CN108507754B - 抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，包括如下步骤：在试验模型上喷涂形成圆形荧光标记点，采用紫光照明，激发荧光标记点发出绿光；用装有绿光带通滤光片的相机采集试验模型运动至指定迎角αi时对应荧光标记点图像G’αi，计算G’αi中各个圆形荧光标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标，解算各截面的弯曲与扭转变形。与现有技术相比，本发明的积极效果是：既确保试验模型在其整个姿态变化过程中，标记点不受眩光与镜面成像干扰，又确保相机标定光照环境与试验时光照环境的一致性，提升风洞试验模型弹性变形视频测量的精准度和可靠性，具有巨大的工程应用前景。

Description

抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法
技术领域
本发明属于基于机器视觉和摄影测量的风洞试验技术领域，具体涉及一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法。
背景技术
风洞试验中模型及其支撑系统在气动载荷作用下会发生弹性变形。如2.4米跨声速风洞试验时模型承受的气动载荷高达数吨，即使是高强度钢制的机翼也会发生明显弹性变形，而大量研究表明：转捩、分离以及激波/边界层干扰等复杂的流动现象对形状变化非常敏感，模型形状细微的变化可能导致气动特性产生较大变化。
因此，准确测量试验模型的扭转和弯曲变形，掌握实测气动数据与其试验模型气动外形间的对应关系，是风洞试验数据实现模型弹性影响修正的前提，也是基于试验数据验证CFD数值模拟结果的必然要求。
鉴于视频测量(Videogrammetric Measurement，VM)技术对试验模型设计无特殊要求，仅需在试验模型上粘印标记点，即可利用共线方程求解标记点的三维坐标，进而获得试验模型的扭转和弯曲变形数据，因此，受到国内外风洞试验机构的青睐。
但按照风洞模型设计规范(GJB569-88和GJB180-86)，国外常规高速风洞试验模型表面粗糙度一般取Ra＝0.4～0.8微米。如图1所示，飞行器试验模型总装后其光泽度一般达到镜面反光水准，导致模型在如图2所示的光照环境下必然出现眩光现象和镜面成像干扰，而且，眩光位置和镜面成像干扰位置随试验模型的姿态改变而变化，当标记点处出现眩光现象，轻则降低标记点三维坐标的视频测量精准度，重则使图像算法无法准确检测出标记点，导致测量失败。
虽然Optotrak光学商用测量系统采用主动发光方式，可解决眩光现象和镜面成像干扰问题，但需要在试验模型上平齐嵌装主动发光MARKER点，既破坏模型的外形，又必须在试验模型上开孔布线为MARKER点供电，导致模型设计与制造困难，且造价高。另一方面，因Optotrak外形尺寸长达1米，3个线阵CCD间距达0.45米，测量物体必须置于离Optotrak1.5米到6米以内，导致现有的高速风洞的观察窗很难具备测量条件。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，通过在模型表面喷涂圆形荧光材料标记点，利用紫外光激发荧光材料标记点发出绿光，再通过相机镜头前的(绿光带通)滤光片消除紫外光产生的眩光现象，确保试验模型在其整个姿态变化过程中，标记点不受眩光现象影响，提升风洞试验模型弹性变形视频测量的精准度，具有巨大的工程应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，包括如下步骤：
步骤一、采用绿色荧光喷漆在试验模型上喷涂形成圆形荧光标记点；
步骤二、在地面实验室，采用紫光照明，并利用在镜头前安装有绿光带通滤光片的相机采集圆形荧光标记点的图像，得到各个圆形荧光标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标；
步骤三、将试验模型安装在风洞中，再打开风洞试验模型弹性变形视频测量系统的紫光光源，并在风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机镜头前安装绿光带通滤光片；
步骤四、对风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机内外参数进行标定；
