CN108398229A - 一种飞行器三维表面流动分布风洞测量方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器三维表面流动分布风洞测量方法，基于结构光的双目视觉三维点云重建系统和多视角图像获取系统被用于风洞三维流动分布测量。首先利用双目视觉系统对风洞试验模型表面进行三维重构，通过在模型上或者周边布置少量标记点，然后进行点云拼接处理，获得其表面的点云信息。风洞试验中，通过布置多个相机对模型进行多视角拍摄，获得模型不同视角下的表面流动信息，再通过模型或其周边布置的标记点信息，进行图像与三维点云之间的坐标系转换，将二维流动图像映射到三维点云上，从而获得飞行器三维全表面流动分布。

Description

一种飞行器三维表面流动分布风洞测量方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器三维表面流动分布风洞测量方法，是一种用于风洞中测量飞行器三维模型全表面热流、压力或摩阻分布的方法。

背景技术

随着新型飞行器飞行速度和高度的提高，气动参数测量问题越来越重要，急需得到解决。就地面试验而言，能够准确全面地预测飞行器表面气动参数分布显得非常重要。

敏感涂层技术利用敏感材料将模型表面“热流”、“压力”、“摩阻”等物理参数转化为“光”信号进行采集、处理，从而获得高精度试验数据。相比于传统点测量方法，其具有非接触测量、无需在模型表面布置测点和布线、不破坏模型外形、数据量大、效率高等特点，兼具流场显示的优势，成为国内外近年来大力发展的先进试验技术。经过近年来的快速发展，已逐渐应用到一些飞行器气动试验当中，得到了很好的测量结果。尽管如此，目前敏感涂层技术在发展过程中也遇到了一些瓶颈问题：

问题一：只能获得二维流动分布图像，无法获得飞行器三维全表面气动参数数据。对于一些复杂外形飞行器，具有大曲率区域的外形，由于光照及拍摄角度原因，这些区域在图像中的光强呈指数下降，导致其气动参数预测误差较大，甚至有些区域的数据无法使用。

问题二：生产效率低。飞行器研发需要快速高效的风洞试验作为支撑。传统方法，如果想要得到模型全表面的气动数据，至少要进行3次以上试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种飞行器三维表面流动分布风洞测量方法，采用立体视觉技术，有效解决三维测量问题和生产效率低的问题，为飞行器研制提供技术支撑。

本发明采用的技术方案为：

一种飞行器三维表面流动分布测量方法，步骤如下：

(1)在风洞试验模型上喷涂敏感涂层，设置多台观测相机，用于观测模型的上表面、下表面和侧面，并在观测相机旁边布置激发敏感涂层的光源；

(2)设置多个圆形标记点，将标记点随机的粘贴到与风洞试验模型连接的支杆上；

(3)对每一台观测相机进行标定，获得相机的内参数矩阵以及畸变参数，再通过观测相机对试验模型进行同步拍摄得到原始图像；

(4)根据观测相机的内参数矩阵以及畸变参数对原始图像进行校正获得去除畸变的图像；

(5)检测每幅校正后图像上的标记点，得到多组标记点的特征数据；

(6)令所有观测相机同时拍摄棋盘矩阵标定板，提取各观测相机拍摄得到的标定板图像中的特征数据，进而得到各个观测相机的本征矩阵；

(7)根据各个观测相机的本征矩阵，得到观测相机之间的空间位置变换关系，即观测相机三维坐标系，进而得到多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标；

(8)在风洞外，设置两台重建相机，形成双目视觉系统，并对所述重建相机进行立体标定，获得空间上两台重建相机的几何关系，从而获得两台重建相机坐标系之间的变换关系；

(9)通过所述双目视觉系统，重建试验模型的三维云图；

(10)提取重建相机三维坐标系中模型支杆上标记点的三维坐标，与步骤(7)中得到的多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标进行匹配，进行坐标系变换，应用插值映射算法，把观测相机的图像映射到重建相机的三维点云上，获得模型全表面三维流动分布。

