CN101699237A - 用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，特别是对风洞模型三自由度的三维模型姿态角视频测量系统。为了提高风洞模型角度实时测量的精准度，克服目前设备具备单角度测量的能力，不能测量模型的侧滑角，不具备实时性需要事后处理等系统存在的共同问题。本发明的技术方案是：由数字摄像机、变焦镜头、变焦镜头控制器、主动发光标记点、高速计算机、采集控制测量软件组成，主动发光标记点[4]安装布置在模型上，2台数字摄像机[6]实时记录采集测量，变焦镜头控制器[2]与高速计算机[3]连接，并控制变焦镜头[1]，采集图像送到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，达到设备实时测量、处理得到模型的实际三维姿态角的目的。

Description

用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统

一、技术领域

本发明涉及一种用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，特别是对风洞模型三自由度的三维模型姿态角视频测量系统。

二、背景技术

为了提高风洞模型角度实时测量的精准度，国内外风洞工作者、研究机构开发了多种角度测量系统。风洞模型角度实时测量技术的发展历史是和风洞试验中对角度测量误差的要求分不开的，它是科学技术发展的结果。从20世纪40年代后期开始研制的第一代加速度迎角传感器到目前的视频测量模型姿态角，经过了几十年。已经发展出多种角度测量方法，到目前为止，国内外的发展大致经历了以下几个阶段：40年代后期发展了惯性加速度迎角传感器，80年代发展了激光角度传感器，90年代发展了视频方法测量模型角度。惯性加速度迎角传感器是20世纪40年代后期开发出来的，传感器的角度测量准确度为0.1°，它们的缺点是漏油和气泡问题。在1970年，模型角度测量准确度指标已经达到了新的高度为0.01°，在1971～1978年间使用了II型伺服加速度计，它采用了悬吊金属线挠性设计方案，阻尼类型为油阻尼。III型伺服加速度计采用了悬吊熔融石英线挠性设计方案，阻尼类型为空气阻尼，由于采用了石英这种脆性材料，III型伺服加速度计非常容易被损坏，在使用过程中要格外的小心以免被损坏。从1983年开始在波音跨声速风洞中使用数据控制伺服加速度计测量模型的角度。

激光角度传感器是在80年代初利用激光干涉特性建立起来的角度测量装置，1980年研制出第一台激光测角仪，目前，激光测角仪分别在风洞使用。

视频方法测量模型角度是基于图像处理技术的一种测量方法，在1995年角度测量系统已经广泛应用风洞试验中，能测量出模型的一个角度，在实际的风洞试验中模型角度测量的准确程度已经达到了0.01°。

这些系统的共同点是：①设备具备单角度测量的能力；②设备不能测量模型的侧滑角；③设备不具备实时性需要事后处理。

三、发明内容

为了克服上述系统存在的共同问题，本发明给出一种用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，达到设备实时测量、实时处理，三个自由度的三维模型姿态角测量能力的目的。

本发明的技术方案是：用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统由数字摄像机、变焦镜头、变焦镜头控制器、主动发光标记点、高速计算机、采集控制测量软件组成，若干个主动发光标记点[4]安装布置在模型上，发出固定波长的光波，2台数字摄像机[6]固定安装，形成立体视觉视频测量，变焦镜头控制器[2]与高速计算机[3]连接，并控制变焦镜头[1]，变焦镜头[1]加装可通过特定波长的滤光镜，滤光镜可以通过主动发光标记点[4]的固定波长光波，2台数字摄像机[6]实时记录采集测量，采集图像送到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，采集控制测量软件[5]通过调用在校准块[7]上的主动发光标记点[4]标定好的数字摄像机[6]内外参数，把2台数字摄像机[6]送入的2幅二维图像还原到三维图像，得到主动发标记点[4]的空间坐标，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

与现有技术相比，本发明的技术方案有突出的实质性特点和显著进步在于，采用2台数字摄像机组成一套立体视觉测量，2台数字摄像机记录模型实时运动状态，专用于风洞试验中的角度测量，采集图像送到高速计算机中，通过采集控制测量软件进行图像数据处理，还原两幅二维图像到三维图像得到标记点的空间坐标，可实时测量出模型的迎角、侧滑角、滚转角，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

在模型机身上布置若干个主动发光标记点，标记点由可发出一定波长光波的发光管构成，可通过特定波长的滤光镜可以通过主动发光标记点的光波，进行标记点的识别，而滤掉其余的环境光和其它的干扰光，从而极大提高原始标记点图像的信噪比，减少图像处理的时间从而可以实现角度的实时采集测量而不需要事后处理。

主动发光标记点为一个可独立发光源，具有一定扩散角的独立单元，可作为摄像机校准目标点，摄像机内外参数校准方法采用校核校准块上的主动发光标记点，提高摄像机内外参数的校准精度。

采集控制测量软件采用VC++6.0编程语言编写，独特的界面环境可以让使用人员通过极少的步骤就可以实现角度的测量，操作简单方便，实用化程度高，采集控制测量软件调用使用校准块的主动发光标记点标定好的摄像机内外参数。

四、附图说明

图1是用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统结构示意图，图2是采集控制测量软件信流图，其中，1-数字摄像机、2-变焦镜头控制器、3-高速计算机、4-主动发光标记点、5-测量软件、6-变焦摄像头、7-摄像机校准块。

