一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置及控制方法与流程

本发明涉及自动对焦及补充示踪粒子的试验领域，尤其涉及一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置及控制方法。

背景技术：

激光粒子测速(piv)试验是风洞试验中常用的测量流场速度分布的试验手段。在开式风洞试验时，烟雾(示踪粒子)浓度会随着试验过程中粒子向外大气扩散，浓度逐渐降低，需要经常重启烟雾发生器补充烟雾，但仍然存在烟雾浓度前后时刻变化较大的问题，增大了试验误差。在piv试验时，每次更换试验模型改变测量截面位置时，为保证相机拍摄视野大小不变，都需要重新调整工业相机位置，而且工业相机一般都不具备自动对焦的能力，需要重新对相机进行人工对焦，操作误差大，且工作繁琐。

技术实现要素：

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置，能够自动定位并根据所需目标试验区的高度和大小来调节相机位置。

本发明提供了一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置的控制方法，能够精确控制测试环境内的相机的准确位置，减少人为因素产生的试验误差，提高试验效率。

本发明提供的技术方案为：一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置，包括：

风洞试验段，其一端具有喷口；

烟雾识别器，其设置在所述喷口处；

烟雾发生器，其设置在所述风洞试验段的另一端；

目标板，其竖直设置在所述风洞试验段中部；

丝杠，其垂直于所述目标板设置，所述丝杠上匹配设置滑块；

电动推杆，其一端垂直设置在所述滑块上，所述电动推杆高度可调节；

相机，其设置在所述电动推杆的另一端，所述相机的镜头上设置焦距调焦圈；

第一电机，其输出轴与所述丝杠连接，用于驱动所述丝杠旋转；

第二电机，其设置在所述滑块内，输出轴连接所述电动推杆。

优选的是，还包括：

第三电机，其设置在所述相机上方；

主动齿轮，其同轴固设在所述第三电机的输出轴上，并且所述主动齿轮与所述焦距调焦圈啮合。

优选的是，所述电机为步进电机。

优选的是，还包括：

红外传感器，其设置在所述相机上，用于检测相机镜头与所述目标板的水平距离；

两个浓度传感器，其分别设置在所述喷口处和所述目标板附近，用于检测目标板处烟雾浓度；

控制器，其与所述烟雾识别器、所述烟雾发生器、所述红外传感器、所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器、所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的工作。

优选的是，包括以下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过传感器采集风洞试验段内烟雾浓度c、相机高度h、相机与目标板的距离s、以及目标板的高度h；

步骤二、依次将烟雾浓度c、相机高度h、相机与目标板的距离s、以及目标板的高度h进行格化，确定三层bp神经网络的输入层的向量为x＝{x1,x2,x3,x4}；其中，x1为风洞试验段内烟雾浓度系数，x2为相机高度系数、x3为相机与目标板的距离系数，x4为目标板的高度系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y1,y2,…,ym}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量z＝{z1,z2,z3,z4}；其中，z1为烟雾发生器功率调节系数，z2为第一电机输出轴转速调节系数，z3为第三电机输出轴转角调节系数，z4为第二电机输出轴长度调节系数，使

pi+1＝z1ⁱpmax

ni+1＝z2ⁱnmax

βi+1＝z3ⁱβmax

li+1＝z4ⁱlmax

其中，z1ⁱ、z2ⁱ、z3ⁱ、z4ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，pmax为烟雾发生器的最大功率，nmax为第一电机输出轴的最大转速，βmax为第三电机输出轴的最大转角，lmax为第二电机的输出轴最大长度，pi+1为第i+1个采样周期时烟雾发生器的功率，ni+1为第i+1个采样周期时第一电机输出轴的转速、βi+1为第i+1个采样周期时第三电机输出轴的转角、li+1为第i+1个采样周期时第二电机的输出轴长度。

优选的是，在所述步骤二中，风洞试验段内烟雾浓度c、相机高度h、相机与目标板的距离s、以及目标板的高度h进行规格化公式为：

其中，xj为输入层向量中的参数，xj分别为测量参数c、h、s、h，j＝1,2,3,4；xjmax和xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