所述敏感涂层包括磷光涂层、温敏漆涂层、压敏漆涂层或者剪切敏感液晶涂层。

所述光源包括紫外光源，用于激发磷光涂层、温敏漆涂层或者压敏漆涂层；白光光源，用于激发剪切敏感液晶涂层。

观测相机设置在风洞的观察窗外或者设置在风洞内部。

所述步骤(9)通过所述双目视觉系统，重建试验模型的三维云图，具体为：

(9.1)用结构光发生器将一系列结构光投射在试验模型上，在模型上形成一系列明暗交替的条纹，该条纹被重建相机所摄取并成像，根据条纹变形解算出模型表面相应点的三维坐标；

(9.2)多次改变试验模型的位置，重复步骤(9.1)，得到多个视角的模型表面相应点的三维坐标；

(9.3)将所述多个视角的模型表面相应点的三维坐标进行云拼接，获得模型全表面点云信息，即得到重建相机三维坐标系。

所述模型全表面三维流动分布具体为：

当敏感涂层采用磷光涂层或温敏漆涂层时，三维流动分布为热流分布；当敏感涂层采用压敏漆涂层时，三维流动分布为压力分布；当敏感涂层采用剪切敏感液晶涂层时，三维流动分布为摩擦应力分布。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对模型进行多角度拍摄，将有效拍摄范围覆盖模型的全表面，通过对计算机视觉技术中的立体视觉三维重建以及点云拼接配准等核心技术，解决二维向三维的映射问题，可有效提高在复杂区域的测量精度，并最终得到三维表面复杂热流的精确分布。

(2)本发明通过立体视觉技术，可在一次风洞试验中得到模型全表面的三维流动分布，将试验效率提高2-3倍，大大缩短试验周期，减少试验成本，进一步解决实际生产效率低的问题。

(3)本发明能够适用于低速、亚、跨、超声速、高超声速飞行器，能够适用于磷光热图技术、温敏漆技术、压敏漆技术、液晶摩阻测量技术等基于涂层的风洞面测量技术。

附图说明

图1为三维流动测量流程图。

图2为风洞试验时相机、光源和模型布置图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，步骤如下：

(1)在风洞试验模型上喷涂敏感涂层，设置多台观测相机，观测相机设置在风洞的观察窗外或者设置在风洞内部。用于观测模型的上表面、下表面和侧面，并在观测相机旁边布置激发敏感涂层的光源；如图2所示，1为风洞试验模型，2为视觉平台，3为相机，4为光源。

所述敏感涂层是指某种特殊材料，其光学特性对某些物理参数敏感，比如温敏漆涂层，当其所受温度发生变化时，其受紫外光激发的光强会随之变化。利用这种原理，可以将这种特殊材料制备成涂层均匀喷涂到飞行器模型上，在风洞试验过程中，当流场建立后，模型表面敏感涂层感受流场，会改变其光学特征，通过相机捕获其光学特征变化，则可定量测量模型表面气动参数。所述敏感涂层包括磷光涂层、温敏漆涂层，对温度敏感；压敏漆涂层，对压力敏感；或者剪切敏感液晶涂层，对剪切应力敏感。所述光源包括紫外光源，用于激发磷光涂层、温敏漆涂层或者压敏漆涂层；白光光源，用于照射剪切敏感液晶涂层。

(2)设置多个圆形标记点，标记点可采用贴纸粘贴方式。为不影响试验模型表面数据，将标记点随机的粘贴到与风洞试验模型连接的支杆上，支杆是用于固定和支撑风洞试验模型的装置。标记点相对模型的位置一直保持不变。

(3)应用圆点矩阵标定板对每一台观测相机进行标定，获得相机的内参数矩阵以及畸变参数，再通过观测相机对试验模型进行同步拍摄得到原始图像；

(4)根据观测相机的内参数矩阵以及畸变参数对原始图像进行校正获得去除畸变的图像；

(5)应用Hough变换方法检测每幅校正后图像上的标记点，得到多组标记点的特征数据，即圆心在图像中的坐标；

(6)令所有观测相机同时拍摄圆点矩阵标定板或棋盘矩阵标定板，提取各观测相机拍摄得到的标定板图像中的特征数据，进而得到各个观测相机的本征矩阵；

(7)根据各个观测相机的本征矩阵，计算空间上各观测相机之间的几何关系，即计算观测相机之间的旋转矩阵和平移向量，从而获得两台相机坐标系之间的变换关系，再利用三角测量原理重构三维空间坐标，即观测相机三维坐标系，进而得到多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标；