五、具体实施方式

结合附图，给出以下实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统由数字摄像机、变焦摄像头、变焦镜头控制器、主动发光标记点、高速计算机、采集控制测量软件组成，若干个主动发光标记点[4]安装布置在模型上，发出固定波长的光波，2台数字摄像机[1]固定安装，形成立体视觉视频测量，变焦镜头控制器[2]与高速计算机[3]连接，并控制变焦摄像头[6]，变焦摄像头[6]加装可通过特定波长的滤光镜，滤光镜可以通过主动发光标记点[4]的固定波长光波，2台数字摄像机[1]实时记录采集测量，采集图像送到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，采集控制测量软件[5]通过调用在摄像机校准块[7]上的主动发光标记点[4]标定好的数字摄像机[1]内外参数，把2台数字摄像机[1]送入的2幅二维图像还原到三维图像，得到主动发标记点[4]的空间坐标，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，摄像机校准块[7]上的主动发光标记点[4]形成发光单元，作为数字摄像机[1]校准目标点，对数字摄像机[1]内外参数精度校准。

本发明用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统主要包含硬件和软件两大部分，硬件系统主要是由一台高速计算机[3]、两台高分辨率数字摄像机[1]、变焦摄像头[6]、变焦镜头控制器[2]、主动发光标记点[4]，摄像机校准块[7]组成，采集控制测量软件[5]主要是由VC++6.0编写的一套控制、采集、测量、处理软件组成。

由数字摄像机[1]和变焦摄像头[6]组成的成像系统采集飞机模型上的多个主动发光标记点[4]，主动发光标记点[4]由可以发出一定波长的发光二极管组成，发光二极管发出一定波长的可见光，照射到漫反射光学器件上从而形成一个圆形的漫反射光斑，在成像系统的镜头前加装上一块只能透过发光二极管波长的窄带滤光镜，从而在数字摄像机[1]上只有发光标记点光斑被记录，而其它的背景杂光大部分都被滤光镜滤掉，这样在原始图像上只有标记点光斑是清晰发亮的，而其它背景都是暗的，这样就得到了对比度明显的发光标记点原始图像，降低了图像处理的难度，从而大大节省了图像处理时间，保证本发明用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统能进行实时采集、处理、运算。

本发明中的采集控制测量软件[5]的编程语言是VC++6.0，这种面向对象程序设计(OOP)的编程方法主要以数据为中心，代码的编写是围绕着需要处理的数据而设定的，这样程序中各个模块之间相互独立，模块之间采用数据交流的方式来通讯，为程序的改造和再开发打下良好的物质基础。采集控制测量软件[5]共具有四大子功能系统：采集成像子功能系统，图像分析子功能系统，数据处理子功能系统，图像及数据显示子功能系统。采集成像子功能系统具有完成摄像机参数设置、采集图像送到内存等功能；图像分析子功能系统具有完成采集图像阈值化、图像灰度分析、特征点分析等功能，对特征点集目标区和特征点区域进行确定，计算特征点质心坐标；数据处理子功能系统具有完成摄像机标定、特征点集关系分析、生成虚拟点与特征点关系分析、计算特征点空间坐标和角度等功能；图像及数据显示子功能系统具有完成原始图像或者阈值化后图像显示、图像灰度直方图显示、实时显示模型角度等功能。

系统工作过程：本套系统在使用前需要进行摄像机内外参数的校准，校准方法是把两台摄像机预先安装在风洞的固定位置，在试验过程中摄像机的所有参数都不能进行调整，把摄像机校准块[7]固定在风洞模型位置，摄像机校准块[7]本身固有的三个坐标轴要与风洞坐标轴完全平行，设备安装完成后通过系统自带的校准程序完成摄像机内外参数、世界坐标系的确立，完成此项工作后就可以进行模型角度测量工作了。

模型角度测量方法是在模型上布置若干个主动发光标记点[4]，标记点由可发出一定波长光波的发光二极管构成，变焦摄像头[6]加装可通过特定波长的滤光镜，滤光镜可以通过主动发光标记点的光波，而滤掉其余的环境光和其它的干扰光，从而通过这种方法可以极大提高原始标记点图像的信噪比，减少图像处理的时间从而可以实现角度的实时采集测量而不需要事后处理，两台数字摄像机[1]记录模型实时运动状态，采集图像到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，还原两幅二维图像到三维图像得到标记点[4]的空间三维坐标，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

Claims (2)

1.用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统由数字摄像机、变焦摄像头、变焦镜头控制器、主动发光标记点、高速计算机、采集控制测量软件组成，其特征在于：若干个主动发光标记点[4]安装布置在模型上，发出固定波长的光波，2台数字摄像机[1]固定安装，形成立体视觉视频测量，变焦镜头控制器[2]与高速计算机[3]连接，并控制变焦摄像头[6]，变焦摄像头[6]加装可通过特定波长的滤光镜，滤光镜可以通过主动发光标记点[4]的固定波长光波，2台数字摄像机[1]实时记录采集测量，采集图像送到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，采集控制测量软件[5]通过调用在摄像机校准块[7]上的主动发光标记点[4]标定好的数字摄像机[1]内外参数，把2台数字摄像机[1]送入的2幅二维图像还原到三维图像，得到主动发标记点[4]的空间坐标，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

2.根据权利要求书1所述的用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，其特征是：摄像机校准块[7]上的主动发光标记点[4]形成发光单元，作为数字摄像机[1]校准目标点，对数字摄像机[1]内外参数精度校准。