CN104776861A - 用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置 - Google Patents

用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置属于计算机视觉领域，涉及一种风洞环境下校准视觉测量系统的标定装置。该标定装置由柔性靶标、靶标位置控制器组成，在柔性靶标中，在标定板的4个侧面分别加工有一个凹槽，每个凹槽的侧边为凸起的两个矩形块，两个矩形块关于侧面中心对称，标定尺有四根。靶标位置控制器中，圆形法兰板通过四个内六角螺栓固定在标定板上，即将靶标运动控制器与柔性靶标装配连接在一起。该柔性标定装置成本低、简单、便携、易于拆卸，解决了大标定板标定加工精度低以及采用标定十字架标定校准精度低等问题。标定时，靶标安装于支架上，并采用球铰副控制靶标运动，降低了手持晃动带来的干扰。

Description

用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置
技术领域
本发明属于风洞实验技术领域，涉及一种用于风洞环境下视觉测量系统标定的柔性标定装置。
背景技术
近年来，随着航空航天技术的不断发展，国防科技对于各类飞行器提出了越来越高的技术要求。风洞实验为预测飞行器的气动性能，获取飞行器所需关键气动数据提供了重要的路径。风洞环境复杂、气流扰动大，使用常规的测量手段很难完成物体变形量、位姿参数、动导数、振动量等的测量。视觉测量技术以动态测量、实时性强、非接触等特点在风洞实验中显现出了明显的技术优势。相机参数标定时视觉测量过程中的第一步也是最重要的一步。基于靶标的标定是相机标定的主要方法。为满足飞行器的研制要求，需要在不同尺寸大小风洞对各类飞行器采用视觉测量系统进行试验研究，而现有的靶标都是专项专用，当更换不同实验项目时，某些靶标不能很好的应用。因此，发明一种适用于风洞的柔性标定装置对于减少测量成本，提高我国飞行器设计制造水平具有重要意义。
目前对于风洞环境中相机标定用靶标研究相对较少，美国宇航局Thomas W.Jones在第45届AIAA航空航天科学会议中发表的《APhotogrammetric System for Model Attitude Measurement in HypersonicWind Tunnels.》提出了基于双目视觉的模型位姿(俯仰、偏航、滚转)测量方法。采用安装于风洞内部模型支杆的三维台阶标定块充满整个测量视场进行像机标定。荷兰代尔夫特大学的Dinesh Kalpoe在SPIE会议上发表的《Vibration measurement of a model wind turbine usinghigh speed photogrammetry》利用双目视觉结合标志点测量风力涡轮机叶片的振动量，标定采用1.5×1.5m的十字型靶标进行像机的标定。这两种方案都能很好的进行风洞环境下摄像机的标定，但是三维标定块尺寸小，在大视场测量时标定的相机的精度比较低。十字形靶标尺寸大，在小视场内不易安装，并且相机标定精度低。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了一种用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置，根据不同尺寸风洞环境下不同型号实验要求，采用四个标定尺与标定板装配组成的复合式柔性靶标，解决了使用标定板标定加工精度低和标定校准精度低的问题。此外，标定时靶标安装于支架上，并采用球铰副控制靶标运动，降低了手持晃动带来的干扰。
本发明采用的技术方案是一种用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置，其特征是，标定装置由柔性靶标和靶标运动控制器组成；
在柔性靶标中，在标定板1的四个侧面分别加工有一个凹槽，每个凹槽的侧边为凸起的两个矩形块，两个矩形块关于侧面中心对称，矩形块之间的间距与4根标定尺2、3、4、5的宽度相等；两个矩形块上开有螺纹孔和通孔，两孔贯穿两矩形块；标定板1正面为标定面，用于布置标定相机的标定控制点8；标定板1背面开有方形槽，方形槽底面加工有四个具有一定深度的螺纹孔；标定尺有四根，分别为上、下、左、右标定尺4、5、2、3，四根标定尺中每一根的一端侧面都加工一个螺纹孔和一个通孔，通过定位销6和螺栓7分别将上、下、左、右标定尺4、5、2、3安装到标定板1的上、下、左、右凹槽口中，用于标定相机的标定控制点8分别均匀布置在标定板1和上、下、左、右标定尺4、5、2、3上；
在靶标运动控制器中，圆柱杆11为两端带有螺纹的圆形杆件，将圆柱杆11一端安装在圆形法兰板10中心，圆柱杆11另一端安装有金属圆球12，金属圆球12与转接座14以球铰副连接，通过紧定螺钉13将金属圆球12固定安装在转接座14上，转接座14安装在支架15上；圆形法兰板10上加工有四个圆孔，四个圆孔分布于同一圆周上，圆形法兰板10中心加工有螺纹通孔；圆形法兰板10通过四个内六角螺栓9固定在标定板1上，即将靶标运动控制器与柔性靶标装配连接在一起。标定时根据测量要求设计基于不同组合方式的柔性靶标，调节支架15的位置使整个靶标充满测量视场利用标定控制点8之间的约束关系标定相机。
本发明的有益结果是，利用柔性标定装置实现了风洞中不同测量视场下视觉测量系统高精度标定。解决了大尺寸标定板加工精度低、加工成本高以及十字标定架标定精度低等问题。本发明的柔性标定装置结构简单、便携、拆卸方便。
附图说明
图1为风洞视觉测量系统标定装置系统结构图，图2为风洞视觉测量系统标定装置后视图，图3为图2中标定装置局部区域放大图，图4为风洞模型变形测量用靶标，图5为风洞模型位姿测量用靶标。
其中，1-标定板，2-左标定尺，3-右标定尺，4-上标定尺，5-下标定尺，6-定位销，7-铰制孔螺栓，8-标定控制点，9-内六角螺栓，10-圆形法兰板，11-圆柱杆，12-金属圆球，13-紧定螺钉，14-转接座，15-支架。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。在风洞视觉测量系统标定时可根据具体应用场合将上、下、左、右标定尺4、5、2、3与标定板1任意组装以满足标定精度要求，通过在标定尺4、5、2、3与标定板1上布置标定控制点8完成标定。本发明结合风洞实际测量需求，采用视觉系统对风洞环境下飞行器模型变形以及运动位姿参数进行测量。利用本发明的柔性标定装置进行视觉系统标定，在标定风洞测量系统相机时，首先根据风洞测量要求选取不同的柔性靶标组件装配组成柔性靶标。然后将靶标运动控制器与柔性靶标装配连接，调节靶标运动控制器中金属圆球12与转接座14之间的相对关系，使柔性靶标在空间中处于不同位置。调节好后利用紧定螺钉13将位置锁死，以便相机采集柔性靶标图片。最后利用相机采集的不同位置靶标图像完成内外参数的标定。本发明的柔性标定装置在多种测量环境下可组合使用。以下结合两个实施例对本发明的标定装置进行详细说明。
实施例一：
利用本发明中心标定板1对模型变形测量用视觉系统进行标定。在进行模型变形量测量时，风洞模型尺寸为300mm×250mm，标定视场为300mm×250mm。视场大小适中，综合考虑成本与加工难度，本发明采用柔性靶标内标定板1作为靶标进行视觉测量系统的标定，如附图4所示，区域大小为300mm×300mm。为了提高标定精度使靶标覆盖整个视场，利用四个内六角螺栓9将柔性靶标标定板1与圆形法兰板10紧固在一起，标定时在标定板1上面设置标定控制点8，将柔性靶标在空间摆放多个位置。利用多幅靶标图像结合标定算法标定视觉测量系统，标定的相机内外参数如下：
表1变形测量靶标标定相机内外参数
实施例二：
利用本发明左标定尺2、右标定尺3与标定板1组合装配成靶标对模型位姿参数测量用视觉系统进行标定。在进行风洞环境下模型位姿参数测量实验时，被测模型在空间做自由飞行，飞行轨迹近似为一空间直线。在相机测量视场内拍摄模型图片进行模型位姿参数求解。相机测量视场为1000mm×1000mm，物体飞行视场为1000mm×50mm。假若仅采用标定板1进行相机标定，当整个标定板1充满整个测量视场时因尺寸较大，标定板1平面度很难保证；假若仅使用上标定尺4、下标定尺5、左标定尺2、右标定尺3标定相机，标定精度难以保证。本发明兼顾测量精度与成本因素，采用左标定尺2、右标定尺3与标定块1组合式柔性靶标标定视觉测量系统。利用两个定位销6和两个铰制孔螺栓7将左标定尺2、右标定尺3与标定板1装配连接。利用四个内六角螺栓9将标定板1与圆形法兰板10紧固连接，标定时在标定板1与左标定尺2、右标定尺3上布置标定控制点，将靶标在空间摆放多个位置，调节靶标每一位置后利用进行紧定螺钉13锁紧。利用视觉测量系统采集靶标不同位置下图像。最后结合标定算法校准视觉测量系统内外参数以及畸变参数，标定的相机内外参数如下：
表2位姿测量靶标标定相机内外参数
本发明的一种风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置，通过将不同维数的标定参照物组合成柔性靶标完成了风洞条件下视觉测量系统的柔性标定，解决了采用大幅面测量平面标定板制造精度难以保证以及采用一维十字靶标标定精度低的问题，并且本发明的柔性标定装置还具有拆卸简单、方便携带的优点。