优选的是，所述中间层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，q为输出层节点个数。

优选的是，初始状态时，烟雾发生器的功率p0满足：

式中，va为风洞试验段的喷口处风速，vb为风洞试验段的中部风速，cd为风洞试验段的烟雾浓度，sd风洞试验段的横截面积，t为烟雾发生器工作时需要加热的温度。

优选的是，初始状态时，所述第三电机输出轴的转角满足：

其中，s0为相机与目标板的初始距离，f0相机的初始焦距，n为相机镜头放大倍数，le为相机镜头像平面的扩充距离，e为自然对数的底数。

优选的是，初始状态时使第一电机转速n0和第二电机输出轴长度l0分别满足：

n0＝0.63nmax；

l0＝0.69lmax。

本发明所述的有益效果：本发明提供了一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置，能够自动定位并根据所需目标试验区的高度和大小来调节相机位置。本发明还提供了一种基于神经网络的回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置的控制方法，烟雾浓度控制可以保证在试验的整个过程中，风洞试验段的烟雾浓度保持在合适的浓度范围内；自动定位及对焦系统可以根据所需要的目标试验区大小自动调节相机与目标板的距离，并可以根据目标试验区的高度调节相机的上下位置，减少人为产生的试验误差，提高试验效率。

附图说明

图1为本发明的烟雾浓度控制装置布置方案。

图2为本发明的回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置，包括：风洞试验段，一端设置端口，在端口处设置烟雾识别器110。在风洞试验段的另一端设置烟雾发生器113，烟雾发生器113旁设置控制器111和二氧化碳气瓶112，二氧化碳气瓶112连接烟雾发生器113。

目标板130竖直设置在所述风洞试验段中部；垂直目标板130设置有丝杠140，并且目标板130沿丝杠140轴向对称。滑块141，其中心设置有通孔，且周向设置有与丝杠140配合的内螺纹，使得滑块141能够沿丝杠140轴向滑动，即当丝杠141旋转时，滑块141由于和丝杠140是螺纹配合，使得滑块141能够沿丝杠140轴向滑动。

在滑块141上设置第二电机，电机输出轴垂直于滑块141的上表面，且输出轴上设置电动推杆142，电动推杆高度142可调节，一端垂直固定设置在第二电机输出轴上，另一端与相机150固定连接。

第一电机143的输出端与所述丝杠140固定连接，用于驱动所述丝杠140旋转。

焦距调焦圈151可旋转设置在相机150镜头上，且焦距调焦圈151周向设置有齿条152；在焦距调焦圈151上方设置有主动齿轮153，且与焦距调焦圈151的齿条152啮合，当主动齿轮153旋转时，能够带动焦距调焦圈151旋转，进而能够对相机镜头的焦距进行调节，使得相机镜头成像更清楚。

第三电机154设置在相机150上，且输出轴与主动齿轮153固定连接，用于驱动主动轮153旋转，进而驱动相机调焦圈151旋转。

支撑架160，其垂直目标板130设置；在支撑架160轴向两端垂直设置有挡板，丝杠140两端可旋转穿过所述挡板；在支撑架160两端且靠近挡板设置有支撑块，丝杠140两端可旋转穿过支撑块，用于支撑丝杠140。在支撑架160上轴向设置有凸起，在所述滑块141底面上设置有凹槽，且该凹槽与凸起163配合，能够使得滑块在沿丝杠140轴向运动时，能够稳定的在支撑架160上运动，使得滑块141不会发生漂移现象，使得相机镜头更加稳定。所述电机(所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机)为步进电机。

红外传感器设置在所述相机上，用于检测相机镜头与所述目标板的水平距离；两个浓度传感器，其分别设置在所述喷口处和所述目标板附近，用于检测目标板处烟雾浓度；控制器，其与所述烟雾识别器、所述烟雾发生器、所述红外传感器、所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器、所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的工作。本实施例中，烟雾原材料可选用液态石蜡，并由烟雾发生器加热到340℃，并由二氧化碳带出，烟雾粒子直径10～25μm左右。控制器111与所述浓度传感器和烟雾发生器连接，用于接收所述浓度传感器的检测数据并控制所述烟雾发生器工作。

本发明还提供了一种回流式开式风洞试验自动对焦及补充示踪粒子的试验装置的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一、建立bp神经网络模型；

本发明采用的bp网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共q个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x1,x2,…,xn)^t

中间层向量：y＝(y1,y2,…,ym)^t

输出层向量：z＝(z1,z2,…,zq)^t

本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为q＝4。隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，输入的4个参数为：x1为风洞试验段内烟雾浓度系数，x2为相机高度系数、x3为相机与目标板的距离系数，x4为目标板的高度系数；

