CN101160519A - 用于风洞测量的自动评定和控制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于评定风洞测量的装置，其中处理器(3)识别记录在风洞(6)中的图像上的流动单元。经过识别的流动单元随后被分段和进一步分析，以获得关于待分析物体的流动行为的准确信息。

Description

用于风洞测量的自动评定和控制的装置

本申请要求2005年4月15日提交的美国临时专利申请No.60/671,885和2005年4月15日提交的德国专利申请No.10 2005 017515.5的优先权，这些申请的公开内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及用于评定风洞测量的装置、布置和方法，以及计算机可读存储介质和程序单元。

背景技术

随着新一代飞行器的发展，气动性能首先基于风洞中的测量结果在模型上进行优化。在这点上，大量几厘米长的丝通过丝头附连到模型上，以此通过监测风流中的丝，确定丝所在位置的流动状态和流动方向。

流动大致有三种状态，具体为，“未扰动流”(或者层流)、“扰动流”(湍流)以及“分离流”。如果流动位于模型表面上的丝所在区域，则该流动未受到扰动。该丝保持伸展(层流阻挡层)，并显示表面流动的局部方向。从转变点，自由丝头开始抖动，流动受到扰动(湍流阻挡层)。小的、刚开始的表面流动的扰动导致自由丝头的“抖动”运动。在分开点(分离点)，流动从表面(分离流)和表面流的形式——其是强烈的旋涡——发展成为回流(与初始流动方向相反)。丝以其所有的空间自由度在一个区域内快速移动，在该区域只有附连的纤维头能够可视地看到。

直到现在，丝图像一般都是手动评定。对于这点，视频记录在风洞测量过程中完成并且手动评定。在所选的记录和相关的概念草图中，未扰动、扰动、分离流区域之间的边界线由使用者标出。

发明内容

本发明的目的是改进风洞测量的评定。

该目的通过评定风洞测量的装置、布置以及方法实现，通过具有根据独立权利要求特征的用于评定风洞测量的计算机可读存储介质和程序单元实现。

根据本发明的示例性实施方式，提供了一种用于评定风洞测量的装置。该装置包括处理器，它适于执行以下方法步骤：自动识别风洞测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元。

根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种用于评定风洞测量的方法。该方法通过使用处理器，识别例如风洞中的风洞测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元。

根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有用于评定风洞测量的程序，当在处理器上执行时，所述程序自动识别风洞测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元，以及可选地处理所述至少一个流动单元和/或所述至少一个流动单元可附连到的待测物体的图像。

根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种用于评定风洞测量的程序单元，当通过处理器执行时，所述程序单元识别风洞测量过程中记录的图像上的流动单元，以及可选地处理所述至少一个流动单元和/或物体的图像。

本发明通过计算机程序即软件以及通过一个或多个专门的电路即硬件或任何混合形式即通过软件部分和硬件部分实现。

根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种用于执行风洞测量的布置，其具有设置在风洞中的物体、用于记录图像的记录设备以及具有上述特征的装置。

根据本发明，安装到待分析物体并位于风洞内的流动单元能够被自动识别和/或分段。基于流动单元的这种识别和/或分段，随后可以自动进行进一步的后续计算、模拟或处理。通过这种方式，能够以省时的方式做出有关恒定测试条件下的多次记录的可靠的统计，这样不会只是测量随机样本，它们往往会有很大的离差。

风洞测量的自动评定能够以很少的时间花费执行，特别是，能够对进行中的测量(例如也叫实时)执行非常详细的评定。由于有可能执行多个测量和同时评定，所以测量的离差和误差能够减小和最小化。

