CN107389293B - 一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，包括以下步骤：用三维激光扫描仪扫描风洞收缩段内型面获取点云数据；在计算机中将点云数据的坐标转换到收缩段内型面模型所在坐标系；对风洞收缩段内型面的点云数据和预先设计的收缩段内型面模型进行剖切，利用点云坐标和已知标准曲线拟合出风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程；计算风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线上的每个点到收缩段内型面模型与剖切面的相交线的最短距离，取其中最大值与最大允许偏差值进行比较。本发明可实现风洞收缩段内型面曲面误差的全范围检测，避免抽样检测方法中的漏检，且为后续对风洞收缩段内型面曲面的修补提供准确的依据。

Description

一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术中的风洞技术领域，具体为一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法。
背景技术
风洞，是指能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，物体的作用以及观察物理现象的一种管道实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。实验时，常将模型或实物固定在风洞内反复地、经济地取得实验数据，为使实验结果准确，实验时的流动必须与实际流动状态相似，即必须满足相似律的要求，但由于风洞尺寸和动力的限制，在一个风洞中同时模拟所有的相似参数很困难。而收缩段是构成风洞的重要部段，截面形式沿曲线逐渐收缩，内部流场变化复杂，其内表面的质量和精度是影响风洞内模拟风场品质的重要因素，其内型面偏差过大会增加型面对风场气流的影响，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，对风洞内收缩段内型面曲面误差具有很高的要求。
根据国军标《常规风洞安装工程施工及验收规范》，对于风洞曲面的检测主要采用弦长不小于1.5m的样板对曲面进行检测，上述检测方法必须由检测人员用检测工具对被检测表面进行接触式检测，人力需求大，位置较高的被检测区域需要检测平台辅助检测，检测效率低。一般在风洞结构中存在较多的收缩段，传统的测量技术耗人耗时，且无法实现收缩段异形内型面的大范围高效精确地检测。
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。对获取的点云数据进行处理，可得到物体的完整空间几何尺寸和特征参数，结合点云和标准模型信息，可实现相关技术分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其可实现风洞收缩段内型面曲面误差的全范围检测，避免抽样检测方法中可能漏检曲面误差过大部位的问题，而且可通过点云坐标准确定位检测位置，为后续对风洞收缩段内型面曲面误差不符合标准的区域进行修补提供准确的依据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，
包括如下步骤：
a.用三维激光扫描仪扫描风洞收缩段内型面，获取风洞收缩段内型面的点云数据；
b.在计算机中将风洞收缩段内型面的点云数据的坐标转换到预先设计的收缩段内型面模型所在坐标系；
c.顺风洞收缩段轴线方向，对风洞收缩段内型面的点云数据和预先设计的收缩段内型面模型进行剖切，剖切面垂直于预先设计的收缩段内型面曲面(收缩曲面模型)的准线，在剖切面上可获得风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线和预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线，利用点云坐标和预先设计的收缩段内型面的标准曲线（已知标准曲线）拟合出风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程；
d.计算风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线上的每个点到预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线的最短距离，比较各最短距离值，取其中最大值为该次剖切抽样检测的偏差值；
e.对比判断抽样检测的偏差值是否大于最大允许偏差值，如果抽样检测的偏差值不大于最大允许偏差值，则该次剖切抽样检测位置处的内型面成型精度合格，否则不合格。
进一步的，重复步骤c～e，直到完成对收缩段内型面的点云数据的剖切抽样检测，获得规定数量和位置的抽样检测结果。
进一步的，步骤a的具体操作为：将三维激光扫描仪置于风洞收缩段内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光沿风洞收缩段轴线方向扫描其内表面，获取风洞收缩段内表面的点云数据并通过三维激光扫描仪接收器接收。
进一步的，所述三维激光扫描仪为相位式三维激光扫描仪。
进一步的，步骤b中预先设计的收缩段内型面模型为风洞建筑信息模型（BIM）。
进一步的，步骤c中拟合风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程采用最小二乘法。
进一步的，在风洞内表面材质为水磨石材质或水泥砂浆。
本发明相较于现有技术所具有的优势在于：
本发明检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法利用了三维激光扫描仪能够高效率、高精度获取内表面大量空间点坐标信息的优势，将实际收缩段曲面信息以点云的形式复制到计算机中，通过分析曲面点云数据实现风洞收缩段内型面曲面误差的检测；同时其可实现收缩段曲面的全范围检测，避免抽样检测方法可能漏检曲面误差过大部位的问题，而且可通过点云坐标准确定位检测位置，为后续对风洞收缩段内型面曲面误差不符合标准的区域进行修补提供准确的依据，从而使风洞收缩段曲面满足设计要求，提高了风洞实验时模拟风场的品质。
附图说明
图1是本发明实施例1检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法的流程图；
图2为三维激光扫描仪扫描获取的风洞收缩段点云变换到同一坐标系中的示意图；
图3为垂直于预先设计的风洞收缩段内型面曲面的准线的剖切示意图；
图4为剖切后获得的收缩段点云与剖切面的相交线示意图。
附图标记：
1.剖切面；2.风洞收缩段内型面曲面的准线；3. 收缩段内型面模型与剖切面的相交线；4.风洞收缩段。
具体实施方式
实施例1
一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，
包括如下步骤：
a.用三维激光扫描仪扫描风洞收缩段内型面，获取风洞收缩段内型面的点云数据：具体过程为将三维激光扫描仪置于风洞收缩段内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光扫描风洞内表面，获取风洞内表面的点云数据通过三维激光扫描仪接收器接收；三维激光扫描仪优选为相位式三维激光扫描仪。
b.如图2所示，在计算机中将风洞收缩段内型面的点云数据的坐标转换到预先设计的收缩段内型面模型所在坐标系；
c.如图3所示，顺风洞收缩段4轴线方向，对风洞收缩段内型面的点云数据和预先设计的收缩段内型面模型进行剖切，剖切面1垂直于预先设计的风洞收缩段内型面曲面(收缩曲面模型)的准线2，在剖切面1上可获得风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线和预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线3，利用点云坐标和预先设计的收缩段内型面的标准曲线（该标准曲线为已知标准曲线）拟合出风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线（图4）的曲线方程；
d.计算风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线上的每个点到预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线的最短距离，比较各最短距离值，取其中最大值为该次剖切抽样检测的偏差值；
e.对比判断抽样检测的偏差值是否大于最大允许偏差值，如果步骤d检测出的偏差值不大于最大允许偏差值，则该次剖切抽样检测位置处的内型面成型精度合格，否则不合格；
重复步骤c～e，直到完成对收缩段内型面的点云数据的剖切抽样检测，获得规定数量和位置的抽样检测结果。即如果所有检测结果均合格，即认为该被检测风洞内表面全面平整度合格，否则，不合格。
下面，通过一个具体的例子对上述步骤进行详细说明。
如图1所示，本发明所述方法的检测对象为材质为水磨石的风洞收缩段内表面，具体检测方法如下：
步骤S001，通过相位式三维激光扫描仪对风洞收缩段内表面进行三维扫描，获取被测内表面的点云数据；
步骤S002，在计算机中将风洞收缩段内型面的点云数据的坐标转换到预先设计的收缩段内型面模型所在坐标系，确定待检测点云数据中的一个点位置，坐标为，M为待检测位置个数，初始化变量j =1；
步骤S003，顺风洞收缩段轴线方向，对过检测点的风洞收缩段内型面的点云数据和预先设计的收缩段内型面模型进行剖切，剖切面垂直于预先设计的风洞收缩段内型面曲面(收缩曲面模型)的准线，在剖切面上可获得风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线和预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线，利用点云坐标和已知预先设计的收缩段内型面的标准曲线拟合出风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程。
提取剖切点云模型后剖切线点集的坐标，假设提取的点集共有N个点，并根据所提取点集的坐标拟合曲线方程，具体拟合算法如下：
已知预先设计的标准收缩曲线方程为，则选择剖切位置处收缩曲线的回归曲线方程为。设剖切位置点云上的点为，坐标分别为,，N为剖切线点个数，则点与拟合曲线之间的标准偏差为：
采用最小二乘原理计算标准偏差平方和的最小值：
即可求得参数a与b，得到剖切位置处收缩曲线的拟合方程。
步骤S004，计算风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线上的每个点到预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线的最短距离，比较各最短距离值，取其中最大值为该次剖切抽样检测的偏差值；
步骤S005，对比判断检测出的偏差值是否大于最大允许偏差值；
步骤S006，如果检测出的偏差值不大于最大允许偏差值，则该次剖切抽样检测位置处的内型面成型精度合格；
步骤S007，如果检测出的偏差值大于最大允许偏差值，则该次剖切抽样检测位置处的内型面成型精度不合格；
步骤S008，j=j+1，判断变量j是否大于M；
步骤S009，如果j<M则返回到步骤S003，进行下一区域检测；
步骤S010，如果j>M则表明步骤S005检测位置为最后一个检测区域，则检测程序结束，得到风洞内收缩段曲面的全面检测结果；
其中，需要说明的是，本发明所检测的风洞内表面的材质不限于水磨石，还包括例如水泥砂浆等材质，上述实施例的风洞内表面材质仅是对本发明的一个举例，并不能限制本发明中风洞内表面材质。
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 (7)