具体而言，对于风洞试验段内烟雾浓度c，进行规格化后，得到烟雾浓度x1：

其中，cmax和cmin分别为风洞试验段内烟雾浓度的最小值和最大值。

同样的，对相机高度h，进行规格化后，得到相机高度系数x2：

其中，hmax和hmin分别为相机最大高度和最小高度。

同样的，对相机与目标板的距离s，进行规格化后，得到相机与目标板的距离系数x3：

其中，smax和smin分别为相机与目标板的最大距离和最小距离。

对于目标板的高度h，进行规格化后，得到目标板的高度系数x4：

其中，hmax和hmin分别为目标板的最大高度和最小高度。

输出信号的4个参数分别表示为：z1为烟雾发生器功率调节系数，z2为第一电机输出轴转速调节系数，z3为第三电机输出轴转角调节系数，z4为第四电机输出轴长度调节系数；

烟雾发生器功率调节系数z1表示为下一个采样周期中的烟雾发生器功率与当前采样周期中设定的烟雾发生器最大功率之比，即在第i个采样周期中，采集到的烟雾发生器功率为pi，通过bp神经网络输出第i个采样周期的烟雾发生器功率调节系数z1ⁱ后，控制第i+1个采样周期中烟雾发生器功率为pi+1，使其满足pi+1＝z1ⁱpmax；

第一电机输出轴转速调节系数z2表示为下一个采样周期中的第一电机输出轴转速与当前采样周期中设定的第一电机输出轴最大转速之比，即在第i个采样周期中，采集到的第一电机输出轴转速为ni，通过bp神经网络输出第i个采样周期的第一电机输出轴转速调节系数z2ⁱ后，控制第i+1个采样周期中第一电机输出轴转速为ni+1，使其满足ni+1＝z2ⁱnmax；

第三电机输出轴转角调节系数z3表示为下一个采样周期中的第三电机输出轴转角与当前采样周期中设定的第三电机输出轴最大转角之比，即在第i个采样周期中，采集到的第三电机输出轴转角为βi，通过bp神经网络输出第i个采样周期的第三电机输出轴转角调节系数z3ⁱ后，控制第i+1个采样周期中第三电机输出轴转角为βi+1，使其满足βi+1＝z3ⁱβmax；

第二电机输出轴长度调节系数z4表示为下一个采样周期中的第二电机输出轴长度与当前采样周期中设定的第二电机输出轴最大长度之比，即在第i个采样周期中，采集到的第二电机输出轴长度为li，通过bp神经网络输出第i个采样周期的第二电机输出轴长度调节系数z4ⁱ后，控制第i+1个采样周期中第二电机输出轴长度为li+1，使其满足li+1＝z4ⁱlmax。

步骤二：进行bp神经网络的训练。

建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值wij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值wjk，隐层节点j的阈值θj，输出层节点k的阈值wij、wjk、θj、θk均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正wij和wjk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤三、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数；

s131：按照采样周期，获取第i个采样周期时烟雾浓度c、相机高度h、相机与目标板的距离s、以及目标板的高度h；其中，i＝1,2,……。

s132：依次将上述4个参数进行规格化，得到第i个采样周期时三层bp神经网络的输入层向量x＝{x1,x2,x3,x4}。

s133：所述输入层向量映射到中间层，得到第i个采样周期时中间层向量y＝{y1,y2,y3,y4}。

s134：所述中间层向输出层映射，得到第i个采样周期时得到输出层向量z＝{z1,z2,z3,z4}。

s135、对烟雾发生器功率、第一电机输出轴转速、第三电机输出轴转角以及第二电机输出轴长度进行控制，使下一个周期即第i+1个采样周期时满足

pi+1＝z1ⁱpmax

ni+1＝z2ⁱnmax

βi+1＝z3ⁱβmax

li+1＝z4ⁱlmax

其中，z1ⁱ、z2ⁱ、z3ⁱ、z4ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，pmax为烟雾发生器的最大功率，nmax为第一电机输出轴的最大转速，βmax为第三电机输出轴的最大转角，lmax为第二电机的输出轴最大长度，pi+1为第i+1个采样周期时烟雾发生器的功率，ni+1为第i+1个采样周期时第一电机输出轴的转速、βi+1为第i+1个采样周期时第三电机输出轴的转角、li+1为第i+1个采样周期时第二电机的输出轴长度。

初始状态时，烟雾发生器的功率p0满足：

式中，va为风洞试验段的喷口处风速，vb为风洞试验段的中部风速，cd为风洞试验段的烟雾浓度，sd风洞试验段的横截面积，t为烟雾发生器工作时需要加热的温度。

初始状态时，所述第二电机输出轴的转角满足：

其中，s0为相机与目标板的初始距离，f0相机的初始焦距，n为相机镜头放大倍数，le为相机镜头像平面的扩充距离，e为自然对数的底数。

对初始状态时第一电机转速n0和第三电机输出轴长度l0进行控制分别满足：

n0＝0.63nmax；

l0＝0.69lmax。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。