此外，根据本发明，能够执行不同参数组的评定，并且能够将特征线准备成不同参数的函数，从而减少时间花费和误差可能。

根据本发明的示例性实施方式，风洞测量及其评定可以在飞行器或飞行器模型上进行，这样特别是随着新型飞行器技术的发展，能够验证、改进或优化飞行器的流动特性。

对于术语“流动单元”，特别地，应当理解成一种一般比待分析物体的尺寸要小的物理上的物件，该物件可以附连到物体上。如果这种类型的流动单元置于流动中(例如在风洞中)，它会受到该流动的影响，所以能起到表示它周围区域的流动行为特征的作用。这样的流动单元能够实现为例如丝。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，该装置进一步包括(光学)记录装置，从而利用至少一个记录装置，能够记录待分析物体上的至少一个流动单元的图像。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，该装置进一步包括显示装置，用于显示至少一个流动单元和/或物体的记录图像。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，该至少一个流动单元具有不同于待分析物体的颜色，以使记录图像上的快速、确定地识别和分段成为可能。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，至少两个流动单元具有不同的物理特性(例如刚度、直径、表面结构)。以此方式，例如通过比较气流中不同流动单元的行为可增加测量的信息容量。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，该装置进一步包括两个或多个记录装置，因此能够三维地或空间地表示待分析物体和/或至少一个流动单元。通过空间表示，可增加测量的信息容量，并且能够清晰地和以所需视角向使用者显示结果。

根据进一步实施方式，为该记录装置提供了彩色照相机，从而使至少一个流动单元和/或物体分解成各种颜色，从而更好地识别或分段。

根据进一步的实施方式，可以使用高速照相机，从而在每单位时间获得多个可评定的图像记录。从而例如能够更好地追踪所述流动单元的运动。

根据进一步的实施方式，处理器可以用于处理隔行扫描视频序列，从而可以更好地评定流动单元的运动。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，处理器通过至少一个流动单元和/或待分析物体的记录图像，根据不同的色相，从周围环境和/或待分析物体识别和/或分段至少一个流动单元。

在本方法的进一步的示例性实施方式中，能够(例如在存储介质上)存储至少一个流动单元和/或物体的图像，这样可用于进一步的分析。

在本方法的进一步步骤中，至少一个流动单元的几何特性能够在记录图像上计算。这样，如果必要，可能将至少一个流动单元的流动行为的发展表示为连续函数。

在本方法的进一步的示例性实施方式中，基于至少一个流动单元的物理特性，增加了测量的信息容量。至少一个流动单元具有预定的物理特性，例如确定的色相、确定的亮度，确定的饱和度，确定的硬度或刚度、确定的直径，或确定的表面结构。这样例如，可能通过比较具有不同物理特性的两个流动单元，得出有关流动行为的结论。

根据本方法的进一步的示例性实施方式，基于至少一个流动单元的记录图像计算至少一个流动单元的几何特性。这样例如能够计算流动单元的重心、表面面积、轴率以及方向。所以例如重心表述了给定的丝位置，方向表述了丝的具体取向。表面积和轴率通常包括丝是否伸展或执行快速移动的信息。

根据本方法的进一步的示例性实施方式，待分析物体上的流动单元的距离可以是不变的，这样提供了周期性图案的流动单元，从而人们能够通过使用傅立叶分析和几何变换更好地和更清晰地识别和/或分段流动单元。

根据本方法的进一步的示例性实施方式，通过记录装置通过隔行扫描方法记录了至少两个连续的部分图像，并且基于部分图像的图像信息速度，测量出至少一个流动单元的移动速度。

根据本方法的进一步的示例性实施方式，物体细分成Voronoi单元格，各流动单元位于其中心。这样，设置在中心的流动单元的流动特性传递到整个单元格。

根据本方法的进一步的示例性实施方式，通过多个记录装置，至少一个流动单元和/或待分析物体被三维表示。

根据本方法的另一实施方式，待分析物体可以通过输入装置在风洞内直接移动，和/或通过输入确定的控制参数控制。这些控制参数可以是，例如物体的迎角、偏航角或翻滚角或不同的流动参数。

根据本方法的进一步的实施方式，可以提供待分析物体或至少一个流动单元的确定监控状态，以及自动调节待分析物体或风洞流动的控制参数和/或取向。如果使用者希望例如流动分离的状态，那么他为一个区域输入这种条件，从而控制参数和模型取向就被自动计算和调节。