(8)在风洞外，设置两台重建相机，形成双目视觉系统，并对所述重建相机进行立体标定，应用(6)和(7)方法，获得空间上两台重建相机的几何关系，从而获得两台重建相机坐标系之间的变换关系；

(9)通过所述双目视觉系统，重建试验模型的三维云图；具体为：

(9.1)为提高测量精度，在双目视觉系统拍摄模型时，用结构光发生器将一系列结构光投射在试验模型上，在模型上形成一系列明暗交替的条纹，该条纹被重建相机所摄取并成像，根据条纹在投影在模型上的变形解算出模型表面相应点的三维坐标；

(9.2)在三维点云重建过程中，每次只能重建一个视角的物面点云，多次改变试验模型的位置和姿态，重复步骤(9.1)，得到多个视角的模型表面相应点的三维坐标；

(9.3)在三维点云重建过程中，每次只能重建一个视角的物面点云，为获得模型全表面点云信息，将所述多个视角的模型表面相应点的三维坐标进行点云拼接，获得模型全表面点云信息，即得到重建相机三维坐标系。即在模型表面，或在模型周围，比如支杆上，布置多个圆形或棋盘格标记点，通过特征提取获得标记点坐标，通过标记点坐标对不同角度下的点云进行拼接，获得模型全表面三维点云。

(10)提取重建相机三维坐标系中模型支杆上标记点的三维坐标，与步骤(7)中得到的多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标进行匹配，进行坐标系变换，应用插值映射算法，把观测相机的图像映射到重建相机的三维点云上，获得模型全表面三维流动分布。

当敏感涂层采用磷光涂层或温敏漆涂层时，三维流动分布为热流分布；当敏感涂层采用压敏漆涂层时，三维流动分布为压力分布；当敏感涂层采用剪切敏感液晶涂层时，三维流动分布为摩擦应力分布。

以磷光热图技术为例，其原理是由温度敏感涂层将模型表面的温升信号转换为光强信号输出，再通过测量光强信号的变化反算出温升，进而计算出表面热流分布。试验在FD-20脉冲风洞中进行，试验模型为仿X-33外形，试验工况为马赫数Ma＝8，单位雷诺数Re＝5.2×10⁶/m，基于立体视觉的三维磷光热图测量过程如下：

(1)在仿X-33试验模型上喷涂磷光涂层，在FD-20风洞的左侧、右侧、上方的观察窗外分别布置一台相机，用于观测模型的上表面、下表面和侧面，并在相机旁边布置激发磷光涂层的紫外光源。

(2)在与风洞试验模型连接的圆柱形支杆上定义多个圆形标记点，将标记点随机的粘贴到支杆上。

(3)应用圆点矩阵标定板对每一台观测相机进行标定，获得相机的内参数矩阵以及畸变参数。

(4)根据观测相机的内参数矩阵以及畸变参数对原始磷光图像进行校正获得去除畸变的图像；

(5)三台相机同步拍摄得到模型在相同时刻的磷光图像，应用Hough变换方法检测每幅校正后图像上的标记点，得到多组标记点的特征数据，即圆心在图像中的坐标，得到多对图像特征点坐标。

(6)令所有观测磷光图像的相机同时拍摄圆点矩阵标定板，提取各观测相机拍摄得到的圆点矩阵标定板图像中的特征数据，进而得到各个观测相机的本征矩阵；

(7)根据各个观测相机的本征矩阵，计算空间上各观测相机之间的几何关系，即计算观测相机之间的旋转矩阵和平移向量，从而获得两台相机坐标系之间的变换关系，再利用三角测量原理重构三维空间坐标，即观测相机三维坐标系，进而得到多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标；

(8)在风洞外，设置两台重建相机，形成双目视觉系统，并对所述重建相机进行立体标定，应用(6)和(7)方法，获得空间上两台重建相机的几何关系，从而获得两台重建相机坐标系之间的变换关系；

(9)通过所述双目视觉系统，重建仿X-33试验模型的三维云图；具体为：

(9.1)为提高测量精度，在双目视觉系统拍摄模型时，用结构光发生器将一系列结构光投射在试验模型上，在模型上形成一系列明暗交替的条纹，该条纹被重建相机所摄取并成像，根据条纹在投影在模型上的变形解算出模型表面相应点的三维坐标；