步骤五、风洞试验时，依次将试验模型运动至指定迎角αi并利用步骤三的相机采集αi对应荧光标记点图像G’αi；
步骤六、利用步骤四得到的相机内外参数、给定αi时对应的荧光标记点图像G’αi，计算G’αi中标记点的三维坐标；
步骤七、利用步骤六计算得到的荧光标记点的三维坐标，计算各截面的弯曲与扭转变形。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明提出抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，消除了传统方法因试验模型镜面反射所致的眩光和镜面成像干扰，可确保试验模型在其整个姿态变化过程中，标记点不受眩光和镜面成像干扰，提升风洞试验模型弹性变形视频测量的精准度，具有巨大的工程应用前景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是风洞试验模型的眩光与镜面成像干扰图；
图2是风洞试验模型弹性变形视频测量示意图；
图3是喷涂的圆形荧光标记点示意图；
图4为相机的结构示意图。
具体实施方式
一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，包括如下内容：
1、如图3所示，采用绿色的荧光喷漆，在试验模型上喷涂圆形荧光标记点，喷涂厚度为10微米，要求所有荧光标记点在图1所示的相机中成像图像，至少包含30个像素；要求每列标记点位于的截面(即用与xoz坐标轴平面平行的平面，沿翼展方向切割机翼而成的截面)与X轴平行；其中标记点位于中性轴对应的翼表面上，用于测量弯曲变形；机翼的前缘的标记点和对应后缘标记点 用于测量扭转变形。
2、在地面实验室，采用紫光照明(一般用365纳米波长的紫光灯)，并按照图3方式在相机镜头前安装(绿光带通)滤光片，采集圆形荧光标记点图像；利用成熟的机器视觉和摄影测量方法或商业软件(如德国GOM的摄影测量软件)，得到图1和图2所示各个荧光标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标。
3、在风洞中，将图2所示的紫光光源打开，按照图4方式，在图2的相机镜头前安装(绿光带通)滤光片；将试验模型安装在风洞中。
4、将试验的姿态运动范围按升序排序得到{α1，α2，…，αn}，考虑到试验时气动力导致的弹性变形，将姿态运动范围扩展为{α0，α1，α2，…，αn，αn+1}，其中α0＝α1-2度，αn+1＝αn+3度。
5、风洞试验现场的相机内外参数标定。试验前，先启动迎角机构，按照{α0，α1，α2，…，αi，…，αn，αn+1}顺序；依次将试验模型运动至指定迎角αi并控制图1的相机采集αi对应荧光标记点图像Gαi，得到{Gα0，Gα1，Gα2，…，Gαi，…，Gαn，Gαn+1}；利用第二步测得的标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标，计算图2的相机内参数；通过试验模型迎角为零时的荧光标记点图像G0，计算图2的相机的外参数。
6、试验时，依次将试验模型运动至指定迎角αi并控制图1的相机采集αi对应荧光标记点图像G’αi，得到{G’α1，G’α2，…，G’αi，…，G’αn}。
7、利用第五步得到的相机内外参数、给定αi时对应的荧光标记点图像G’αi，利用成熟的机器视觉和摄影测量方法或商业软件(如德国GOM的摄影测量软件)，可以得到G’αi中标记点的三维坐标。
8、利用荧光标记点的三维坐标，计算各截面的弯曲与扭转变形。计算第j个截面标记点弯曲与扭转变形的方法如下：
由于机身刚度很大，与机身连接的翼根部的第1个截面基本不发生弯曲与扭转变形，故将其作为计算第j个截面弯曲与扭转变形的基准。设G’αi中第j个截面(即第j列)中性轴上的标记点为第1个截面中性轴上的标记点为则第j个截面弯曲变形
式中表示点的Z坐标，表示点的Z坐标，表示点的Z坐标，表示点的Z坐标。
第j个截面扭转变形为
式中
其中，与为G’αi中第j列荧光标记点与在xoz平面上的投影点，与为G0中第j列荧光标记点与在xoz平面上的投影点。
本发明的工作原理为：与现有的风洞试验模型弹性变形光学测量方法不同，本发明通过在模型表面喷涂10微米厚的圆形荧光材料标记点，利用紫外光激发荧光材料，使标记点发出绿光，再经装有(绿光带通)滤光片的相机成像，消除传统方法因试验模型镜面反射所致的眩光与镜面成像干扰；同时，利用风洞迎角机构变换荧光标记点与相机的视角关系，获得测量空间内的多视角荧光标记点图像，在风洞试验现场完成相机内外参数的标定，既确保试验模型在其整个姿态变化过程中，标记点不受眩光与镜面成像干扰，又确保相机标定光照环境与试验时光照环境的一致性，以提升风洞试验模型弹性变形视频测量的精准度和可靠性。