根据本方法的进一步的实施方式，流动单元的位置可以使用几何变换加以计算。如果已知一个或多个，例如至少四个相邻流动单元的流动单元的相应位置，则其几何特性就可以通过几何变换(单应性)计算。

根据程序单元的进一步的实施方式，至少一个流动单元根据其几何和/或物理特性表示，例如通过具体的色相表示。

在程序单元的进一步的实施方式中，流动单元的流态的转变或几何和/或物理特性的变化可以描述为连续变化。

根据该程序单元的另一示例性实施方式，待分析物体可以细分成Voronoi单元格，各流动单元位于单元格的中心。每个Voronoi单元格可以代表位于中心的流动单元。Voronoi单元格可以根据流动单元的几何和/或物理特性用离散或连续的系列颜色着色。

根据本方法的另一示例性实施方式，流动单元之间的区域可以通过插值以连续的颜色变化表示。这样流动单元的不同特性的变化可以更清晰地表示出来。

在该程序单元的进一步的示例性实施方式中，至少一个流动单元可以单独表示和/或与待分析物体结合表示。这样利用单独的表示，计算可以更好地执行，利用结合的表示，可以为使用者更清楚地表示结果。

根据该程序单元的进一步的实施方式，为了使至少一个流动单元和/或物体可视化，可以加入辅助信息，该辅助信息不是提供在待分析物体上或风洞的流动性能中。这种辅助信息可以是确定的流线、确定的压力分布、待分析物体上的隐藏的假定特征，例如发动机梁或高升力辅助装置。

根据该程序单元的进一步的示例性实施方式，可以用相同的控制参数和不同的物体构造评定多个单独的测量。这样使用者可以在相同环境条件下更好地分析不同的物体构造，例如不同的发动机直径。

根据该程序单元的进一步的示例性实施方式，可以用相同或不同的控制参数以及相同或不同的物体构造对单个测量进行统计评定。如果用相同参数和相同物体构造对单个测量进行评定，就可以通过程序单元确定可调误差阈值。这样测量可以用其它参数和/或物体构造继续进行，直到获得确定数目的有效测量。这可以自动运行。以此方式，测量可以变得可靠得多，这样使误差记录或误差计算一致化。

根据该程序单元的进一步的示例性实施方式，测量参数的增量可受控制地改变，这样使用者，例如利用比如从湍流到分离流的临界转变，可以更好地调节增量以获得更频繁的测量。用该程序单元，同样可以通过连续的图像评定自动确定滞后曲线。

根据另一示例性实施方式，该布置进一步包括用于将流动单元附接到风洞中的待分析物体的附接元件。该附接元件可以是粘接带，它具有与至少一个流动单元不同的色相。

根据本发明的进一步的示例性实施方式，该布置进一步包括输入装置(例如，图形用户界面)，利用所述输入装置，可以控制待分析物体和/或输入参数。

流动单元可以包括，例如丝或针，它们柔性附接到待分析物体上。

本装置和/或布置的实施方式也适用于本方法、计算机可读存储介质以及程序单元，反之亦然。

附图说明

下面为了进一步阐明和更好地理解本发明，将结合附图更详细地描述各实施方式。

图1示出根据本发明的一个示例性实施方式的布置的示意图。

具体实施方式

图中所示是示意性的并非按比例给出。

图1示出根据本发明的一个示例性实施方式的用于进行风洞测量的布置。

该布置包括风洞6，其中设置有待分析物体1(例如，按比例缩小的飞行器模型)。记录装置2(例如照相机)在正常情况下位于风洞外，以不干扰流动/气流。记录装置2记录的图像发送到处理器3(例如，计算机的微处理器)。通过输入装置5，使用者可输入用于风洞测量或评定的确定参数。从图像获得的结果可以在显示装置4(例如监视器)上对使用者可视化。

