CN109211515B - 风洞试验模型姿态标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞模型姿态标定装置及标定方法，包括转角杆、活塞杆、尖锥定位块、模型等；转角杆可拧入活塞杆螺纹孔中，可保证转角杆4轴向与风洞来流平行；调节转角杆凸台将转角杆调水平，使用螺钉拧入汽缸盖螺纹孔中顶住活塞杆从而固定住活塞杆以及转角杆位置，转角杆端部有方凸台可与模型的方孔安装在一起固定模型，尖锥定位块拧在转角杆螺纹孔上，并保证尖锥定位块定位面与圆柱凸台外端面形成面接触。本发明利用尖锥定位点给出各点间的固定距离，通过相机拍摄，得到风洞内真实尺度与图像像素的所有3个方向比值，同时使用转角杆解决了以往技术滚转角无法精确调整的难题，从而可完成模型完全6自由度的姿态参数标定，大幅提高了测量精度。

Description

风洞试验模型姿态标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及风洞试验模型支撑及发射投放，尤其涉及一种风洞模型姿态标定装置及标定方法，属于航空航天工程领域。

背景技术

非接触测量方式不会对风洞流场产生干扰、试验数据无需过多修正，是风洞试验数据采集的一大趋势。使用相机尤其是高速摄影对试验模型进行拍摄是一种试验人员最普遍采用的非接触测量方法，常规的风洞自由飞试验也是基于这一测量手段进行的。非接触测量虽具有诸多优势，但也存在一定问题，比如风洞自由飞试验中模型是完全自由的，如何准确的通过拍摄的图像判读出模型的真实姿态，一直困扰着自由飞试验，试验数据精度难以进一步提高。

由于相机本身存在摆放误差以及镜头畸变，拍摄所得图像的竖直方向并不会是真实的铅垂方向。因此，为了提高实验数据的判读精度，试验前需进行模型姿态的标定，找出模型姿态6自由参数与拍摄图像的相应数学关系，再将试验图像运用此关系反向求出模型的真实姿态角。以往试验前将标尺及模型放在风洞试验段内使用相机对标尺进行拍摄，可以得到竖直方向的定义，以及风洞内真实尺度与图像像素的比值，并且根据模型真实姿态判读出模型姿态与相机拍摄图像间的数学方程。

但以往试验发现：由于风洞试验段存在一定的扩张角，风洞地面并不是水平的，若标尺放在风洞底面上，不能保证尺子方向便是垂直方向；若采用标尺悬挂的方法来进行铅垂方向的定义同样存在难度，主要原因是由于风洞内洞壁光滑，无处悬挂标尺，另一方面风洞不吹风时可看做是一个很长的空管，内外两端压力差导致风洞试验段必定有气流流动，悬挂标尺难以静止。

况且，以往方法在得到具有一定误差的竖直方向后，也只能风洞试验模型6自由度中的3个自由度，另外3自由度靠经验取值，试验误差也大幅增加。因此为提高自由飞风洞试验以及其他试验精度，以往模型标定方法需要进行较大改造。

发明内容

本发明的技术解决问题是：确定水平方向及铅垂方向，对相机视场进行精确标定。为解决上述问题，本发明一种风洞模型姿态标定装置及标定方法，将模型姿态标定装置安装在风洞弯刀上，利用尖锥定位点给出各点间的固定距离，通过相机拍摄，得到风洞内真实尺度与图像像素的所有3个方向比值，同时使用转角杆解决了以往技术滚转角无法精确调整的难题，从而可完成模型完全6自由度的姿态参数标定，大幅提高了测量精度。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种风洞试验模型姿态标定装置，包括第一尖锥定位块、第二锥定位块和转角杆；

转角杆固定至发射装置的活塞杆上，杆部水平延伸至相机视场内，末端安装风洞试验模型；第一尖锥定位块和第二锥定位块分别固定在所述杆部的前部和后部；第一尖锥定位块和第二锥定位块中的一个具有十字分布的四个图像识别定位件，分别延水平和竖直方向设置；另一个具有至少一个延水平或竖直方向设置图像识别定位件。

优选的，第一尖锥定位块、第二锥定位块结构相同，图像识别定位件为结构相同的四个尖锥。

优选的，所述尖锥可拆卸地连接到尖锥定位块的固定部，固定部与转角杆一体设置，尖锥定位块具有圆锥体的尖端。

优选的，所述尖锥圆锥体的尖端的轴线垂直于底面；固定部具有四个定位面，与所述尖锥的底面平面接触定位。

优选的，转角杆旋在活塞杆上，并能够转动。

优选的，转角杆具有圆锥段刻度盘，发射筒具有标记，标记对应的刻度盘的度数作为转角杆旋转的起始点。

同时提供一种利用所述的风洞试验模型姿态标定装置进行姿态标定的方法，包括如下步骤：

(1)将风洞试验模型安装在转角杆上；将所有尖锥安装至对应的固定部；

(2)将转角杆固定至发射装置的活塞杆上；记录所述标记对应的刻度盘的度数作为转角杆旋转的起始点；

(3)拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片；

(4)提取图片中第一尖锥定位块或第二尖锥定位块两个竖直尖锥顶点之间的距离，作为图像铅垂向比例计算参数；两个水平尖锥顶点之间的距离，作为图像展向比例计算参数；提取图片中第一尖锥定位块和第二尖锥定位块对应尖锥顶点之间的距离，作为图像风轴向比例计算参数；