Claims (5)

1.一种抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、采用绿色荧光喷漆在试验模型上喷涂形成圆形荧光标记点；
步骤二、在地面实验室，采用紫光照明，并利用在镜头前安装有绿光带通滤光片的相机采集圆形荧光标记点的图像，得到各个圆形荧光标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标；
步骤三、将试验模型安装在风洞中，再将风洞试验模型弹性变形视频测量系统的光源换成紫光光源，并在风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机镜头前安装绿光带通滤光片；
步骤四、对风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机内外参数进行标定；
步骤五、风洞试验时，依次将试验模型运动至指定迎角αi并利用步骤三的相机采集αi对应荧光标记点图像G’αi，得到{G’α1，G’α2，…，G’αi，…，G’αn}；
步骤六、利用步骤四得到的相机内外参数、给定αi时对应的荧光标记点图像G’αi，计算G’αi中标记点的三维坐标；
步骤七、利用步骤六计算得到的荧光标记点的三维坐标，计算各截面的弯曲与扭转变形。
2.根据权利要求1所述的抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，其特征在于：所述喷涂厚度为10微米，所有荧光标记点在风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机中成像图像至少包含30个像素；每列标记点位于的截面与X轴平行。
3.根据权利要求2所述的抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，其特征在于：步骤二所述紫光照明采用365纳米波长的紫光灯进行照明。
4.根据权利要求3所述的抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，其特征在于：步骤四所述对风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机内外参数进行标定的方法为：
设位于中性轴对应的翼表面上的标记点为位于机翼的前缘的标记点为位于机翼的后缘的标记点为设试验的姿态运动范围按升序排序为{α1，α2，…，αn}，
(1)将试验的姿态运动范围扩展为{α0，α1，α2，…，αn，αn+1}，其中α0＝α1-2度，αn+1＝αn+3度；
(2)试验前，先启动迎角机构，按照{α0，α1，α2，…，αi，…，αn，αn+1}的顺序，依次将试验模型运动至指定迎角αi，并利用步骤三的相机采集αi对应荧光标记点图像Gαi，得到{Gα0，Gα1，Gα2，…，Gαi，…，Gαn，Gαn+1}；
(3)利用步骤二得到的各个圆形荧光标记点在风洞坐标系oxyz下的三维坐标和{Gα0，Gα1，Gα2，…，Gαi，…，Gαn，Gαn+1}，标定风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机内参数；
(4)通过试验模型迎角为零时的荧光标记点图像G0，计算风洞试验模型弹性变形视频测量系统的相机的外参数。
5.根据权利要求4所述的抗眩光的风洞试验模型弹性变形视频测量方法，其特征在于：步骤七、利用荧光标记点的三维坐标，计算第j个截面标记点弯曲与扭转变形的方法如下：
将与机身连接的翼根部的第1个截面作为基准，设G’αi中第j个截面中性轴上的标记点为第1个截面中性轴上的标记点为则第j个截面弯曲变形
式中表示点的Z坐标，表示点的Z坐标，表示点的Z坐标，表示点的Z坐标；
第j个截面扭转变形为
式中
其中，与为G’αi中第j列荧光标记点与在xoz平面上的投影点，与为G0中第j列荧光标记点与在xoz平面上的投影点。
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