在待分析物体1的流动特性的分析中，丝形式的流动单元(未示出)粘附到物体1的表面。

如果流动以理想方式与物体1接触，那么丝平靠在物体1的表面。在有流动干扰的情况下，这些丝从表面移开并在空间中“飘动”。

本发明的分析的一个目的是能在处理器3上处理丝和它们的特性，以更快和更精确地确定待分析物体1的特性。因此，记录单元2在流动测试，即风洞测量过程中记录待分析物体1和位于其上的丝。接下来，如此记录的图像用处理器3通过图像处理进行分析，这些丝被识别和/或分段，并且在计算机硬盘驱动器上存储成独立的图像。

记录装置2可以是彩色照相机(例如CCD或CMOS彩色照相机)，其能区分多种颜色。这增加了记录图像的信息密度。这些丝头插入粘接带，粘接带再粘附到模型1。如果为粘接带选择不同于丝的颜色，这些丝头在颜色记录上会更加清楚可辨得多。

此外，例如除了规定的丝的颜色之外，可以为丝选择不同的物理特性，例如刚度、直径或表面结构，以获得高信息容量的测量。如果例如使用小直径的丝或者平滑的表面结构，物体1上的流动几乎不会被扰动，测量的质量大大提高。

物体1和丝的记录图像在测量过程中或者随后作进一步处理。因此，如果丝从物体1分段以便随后表征丝的特性以及与其有关的流动特性，这是有利的。为此首先确定丝的精确几何位置。

根据本发明，处理器3例如基于图像中丝的色调、亮度或饱和度识别记录图像上的丝位置，然后对该丝进行分段。

基于该分段的丝图像，现在能够计算丝的几何特性。从丝图像中，例如可以识别出丝的重心位置、表面积、轴率以及方向。例如重心描述丝的位置，方向描述丝的取向，表面积和轴率描述丝是否伸展或者作快速运动。

为了更快和更可靠地定位丝，这些丝以恒定的距离插入粘接带，从而形成周期性的丝图案，这样通过使用傅立叶分析并通过结合几何变换，丝自身能够更快更可靠被定位。

为了更好地使丝参数化，可能通过隔行扫描的视频序列来确定丝的速度。隔行扫描的完整图像包含或由两个部分图像组成，第一部分图像包含整个图像的奇数行，第二部分图像包含整个图像的偶数行。这些部分图像以规定的时间距离记录，这样丝的第一部分图像记录在一确定位置，第二部分图像在不同的位置记录相同的丝。当在规定的时间点认出覆盖的距离时，则能够确定移动的速度。为了最小化错误的测量，确定出可以遵循采样定理。

现在识别后的和参数化后的丝因此可以向使用者图形化表示，并且可以立即或随后处理。为此，通过计算机程序，丝可以根据确定出的丝状态(未扰动，扰动，分离)用颜色来表示，例如“绿色”表示未扰动的丝，“黄色”表示扰动的丝，“红色”表示分离的丝。

丝的色调在图中可以作为几何特征的函数相应显示，所述几何特征为例如重心、表面积、轴率或方向，这样流态之间的转变可以识别为颜色的连续变化。这允许像离散表示一样进行更加有区分度地可视分析。

可代替地，待分析物体(例如，飞行器模型)的图形表示可以细分成所谓的Voronoi单元格。丝位于每个Voronoi单元格中，它们设置在其Voronoi单元格的中心。每个Voronoi单元格包括那些从预定的度量看更靠近或更密布在该单元格的中心而非靠近或密布于所有其它单元格的中心的点。Voronoi单元格完全覆盖图形表示并且没有重叠。Voronoi单元格根据它们中心点的丝的特性着色，这样对于待分析物体1，其流动行为被完全反应出来。

除了利用Voronoi单元格，丝之间的区域也可以通过使用连续色调变化的插值表示，因此获得了连续的表示。

通过图形表示，除了参数化的丝，可以叠加被分析物体1的真实图形，这样可以直接识别该物体上丝的位置。在多个记录设备的情况下，可能向使用者提供这种三维可视化，因此使用者可以获得被分析丝流动的直接的空间印象。

