CN105423954A - 一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，步骤包括：安装系统、制作散斑、对系统进行标定、获取喷管型面、得到的柔板三维型貌信息，将喷管理论气动型面和三维型貌信息在同一坐标系下进行对比，获得两者之间误差函数、以误差函数绝对值的积分最小作为性能指标，运用最优控制原理调节电动推杆协调动作。本发明可以实时获得柔壁喷管内表面在调整过程中的精确的型面数据，为进一步合理解释柔壁喷管的风洞实验结果提供可靠依据。本技术是一种非接触的光学测量方法，不会对柔壁喷管及流场产生任何干扰等优势。另外由于本方法系统需求简单，操作简便以及成本较低等易于推广使用。

Description

一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别是一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法。

背景技术

在空气动力学的风洞试验中，采用技术更先进的柔壁喷管代替固块喷管，具有较宽的马赫数调节范围，并可得到较好的流场品质，能够大幅提高风洞试验的柔性和效率，降低风洞的试验费用。这里的柔壁喷管指的是多支点全挠性喷管，为二维形状，左右侧壁板平行，柔板上下对称布置。柔板由喷管进口端一直延伸到喷管出口端并加以固定，在入口端可以滑动以适应柔板弯曲时长度和斜率的变化。在柔板的背气流面上布置许多铰链支撑点并与执行机构相连，通过控制执行机构的行程来控制柔板的弯曲形状使之与喷管理论气动型面吻合，以得到不同试验马赫数的喷管型面，保证试验要求的马赫数和气流型面吻合，并且在风洞运行时应使柔板在气动载荷的作用下其弹性曲面的斜率变化最小，以保证在试验段内得到所要求的马赫数的均匀流场。

从多支点柔壁喷管的运动特点来看，柔壁喷管是个多刚体和柔性体组成的复杂多体系统，该机构动力学属于刚柔耦合系统动力学范畴，准确求解这类多体系统的运动学问题需要合理处理刚体运动和柔性体弹性变形的关系。执行机构在运动至相对应的行程，柔壁喷管型面改变后，需要有一套非常精确的柔板型面的测量系统，使之更加直观的反映出柔板的弯曲形状是否与喷管理论气动型面吻合。

现有柔壁喷管型面测量技术

1、激光跟踪测量技术，此类测量采用过截面测量方式，首先建立测量坐标系，设定测量用的截面(风洞中采用沿气流方向的纵截面)，然后再被测面上沿截面两侧来回移动靶球，通过界面的数据将被采集下来，然后进行排序、曲线拟合、偏移、插值等处理得到型面测量结果。

此类方法不足：此类方法须考虑误差较多，误差分析需考虑仪器误差、靶球球度误差、靶球球心误差和数据处理误差，如有转站还要考虑转站误差。由于是截面测量方式，所以并不适用于面实时测量的应用场合。

2、其他可能测量方法例如三坐标机测量法，此种方法测量精度较高，能达到微米量级，但需要接触被测物体，可能会对被测物产生一定的损伤，而且属于离线测量，不能在线实时反馈柔壁喷管型面的变化信息。

发明内容

针对所提到的问题，本发明提供了一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，步骤包括：

1)在柔壁喷管的被测柔性壁板的左右两侧各设置一台高成像精度的摄像机，使得所述柔壁喷管的被测柔性壁板在调整位置前和调整位置后均分别完全清晰成像在两台所述摄像机的有效视场范围内；

2)在所述被测柔性壁板的表面上设置无规则的散斑；

3)采用二维标定法计算两台所述摄像机的参数；

4)通过两台所述摄像机分别拍摄的所述被测柔性壁板的图像，并对相应区域进行散斑计算，匹配出两幅图像中各点相对应的位置坐标，根据所述图像中的位置坐标和已经得到的所述摄像机的参数，求出所述被测柔性壁板的图像的各点在世界坐标系中的位置坐标；

5)将由所述被测柔性壁板的三维型貌与喷管理论气动型貌在同一坐标系下进行对比，获得两者之间误差函数；

6)以所述柔壁喷管的端点作为约束，调节布置在所述被测柔性壁板上的多对电动推杆的支撑位置，以使所述误差函数绝对值的积分达到最小。

优选方案是：所述步骤3)包括：将二维标定靶精确的安装在所述被测柔性壁板上或者已知距离的附近，作为标定物，从不同角度拍摄若干张模板图象，检测出图象中的特征点，估算理想无畸变的情况下，计算出包含五个内参和所有外参的系数矩阵。

优选方案是：在所述被测柔性壁板上布置6对电动推杆。

优选方案是：所述步骤3)包括：通过计算机配合同步装置驱动所述两台摄像机对被测柔壁喷管的柔性壁板同时成像，将采集同一时刻的图像相应像点进行匹配计算，从而得到两台摄像机图像的各对应点的坐标。

