CN103486984B - 一种风洞内型面同轴度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风洞内型面同轴度的检测方法，包括以下步骤：（a）用三维激光扫描仪扫描风洞内型面，获取风洞内型面点云；（b）将扫描所得到的点云数据的坐标统一到同一坐标系内；（c）沿风洞轴线方向对内型面的点云数据进行等间距剖切，在每个剖切面上可获得风洞内型面点云与剖切面的相交线；（d）将风洞内型面点云与剖切面的相交线上的点进行等间距处理，并计算每个剖切面上等间距处理后点集的质心点坐标；（e）根据内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出一条直线，该直线为基准轴线；（f）计算风洞内各站内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点到对应基准轴线的距离。其解决了风洞内型面同轴度误差的全面检测问题。

Description

一种风洞内型面同轴度的检测方法

技术领域

本发明涉及一种同轴度的检测方法，尤其涉及一种用于风洞内型面同轴度的检测方法。

背景技术

风洞内型面的质量和精度是影响风洞内模拟风场品质的重要因素，风洞各部段的型面同轴度偏差会影响空气流场的特性参数，导致风洞实验结果不准确，因此，在风洞工程建设中，对于风洞内型面的同轴度提出了很高的要求。目前，由于风洞内型面尺寸大，形状复杂多样，且传统测量仪器和测量方法只能对少数离散单点进行测量，无法获取型面的整体三维空间信息，不能对内型面同轴度进行有效的全面检测。

根据《产品几何技术规范（GPS）几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注》（GB/T1182-2008）中关于同轴度误差的定义，同轴度是指被测圆柱面轴线对基准轴线不共轴的程度。根据定义，用与基准轴线同轴的圆柱面来包容被测物体的实测轴线，在被测长度内，最小包容圆柱面的直径即为同轴度误差值。风洞内型面的截面形状有矩形、八边形，与定义中所述圆柱面不同，且风洞尺寸较大，工业领域的同轴度检测方法无法应用于风洞内型面的检测。

近几年，三维激光扫描技术不断发展，已逐渐应用于地形测绘、基坑监测、工业测量等领域，成为继GPS技术之后的又一项测绘技术革命。三维激光扫描能快速获取目标物体表面大量采样点的空间位置坐标，得到一个描述三维实体的点集合，即点云。因此，三维激光扫描技术的出现和发展为解决风洞内型面同轴度检测问题提供了新的思路。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种风洞内型面同轴度的检测方法，其利用三维激光扫描仪能够高效率、高精度获取风洞内型面大量空间点坐标信息的优势，将实际内型面的空间几何信息以点云数据的方式复制到计算机中，通过分析内型面点云数据解决了风洞内型面同轴度误差的高精度全面检测问题。

为了实现以上目的，本发明提供了一种风洞内型面同轴度的检测方法，风洞中设置有至少两个站，风洞内型面同轴度的检测方法包括以下步骤：（a）用三维激光扫描仪沿风洞轴线方向扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云；（b）将扫描所得到的点云数据的坐标通过坐标变换统一到同一坐标系内；（c）沿风洞轴线方向对内型面的点云数据进行等间距剖切，在每个剖切面上可获得风洞内型面点云与剖切面的相交线，该相交线由一系列离散线构成；（d）将风洞内型面点云与剖切面的相交线上的离散点进行等间距处理，并计算每个剖切面上等间距处理后的点集的质心点坐标；（e）根据内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出一条直线，该直线为基准轴线；（f）计算风洞内各站内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点到对应基准轴线的距离，其中最大距离值的两倍即为同轴度误差值。

优选地，步骤（a）具体过程为将三维激光扫描仪置于风洞内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云数据通过三维激光扫描仪接收器接收。

优选地，在步骤（a）中，测量风洞内型面的方法具体为在风洞中的相邻两站之间布设至少三个标靶球；每站可通视区域设置至少三个标靶板，并采用全站型电子速测仪测量标靶板中心的坐标。