Claims (1)

1.一种用于风洞视觉测量系统标定的柔性标定装置，其特征是，标定装置由柔性靶标和靶标运动控制器组成；
在柔性靶标中，在标定板(1)的四个侧面分别加工有一个凹槽，每个凹槽的侧边为凸起的两个矩形块，两个矩形块关于侧面中心对称，矩形块之间的间距与(4)根标定尺(2)、(3)、(4)、(5)的宽度相等；两个矩形块上开有螺纹孔和通孔，两孔贯穿两矩形块；标定板(1)正面为标定面，用于布置标定相机的标定控制点(8)；标定板(1)背面开有方形槽，方形槽底面加工有四个具有一定深度的螺纹孔；标定尺有四根，分别为上、下、左、右标定尺(4、5、2、3)，四根标定尺中每一根的一端侧面都加工一个螺纹孔和一个通孔，通过定位销(6)和螺栓(7)分别将上、下、左、右标定尺(4、5、2、3)安装到标定板(1)的上、下、左、右凹槽口中，用于标定相机的标定控制点(8)分别均匀布置在标定板(1)和上、下、左、右标定尺(4、5、2、3)上；
在靶标运动控制器中，圆柱杆(11)为两端带有螺纹的圆形杆件，将圆柱杆(11)一端安装在圆形法兰板(10)中心，圆柱杆(11)另一端安装有金属圆球(12)，金属圆球(12)与转接座(14)以球铰副连接，通过紧定螺钉(13)将金属圆球(12)固定安装在转接座(14)上，转接座(14)安装在支架(15)上；圆形法兰板(10)上加工有四个圆孔，四个圆孔分布于同一圆周上，圆形法兰板(10)中心加工有螺纹通孔；圆形法兰板(10)通过四个内六角螺栓(9)固定在标定板(1)上，即将靶标运动控制器与柔性靶标装配连接在一起。
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