优选方案是：所述散斑的厚度为0.01㎜。

本发明的有益效果：

1.本发明是一种非接触的快速在线光学测量方法，不会对柔壁喷管产生任何干扰或者破坏；

2.本发明测量范围较广，属于面测量；

3.本发明由于系统需求简单，所以成本相对较低；

4.本发明测量出的结果可以作为型面执行机构驱动力控制的反馈，进而可以为柔壁喷管设计和改进提供可靠的数据支持。

附图说明

图1为本发明在模型中的装配示意图；

图2为本发明获取摄像机参数原理图。

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。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供了一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，步骤包括：

1)在柔壁喷管的被测柔性壁板的左右两侧各设置一台高成像精度的摄像机，使得所述柔壁喷管的被测柔性壁板在调整位置前和调整位置后均分别完全清晰成像在两台所述摄像机的有效视场范围内；

2)在所述被测柔性壁板的表面上设置无规则的散斑；

3)采用二维标定法计算两台所述摄像机的参数；

4)通过两台所述摄像机分别拍摄的所述被测柔性壁板的图像，并对相应区域进行散斑计算，匹配出两幅图像中各点相对应的位置坐标，根据所述图像中的位置坐标和已经得到的所述摄像机的参数，求出所述被测柔性壁板的图像的各点在世界坐标系中的位置坐标；

5)将由所述被测柔性壁板的三维型貌与喷管理论气动型貌在同一坐标系下进行对比，获得两者之间误差函数；

6)以所述柔壁喷管的端点作为约束，调节布置在所述被测柔性壁板上的多对电动推杆的支撑位置，以使所述误差函数绝对值的积分达到最小。

优选方案是：所述步骤3)包括：将二维标定靶精确的安装在所述被测柔性壁板上或者已知距离的附近，作为标定物，从不同角度拍摄若干张模板图象，检测出图象中的特征点，估算理想无畸变的情况下，计算出包含五个内参和所有外参的系数矩阵。

优选方案是：在所述被测柔性壁板上布置6对电动推杆。

优选方案是：所述步骤3)包括：通过计算机配合同步装置驱动所述两台摄像机对被测柔壁喷管的柔性壁板同时成像，将采集同一时刻的图像相应像点进行匹配计算，从而得到两台摄像机图像的各对应点的坐标。

优选方案是：所述散斑的厚度为0.01㎜。

本发明的主要工作原理如下：

基于视觉的柔壁喷管测量方法是依据双目视觉的原理而测量得到柔壁喷管的面型信息。第一步是安装系统，第二步是在柔板表面制作散斑，第三步对测量系统进行标定，二维标定靶是一个人工定标物体，平面上有已知二维坐标的特征点。让两个相机同时对标定靶成像，根据右手定则建立空间直角坐标，此坐标系与计算喷管理论气动型面时所用坐标系为同一坐标系，在两个相机所成的像中准确找到特征点的对应图像特征点坐标，建立摄像机图像像素位置与场景点位置之间的关系，根据摄像机模型，由已知标定靶的图像坐标求解摄像机的内外参数，最后再对校准矩阵进行优化处理，确保重建的准度和精度都达到相当的水平。第四步再在同一状态下对被测柔板成像获得数字图像，通过相关算法匹配出相应像点，从而计算出视差，进而重建出柔壁喷管的三维面型信息，第五步同时在计算机上将测量出的柔壁喷管三维型面与喷管理论气动型面进行对比，获得两者之间误差函数，第六步以布置在柔壁喷管上下的6对电动推杆支撑点位置变化作为输入，以柔壁喷管端点作为约束，以误差函数绝对值的积分最小作为性能指标，运用最优控制原理调节电动推杆协调动作，直到柔壁喷管的面型达到预期目标。

实施例

柔壁喷管为上下完全对称的结构，所以下面仅以柔壁的上柔板测量为例进行阐述：

系统包括两个相机、同步装置、采集处理计算机；计算机配合同步装置驱动两个相机对被测柔板型面同时成像，将采集同一时刻的图象相应像点进行匹配计算，从而得到两个相机图像的各对应点的坐标，再根据相机标定得到的相机系数矩阵对各坐标值进行三维重建。同时可根据重建信息与喷管理论计算结果进行比对，用以驱动执行机构动作。

具体步骤如下：

第一步是安装系统；将两个高成像精度的摄像机对称布置于被测柔性壁板左右两侧，精确调节摄像机的位置和状态，使得柔壁喷管的上柔板能够分别完全清晰成像在两个摄像机的有效视场范围内。同时也必须确保调整后被测柔壁喷管的型面能够被相机清晰成像。

第二步是制作散斑；在上柔板的表面制作一层很薄的(厚度约0.01mm，对测量型面的影响可忽略不计)无规则的散斑，作为被测量型面的标记点，待测量完成后用酒精或丙酮擦除即可。