优选地，在步骤（b）中统一点云数据坐标系的方法具体为：根据标靶球和标靶板的点云数据以及标靶板中心的坐标，将各站扫描所得点云数据的坐标通过点云数据配准和坐标变换统一到同一坐标系内。

优选地，在步骤（e）中，拟合基准轴线的具体方法为：对于风洞内与风洞收缩段同轴的区域，以收缩段区域的内型面点云与剖切面的相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线；对于除与收缩段同轴的区域以外的其他区域，以同轴各区域内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线。

本发明相较于现有技术所具有的优势在于：利用三维激光扫描仪能够高效率、高精度获取内型面大量空间点坐标信息的优势，将实际内型面的空间几何信息以点云数据的方式复制到计算机中，通过分析内型面点云数据解决了风洞内型面同轴度误差的高精度全面检测问题。该方法与传统检测方法相比，能获取风洞内型面的完整空间几何信息，检测结果精度高。

附图说明

图1为三维激光扫描仪扫描获取的风洞内型面点云变换到同一坐标系中的示意图；

图2为剖切后获得的内型面点云与剖切面的相交线示意图；

图3为内型面的点云与一个剖切面的相交线上的离散点集及该离散点集的质心点示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

本发明公开了一种风洞内型面同轴度的检测方法，风洞中设置有至少两个站，该站的划分是根据三维激光扫描仪的有效扫描范围以及风洞内可通视范围综合考虑划分的，其中风洞内型面同轴度的检测方法包括以下步骤：（a）用三维激光扫描仪沿风洞轴线方向扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云数据，具体过程为将三维激光扫描仪置于风洞内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光沿风洞轴线方向扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云数据通过三维激光扫描仪接收器接收。其中优选地，测量风洞内型面的方法具体为在风洞中的相邻两站之间布设至少三个标靶球，标靶球的优选布设方法为标靶球尽量共面，但不要共线；每站可通视区域设置至少三个标靶板，并采用全站型电子速测仪测量标靶板中心的坐标，该全站型电子速测仪的测角精度优选为±0.5"；

（b）将扫描所得到的点云数据的坐标通过坐标变换统一到同一坐标系内；上述优选测量风洞内型面方法的实施方式中，具体为：根据标靶球和标靶板的点云数据以及标靶板中心的坐标，将各站扫描所得点云数据的坐标通过点云数据配准和坐标变换统一到同一坐标系内；如图1所示，即为上述三维激光扫描仪扫描获取的风洞内型面点云变换到同一坐标系后的示意图。

（c）沿风洞轴线方向对内型面的点云数据进行等间距剖切，在每个剖切面上可获得风洞内型面点云与剖切面的相交线，如图2所示，该相交线由一系列离散线构成；

（d）通过插值计算，将风洞内型面点云与剖切面的相交线上的离散点进行等间距处理，并计算每个剖切面上等间距处理后的离散点集的质心点坐标。具体算法如下：设某一剖切面相交线上的离散线包含n个点，第i个点的坐标为（x_i，y_i，z_i），质量为ρ_i，则该离散线内点集的质心坐标（x_o，y_o，z_o）为：

$x_o=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{\mathrm{\ρ}}_i}{n{\mathrm{\ρ}}_i},y_o=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{\mathrm{\ρ}}_i}{n{\mathrm{\ρ}}_i},z_o=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i{\mathrm{\ρ}}_i}{n{\mathrm{\ρ}}_i}$

由于点等间距分布，设各点的质量相同，由上式可得，质心点坐标即为各点坐标的平均值；如图3所示，即为内型面的点云与一个剖切面的相交线上的离散点集及该离散点集的质心点示意图，图中所示的中心点即为质心点。

（e）根据内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出一条直线，该直线为基准轴线，具体为：对于风洞内与收缩段同轴的区域，以收缩段区域的内型面点云与剖切面的相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线，对于除与收缩段同轴的区域以外的其他区域，以同轴各区域内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线；拟合基准轴线的具体方法如下：