另外，在这种可视化中，还可以包括计算数据，例如流线、压力分布或光学屏蔽的构造特征如发动机的梁。这样可以模拟额外的或假想提供的物体1的流动行为。

此外，存在对不同测量进行比较的可能性。对于每根丝，一方面，可以显示出相同参数设置的偏差，另一方面，可以显示出例如机翼模型上的发动机效应。不同流态之间的边界线也可以因而作为被分析机翼的迎角的函数进行分析。

此外，该装置使得多个具有相同参数设置的单个测量能够结合在一起，以计算出在统计方面有意义的报告书。例如可以控制测量的持续时间和数量，使得在以另外的配置继续测量之前，各自的误差极限必须下冲选定的阈值。该在统计方面有效的数据然后用于编译目标流动图像(流动图)。

而且可以控制参数的增量，例如迎角，这样增量在感兴趣的流动条件下适应性地最小化，以获得尽可能最详细的测量。

此外，通过分析例如具有恒定参数设置的流态的振荡行为，可以选择性地分析流态之间的转变或反转。利用周期性地超出流态变化的极限，有可能通过连续图像评定自动确定滞后曲线。

在图1中的布置中，同样有可能通过输入装置5在特定流动情况下进行交互分析。就此而言，人们可以用输入装置5(例如，计算机鼠标和/或键盘)选择和分析试验物体1的区域。例如可以标记试验物体1的期望区域，(例如在扰动流和分离流之间)提供希望的流动行为，在装置改变了例如物体1的迎角或其它控制参数时，对于被选物体的区域，出现了期望的监控状态。

这点上，通过借助输入装置改变模型或风洞的参数，有可能手动地进行实验。

此外，物体的取向或形状以及风洞的流动特性可以借助输入装置改变，使得例如马赫数得以改变或者大升力辅助装置的襟翼收回或伸展。

进一步地，有可能使测量误差的出现最少。这种所谓的几何修正是可能的，因为使用了丝的邻近关系。如果例如，丝没有被正确识别，因而关于这根丝所在点的流动状态的描述没有被识别，那么可以借助相邻的、没有误差确定的丝的几何变换计算出没有精确测量的丝的几何特性。

此外，应该注意，“包括”不排除其它元件或步骤，“一”和“一种”也不排除多个。此外，应当注意，参照上述实施方式中的一个描述的特征或步骤也能够结合上述其它实施方式的其它特征或步骤使用。权利要求中的标号不应视作限定。

Claims (38)

1.一种用于评定风洞测量的装置，包括：

处理器(3)，其配置成能够执行下面的方法步骤：

自动识别风洞测量期间记录的图像上的至少一个流动单元；以及

基于所述至少一个流动单元的图像计算所述至少一个流动单元的几何特性。

2.根据权利要求1所述的装置，

进一步包括至少一个记录装置(2)，

其中所述至少一个记录装置(2)配置成用于记录待分析物体上的所述至少一个流动单元的图像。

3.根据权利要求1或2所述的装置，

进一步包括用于显示所述至少一个流动单元和/或所述物体(1)的记录图像的显示装置(4)。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，进一步包括多个用于空间显示所述物体和/或所述至少一个流动单元的记录装置(2)。

5.根据权利要求2到4中任一项所述的装置，其中所述至少一个记录装置(2)是彩色照相机。

6.根据权利要求2到5中任一项所述的装置，其中所述至少一个记录装置(2)是高速照相机。

7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中处理器(3)适于处理隔行扫描的视频序列。

8.一种用于评定风洞测量的方法，

其中所述方法包括：

自动识别风洞(6)测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元；以及

基于所述至少一个流动单元的图像计算所述至少一个流动单元的几何特性。

9.根据权利要求8所述的方法，其中处理器(3)通过使用记录图像基于所述至少一个流动单元的色相识别和/或分段所述至少一个流动单元。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述至少一个流动单元的流动行为的趋势计算为连续函数。

11.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，其中通过考虑不同流动单元的不同物理特性评定风洞测量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所考虑的流动单元的物理特性选自：色相、亮度、饱和度、刚度、直径和表面结构。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个流动单元的几何特性选自：所述至少一个流动单元的重心、面积、轴率以及方向。