第三步是对系统进行标定；将二维标定靶精确的安装在柔板上或者已知距离的附近，作为标定物，从不同角度拍摄若干张模板图象，检测出图象中的特征点，估算理想无畸变的情况下，计算出系数矩阵K，(K包含五个内参和所有外参)，应用最小二乘法估算实际存在径向畸变下的畸变系数，极大似然法优化估计，提高估计精度，如图2所示。

$\tilde{M}={\left[\begin{array}{ccc}X& Y& 1\end{array}\right]}^T$ 为模板平面上点齐次坐标，为 $\tilde{m}={\left[\begin{array}{ccc}u& v& 1\end{array}\right]}^T$ 模板平面上点投影到图象平面上对应点的齐次坐标[r₁r₂r₃]和t分别是摄像机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量。

H＝[h₁h₂h₃]＝λK[r₁r₂t] $r_1=\frac{1}{\mathrm{\λ}}{K}^{-1}{h}_1,r_2=\frac{1}{\mathrm{\λ}}{K}^{-1}{h}_2$

根据旋转矩阵的性质，即r₁ ^Tr₂＝0和||r₁||＝||r₂||＝1，每幅图象可以获得以下两个对内参数矩阵的基本约束：

$h_1^T{K}^{-T}{K}^{-1}{h}_2=0$

$h_1^T{K}^{-T}{K}^{-1}{h}_1=h_2^T{K}^{-T}{K}^{-1}{h}_2$

由于摄像机有5个未知内参数，所以当所摄取得的图象数目大于等于3时，就可以线性唯一求解出K。

第四步是获取喷管型面，用两个相机分别对柔壁喷管的上柔板表面进行成像，对相应区域进行散斑计算，匹配出两幅图像中各点相对应的位置坐标，根据图像中的位置坐标和已经得到的摄像机参数来求解出柔板表面在世界坐标系中的位置坐标，即表面点的图像平面坐标得出该点在相机坐标系中的三维坐标点,进而得到世界坐标，当然这个过程中也需要对成像后的柔板边界进行识别，剔除掉无用信息。最后进行柔板的三维重建，从而得到三维面型信息。

第五步利用第四步得到的柔板三维型貌信息，将喷管理论气动型面和三维型貌信息在同一坐标系下进行对比，获得两者之间误差函数。

第六步以布置在柔壁喷管上下的6对电动推杆支撑点位置变化作为输入，以柔壁喷管端点作为约束，以误差函数绝对值的积分最小作为性能指标，运用最优控制原理调节电动推杆协调动作。

循环的实施第四到第六步，控制喷管柔板得到统计意义上最为接近理想喷管的型面，实现调节喷管马赫数的目的。

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。

Claims (8)

1.一种基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，步骤包括：

1)在柔壁喷管的被测柔性壁板的左右两侧各设置一台高成像精度的摄像机，使得所述柔壁喷管的被测柔性壁板在调整位置前和调整位置后均分别完全清晰成像在两台所述摄像机的有效视场范围内；

2)在所述被测柔性壁板的表面上设置无规则的散斑；

3)采用二维标定法计算两台所述摄像机的参数；

4)通过两台所述摄像机分别拍摄的所述被测柔性壁板的图像，并对相应区域进行散斑计算，匹配出两幅图像中各点相对应的位置坐标，根据所述图像中的位置坐标和已经得到的所述摄像机的参数，求出所述被测柔性壁板的图像的各点在世界坐标系中的位置坐标；

5)将由所述被测柔性壁板的三维型貌与喷管理论气动型貌在同一坐标系下进行对比，获得两者之间误差函数；

6)以所述柔壁喷管的端点作为约束，调节布置在所述被测柔性壁板上的多对电动推杆的支撑位置，以使所述误差函数绝对值的积分达到最小。

2.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，所述步骤3)包括：将二维标定靶精确的安装在所述被测柔性壁板上或者已知距离的附近，作为标定物，从不同角度拍摄若干张模板图象，检测出图象中的特征点，估算理想无畸变的情况下，计算出包含五个内参和所有外参的系数矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，在所述被测柔性壁板上布置6对电动推杆。

4.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，所述步骤3)包括：通过计算机配合同步装置驱动所述两台摄像机对被测柔壁喷管的柔性壁板同时成像，将采集同一时刻的图像相应像点进行匹配计算，从而得到两台摄像机图像的各对应点的坐标。

5.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，所述散斑的厚度为0.01㎜。

6.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，所述散斑为可擦除式散斑。

7.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，根据最小二乘法计算畸变系数。

8.根据权利要求1所述的基于视觉测量的柔壁喷管的测量方法，其特征在于，在所述步骤4)中，需要对成像后的所述柔壁喷管的柔性壁板边界进行识别，剔除掉无用信息。