于執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)采集子任務(wù)，例如基于串口（RS-232）的測(cè)試部分風(fēng)速和模型角度測(cè)量、使用機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的模型姿態(tài)控制，以及使用應(yīng)變片平衡對(duì)模型進(jìn)行力測(cè)量。DAQ子VI的簡(jiǎn)要說明如下：

基于RS232接口的測(cè)量

安裝在PXI系統(tǒng)Slot-8422中的NIPXI-2系列模塊提供了額外的RS232端口接口，可輕松連接多個(gè)基于RS232接口的儀器，以測(cè)量測(cè)試部分動(dòng)態(tài)頭和模型姿態(tài)角度。

試驗(yàn)段風(fēng)速測(cè)量

為HM3壓力計(jì)開發(fā)的基于LabVIEW的DAQ子VI通過NIPXI-3模塊的串口將測(cè)量結(jié)果傳送到PXI系統(tǒng)。

模型姿態(tài)角測(cè)量

在航空航天器風(fēng)洞研究中，使用傾斜傳感器測(cè)量模型姿態(tài)（俯仰/滾動(dòng)）角度。為傾斜傳感器開發(fā)了基于LabVIEW的DAQ子VI，用于通過NIPXI-4模塊的串口將測(cè)量的模型姿態(tài)角度傳送到PXI系統(tǒng)。在風(fēng)洞研究期間，角度測(cè)量DAQ子VI的傾斜傳感器讀數(shù)使用LabVIEW的數(shù)據(jù)插座功能將與主DAQVI連接。

用于模型姿態(tài)控制的運(yùn)動(dòng)控制VI

為模型姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的功能而開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由多軸高性能NIPXI7358運(yùn)動(dòng)控制模塊、一個(gè)4軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和帶編碼器的液壓馬達(dá)組成。四軸運(yùn)動(dòng)控制子VI，用于設(shè)置/控制模型俯仰/偏航/橫滾，以及Z靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)。這允許模擬各種現(xiàn)實(shí)生活中的情況，如起伏、俯仰、偏航和滾動(dòng)振蕩。運(yùn)動(dòng)控制子VI與主DAQVI集成在一起，用于在被測(cè)航空航天飛行器模型的風(fēng)洞研究中執(zhí)行模型姿態(tài)控制。

基于應(yīng)變傳感器的力測(cè)量

基于應(yīng)變的力測(cè)量系統(tǒng)主要由安裝在PXI機(jī)箱槽6289中的NI?PXI-8DAQ采集模塊和安裝在航天飛行器模型內(nèi)部的基于應(yīng)變的六分件組成。使用應(yīng)變片平衡的力測(cè)量系統(tǒng)的精度保持在±0.5%通過定期校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)滿量程?；贚abVIEW的DAQ子VI為應(yīng)變平衡數(shù)據(jù)采集而開發(fā)，通過SCXI系統(tǒng)的通用應(yīng)變片輸入模塊，使用NI?PXI-1520DAQ模塊的模擬輸入線以差模線進(jìn)行配置在差分模式，最高6MS/s多通道采樣率。SCXI系統(tǒng)由一個(gè)屏蔽機(jī)箱組成，該機(jī)箱可容納四個(gè)8通道SCXI-1520模塊，以執(zhí)行所需的信號(hào)調(diào)理功能。

LabVIEW的多用途數(shù)據(jù)分析VI，用于分析存儲(chǔ)在主機(jī)中的測(cè)試數(shù)據(jù)。靜態(tài)測(cè)試的數(shù)據(jù)縮減過程基于取數(shù)據(jù)的平均值以計(jì)算系數(shù)。數(shù)據(jù)分析VI能夠繪制任何級(jí)別的軸系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)，例如平衡軸，模型軸和風(fēng)軸載荷和歸一化系數(shù)。

使用開發(fā)的系統(tǒng)的風(fēng)洞研究用于航空航天飛行器的靜態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)研究，同時(shí)該系統(tǒng)也可用于研究車輛的動(dòng)態(tài)衍生物，并在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行所需的修改。系統(tǒng)成功用于各種航空航天器的優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)研究，如飛機(jī)，導(dǎo)彈等。

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