14.根据权利要求8到13中任一项所述的方法，其中通过使用傅立叶分析和/或几何变换识别所述至少一个流动单元。

15.根据权利要求8到14中任一项所述的方法，其中根据隔行扫描的方法，记录至少两部分图像，并基于所述至少两部分图像测量所述至少一个流动单元的运动。

16.根据权利要求8到15中任一项所述的方法，其中物体(1)在图像上细分成Voronoi单元格，使得各流动单元位于每个Voronoi单元格的中心。

17.根据权利要求8到16中任一项所述的方法，其中提供所述至少一个流动单元的确定的监控状态，并且自动调节待分析物体(1)的控制参数和/或取向。

18.根据权利要求8到17中任一项所述的方法，其中所述至少一个流动单元的位置通过使用几何变换计算。

19.一种存储有用于评定风洞测量的程序的计算机可读存储介质，所述程序在被处理器(3)执行时执行或控制下面的方法步骤：

自动识别风洞(6)测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元；以及

基于所述至少一个流动单元的图像计算所述至少一个流动单元的几何特性。

20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中所述程序在被处理器(3)执行时处理所述至少一个流动单元的图像。

21.一种用于评定风洞测量的程序单元，当所述程序单元在被处理器(3)执行时执行或控制以下方法步骤：

自动识别风洞(6)测量过程中记录的图像上的至少一个流动单元；以及

基于所述至少一个流动单元的图像计算所述至少一个流动单元的几何特性。

22.根据权利要求21所述的程序单元，其中所述至少一个流动单元根据其几何和/或物理特性以确定的色相表示。

23.根据权利要求21或22所述的程序单元，其中流态的转变示出为连续的转变。

24.根据权利要求22或23所述的程序单元，其中物体细分成Voronoi单元格，各流动单元位于每个Voronoi单元格的中心，其中Voronoi单元格根据流动单元的几何和/或物理特性用离散或连续的颜色系列着色。

25.根据权利要求21到24中任一项所述的程序单元，其中不同的流动单元之间的区域通过插值用连续的颜色变化表示。

26.根据权利要求21到25中任一项所述的程序单元，其中所述至少一个流动单元用单独和/或结合的待分析物体(1)表示。

27.根据权利要求21到26中任一项所述的程序单元，其中在所述至少一个流动单元和/或物体(1)的可视化中考虑了辅助信息，其中所述辅助信息选自：流线、压力分布、光学隐蔽的构造特征和发动机梁。

28.根据权利要求21到27中任一项所述的程序单元，其中用相同的控制参数和不同的物体构造来评定多个独立的测量。

29.根据权利要求21到28中任一项所述的程序单元，其中用相同的控制参数和相同的物体构造来统计地评定多个独立的测量。

30.根据权利要求29所述的程序单元，其中当超出可调误差阈值时，用其它控制参数和物体构造自动继续所述测量。

31.一种用于进行风洞测量的布置，包括：

设置在风洞(6)内的物体(1)，

用于在风洞(6)测量过程中记录图像的记录装置(2)，

根据权利要求1到9中任一项所述的用于评定风洞测量的装置。

32.根据权利要求31所述的布置，进一步包括至少一个附接到物体(1)的流动单元。

33.根据权利要求32所述的布置，其中用于将所述至少一个流动单元附接到物体(1)的附接元件是粘接带，其中所述粘接带和所述至少一个流动单元具有不同的颜色。

34.根据权利要求31到33中任一项所述的布置，进一步包括用于直接控制待分析物体(1)和/或用于输入参数的输入装置。

35.根据权利要求34所述的布置，其中所述参数选自：物体的迎角、流动参数、物体的偏航角以及物体的翻滚角。

36.根据权利要求31到35中任一项所述的布置，其中所述至少一个流动单元具有不同于物体(1)的颜色。

37.根据权利要求31到36中任一项所述的布置，包括具有不同物理特性的至少两个流动单元。

38.根据权利要求31到37中任一项所述的布置，其中所述物体是飞行器或飞行器模型。

Images