首先根据各剖切面上求得的质心点的x坐标和y坐标采用最小二乘法拟合出空间直线在xy平面上的投影方程：

a₁x+b₁y+d₁＝0

根据x坐标和z坐标拟合出空间直线在xz平面上的投影方程：

a₂x+c₂z+d₂＝0

则空间直线即轴线的一般方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{1}x+b_{1}y+d_1=0\\ a_{2}x+c_{2}z+d_2=0\end{array}\right.$

由一般方程可求出参数式方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0+b_1{c}_{2}t\\ y=y_0-a_1{c}_{2}t\\ z=z_0-a_2{b}_{1}t\end{array}\right.$

式中，t为参数，(x₀,y₀,z₀)为直线上任取一点的坐标；

（f）计算各站内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点到对应基准轴线的距离，其中最大距离值的两倍即为同轴度误差值。具体方法如下：

设某一剖切平面上的质心点坐标为(x_j,y_j,z_j)，则过该点与基准轴线垂直的平面方程为：

b₁c₂(x-x_j)-a₁c₂(y-y_j)-a₂b₁(z-z_j)＝0

将基准轴线的参数方程代入平面方程可求得基准轴线与垂直平面的交点坐标(x_k,y_k,z_k)，利用空间两点的距离公式即可求出点(x_j,y_j,z_j)与点(x_k,y_k,z_k)的距离，即点(x_j,y_j,z_j)到基准轴线的距离。按照该方法求出同轴各段所有剖切面上的质心点到基准轴线的距离，其中距离最大值d_max即为与基准轴线同轴且包容所有质心点（即实测轴线）的最小包容圆柱面的半径，直径2d_max即为同轴度偏差值。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种风洞内型面同轴度的检测方法，风洞中设置有至少两个站，其特征在于，风洞内型面同轴度的检测方法包括以下步骤：

(a)用三维激光扫描仪沿风洞轴线方向扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云；

(b)将扫描所得到的点云数据的坐标通过坐标变换统一到同一坐标系内；

(c)沿风洞轴线方向对内型面的点云数据进行等间距剖切，在每个剖切面上可获得风洞内型面点云与剖切面的相交线，该相交线由一系列离散点构成；

(d)将风洞内型面点云与剖切面的相交线上的离散点进行等间距处理，并计算每个剖切面上等间距处理后点集的质心点坐标；

(e)对于风洞内与收缩段同轴的区域，以收缩段区域的内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出一条直线，该直线为基准轴线；对于除与收缩段同轴的区域以外的其他区域，以同轴区域各区域内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线；

(f)根据插值计算，计算风洞内各站内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点到对应基准轴线的距离，其中最大距离值的两倍即为同轴度误差值。

2.根据权利要求1所述的风洞内型面同轴度的检测方法，其特征在于，步骤(a)具体过程为将三维激光扫描仪置于风洞内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光沿风洞轴线方向扫描风洞内型面，获取风洞内型面的点云数据通过三维激光扫描仪接收器接收。

3.根据权利要求1或2所述的风洞内型面同轴度的检测方法，其特征在于，在步骤(a)中，测量风洞内型面的方法具体为在风洞中的相邻两站之间布设至少三个标靶球；每站可通视区域设置至少三个标靶板，并采用全站型电子速测仪测量标靶板中心的坐标。

4.根据权利要求3所述的风洞内型面同轴度的检测方法，其特征在于，在步骤(b)中统一点云数据坐标系的方法具体为：根据标靶球和标靶板的点云数据以及标靶板中心的坐标，将各站扫描所得点云数据的坐标通过点云数据配准和坐标变换统一到同一坐标系内。

5.根据权利要求1所述的风洞内型面同轴度的检测方法，其特征在于，在步骤(e)中，拟合基准轴线的具体方法为：对于风洞内与收缩段同轴的区域，以收缩段区域的内型面点云与剖切面的相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线，对于除与收缩段同轴的区域以外的其他区域，以同轴各区域内型面点云与剖切面相交线上等间距点集的质心点拟合出的直线为基准轴线。