(9.2)在三维点云重建过程中，每次只能重建一个视角的物面点云，多次改变试验模型的位置和姿态，重复步骤(9.1)，得到多个视角的模型表面相应点的三维坐标；

(9.3)在三维点云重建过程中，每次只能重建一个视角的物面点云，为获得模型全表面点云信息，将所述多个视角的模型表面相应点的三维坐标进行点云拼接，获得模型全表面点云信息，即得到重建相机三维坐标系。即在模型表面，或在模型周围，比如支杆上，布置多个圆形或棋盘格标记点，通过特征提取获得标记点坐标，通过标记点坐标对不同角度下的点云进行拼接，获得模型全表面三维点云。

(10)提取重建相机三维坐标系中模型支杆上标记点的三维坐标，与步骤(7)中得到的多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标进行匹配，进行坐标系变换，应用插值映射算法，把观测相机的图像映射到重建相机的三维点云上，最终获得仿X-33外形的三维全表面热流分布数据。

Claims (6)

1.一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)在风洞试验模型上喷涂敏感涂层，设置多台观测相机，用于观测模型的上表面、下表面和侧面，并在观测相机旁边布置激发敏感涂层的光源；

(2)设置多个圆形标记点，将标记点随机的粘贴到与风洞试验模型连接的支杆上；

(3)对每一台观测相机进行标定，获得相机的内参数矩阵以及畸变参数，再通过观测相机对试验模型进行同步拍摄得到原始图像；

(4)根据观测相机的内参数矩阵以及畸变参数对原始图像进行校正获得去除畸变的图像；

(5)检测每幅校正后图像上的标记点，得到多组标记点的特征数据；

(6)令所有观测相机同时拍摄棋盘矩阵标定板，提取各观测相机拍摄得到的标定板图像中的特征数据，进而得到各个观测相机的本征矩阵；

(7)根据各个观测相机的本征矩阵，得到观测相机之间的空间位置变换关系，即观测相机三维坐标系，进而得到多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标；

(8)在风洞外，设置两台重建相机，形成双目视觉系统，并对所述重建相机进行立体标定，获得空间上两台重建相机的几何关系，从而获得两台重建相机坐标系之间的变换关系；

(9)通过所述双目视觉系统，重建试验模型的三维云图；

(10)提取重建相机三维坐标系中模型支杆上标记点的三维坐标，与步骤(7)中得到的多组标记点在观测相机三维坐标系中的三维坐标进行匹配，进行坐标系变换，应用插值映射算法，把观测相机的图像映射到重建相机的三维点云上，获得模型全表面三维流动分布。

2.根据权利要求1所述的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于：所述敏感涂层包括磷光涂层、温敏漆涂层、压敏漆涂层或者剪切敏感液晶涂层。

3.根据权利要求2所述的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于：所述光源包括紫外光源，用于激发磷光涂层、温敏漆涂层或者压敏漆涂层；白光光源，用于激发剪切敏感液晶涂层。

4.根据权利要求1所述的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于：观测相机设置在风洞的观察窗外或者设置在风洞内部。

5.根据权利要求1所述的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于：所述步骤(9)通过所述双目视觉系统，重建试验模型的三维云图，具体为：

(9.1)用结构光发生器将一系列结构光投射在试验模型上，在模型上形成一系列明暗交替的条纹，该条纹被重建相机所摄取并成像，根据条纹变形解算出模型表面相应点的三维坐标；

(9.2)多次改变试验模型的位置，重复步骤(9.1)，得到多个视角的模型表面相应点的三维坐标；

(9.3)将所述多个视角的模型表面相应点的三维坐标进行云拼接，获得模型全表面点云信息，即得到重建相机三维坐标系。

6.根据权利要求2所述的一种飞行器三维表面流动分布测量方法，其特征在于：所述模型全表面三维流动分布具体为：

当敏感涂层采用磷光涂层或温敏漆涂层时，三维流动分布为热流分布；当敏感涂层采用压敏漆涂层时，三维流动分布为压力分布；当敏感涂层采用剪切敏感液晶涂层时，三维流动分布为摩擦应力分布。