1.一种检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：
包括如下步骤：
a.用三维激光扫描仪扫描风洞收缩段内型面，获取风洞收缩段内型面的点云数据；
b.在计算机中将风洞收缩段内型面的点云数据的坐标转换到预先设计的收缩段内型面模型所在坐标系；
c.顺风洞收缩段轴线方向，对风洞收缩段内型面的点云数据和预先设计的收缩段内型面模型进行剖切，剖切面垂直于预先设计的收缩段内型面曲面的准线，在剖切面上可获得风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线和预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线，利用点云坐标和预先设计的收缩段内型面的标准曲线拟合出风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程；
d.计算风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线上的每个点到预先设计的收缩段内型面模型与剖切面的相交线的最短距离，比较各最短距离值，取其中最大值为该次剖切抽样检测的偏差值；
e.对比判断抽样检测的偏差值是否大于最大允许偏差值，如果抽样检测的偏差值不大于最大允许偏差值，则该次剖切抽样检测位置处的内型面成型精度合格，否则不合格。
2.根据权利要求1所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：重复步骤c～e，直到完成对收缩段内型面的点云数据的剖切抽样检测，获得规定数量和位置的抽样检测结果。
3.根据权利要求1所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：步骤a的具体操作为：将三维激光扫描仪置于风洞收缩段内部，使三维激光扫描仪的激光发射器发射的激光沿风洞收缩段轴线方向扫描其内表面，获取风洞收缩段内型面的点云数据并通过三维激光扫描仪接收器接收。
4.根据权利要求3所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：所述三维激光扫描仪为相位式三维激光扫描仪。
5.根据权利要求1所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：步骤b中预先设计的收缩段内型面模型为风洞建筑信息模型。
6.根据权利要求1所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：步骤c中拟合风洞收缩段内型面点云与剖切面的相交线的曲线方程采用最小二乘法。
7.根据权利要求1所述的检测风洞收缩段内型面曲面误差的方法，其特征在于：风洞内型面材质为水磨石材质或水泥砂浆。
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