(5)将转角杆按设定角度步进旋转，在每个旋转角度计算模型所处的滚转角，拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取模型边界轮廓，并储存该滚转角对应边界轮廓；

(6)风洞弯刀攻角机构按设定角度步进调整风洞试验模型的攻角，在每个攻角下拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取风洞试验模型边界轮廓，并储存该攻角对应边界轮廓。

优选的，转角杆旋转的角度范围为-90°～+90°。

优选的，攻角的角度范围为-90°～+90°。

优选的，步骤还包括测量第一尖锥定位块和第二尖锥定位块，两个竖直尖锥顶点之间的距离、两个水平尖锥顶点之间的距离，以及对应尖锥顶点之间的距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明解决了以往技术标尺无法摆放的难题。充分利用风洞现有条件，将模型标定系统装在风洞弯刀上。风洞弯刀用于支撑常规风洞模型，在风洞内无有效支撑的情况下，利用风洞内原有的弯刀机构对模型标定系统进行支撑是最好的选择。同时使用弯刀系统可以利用弯刀系统现有的攻角机构进行模型相应姿态的标定。

(2)本发明解决了以往技术水平方向及铅垂方向无法确定的难题。利用风洞弯刀支撑模型标定系统的另一优点在于，风洞弯刀可确定模型的水平位置，在确定水平位置后，便可确定铅垂方向，方便快捷，克服了以往方法需要反复调节，且只能模糊确定铅垂方向的难题。

(3)本发明解决了以往技术3向位移尺寸无法精确确定的难题。利用尖锥定位点不易被遮挡的特点，给出各尖锥点间的固定距离，通过相机拍摄，得到风洞内真实尺度与图像像素的比值，大幅提高了测量精度。且通过在三个方向设置多个尖锥点的方法，不仅可以给出铅垂像素比值还能给出前后及侧向所有3个方向比值。

(4)本发明解决了以往技术滚转角无法精确调整的难题。转角杆具备旋转定位的功能，并且在转角杆圆锥段设置360度刻度，可精确调整模型滚转角度，大幅提高模型滚转角的辨识精度。

附图说明

图1为已有气缸平台全剖图；

图2为本发明所述的风洞模型姿态标定装置前视图；

图3为本发明所述的风洞模型姿态标定装置后视图；

图4为本发明所述的转角杆轴测图；

图5为4个本发明所述的定位锥块示意图；

图6为坐标系示意图。

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。

自由飞试验是使用气缸将模型发射到风洞流场中，气缸安装在风洞弯刀并且与风洞轴线平行。其中发射装置可用于安装模型姿态标定装置的部位分别是活塞杆1的活塞杆螺纹孔1-1，发射筒2的发射筒刻线2-1，以及汽缸盖螺纹孔3。活塞杆1本身在风洞中水平设置，转角杆4的转角杆螺纹4-4可拧入活塞杆1的活塞杆螺纹孔1-1中，可保证转角杆4轴向与风洞来流平行。使用转角杆4将活塞杆1推回气缸中，并调节转角杆凸台4-1将转角杆4调水平，使用螺钉拧入汽缸盖螺纹孔3中顶住活塞杆1，从而固定住活塞杆1以及转角杆4位置，读出发射筒刻线2-1所对应的转角杆圆锥段刻度4-2的度数备用。转角杆4上有8个圆柱凸台4-3，圆柱凸台4-3上有圆柱凸台外端面4-6，内有转角杆螺纹孔4-7，转角杆4端部有方凸台4-5，方凸台4-5可以模型6的方孔安装在一起，固定模型6。尖锥定位块5上有尖锥定位块螺纹5-4，通过尖锥定位块平面5-1可将尖锥定位块5拧在转角杆螺纹孔4-7上，并保证尖锥定位块定位面5-3与圆柱凸台外端面4-6形成面接触。

测试方法如下：

通过尖锥点5-6及尖锥点5-7距离，可标定出竖直方向真实尺度与图像像素比值；通过尖锥点5-6及尖锥点5-5距离，可标定出水平方向真实尺度与图像像素比值；通过尖锥点5-8及尖锥点5-9距离，可标定出侧向方向真实尺度与图像像素比值，从而得到风洞内真实尺度与图像像素的所有3个方向比值。松开拧入汽缸盖螺纹孔3中的螺钉转动转角杆4可调节模型6的滚转角，从而得到模型6不同滚转角的图像，方便得到试验图像后反推试验的真实滚转角，而模型的攻角的标定则可使用弯刀机构的攻角机构进行模型相应姿态的标定，从而可完成模型完全6自由度的姿态参数标定，大幅提高试验数据的辨识精度。

将转角杆4按设定角度步进旋转，在每个旋转角度计算模型所处的滚转角，拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取模型边界轮廓，并储存该滚转角对应边界轮廓；风洞弯刀攻角机构按设定角度步进调整风洞试验模型的攻角，在每个攻角下拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取风洞试验模型边界轮廓，并储存该攻角对应边界轮廓。后续利用储存滚转角对应边界轮廓和储存攻角对应边界轮廓，生成不同滚转角和攻角组合对应的边界轮廓，形成边界轮廓库。

在进行风洞试验前通过本发明的风洞试验模型姿态标定装置对风洞试验模型、拍摄视场进行标定后拆除姿态标定装置，试验过程中相机保持现有视场，对风洞试验模型进行拍摄直到试验结束，对拍摄的图像利用所存储的边界轮廓库确定图像中风洞试验模型的位置和角度。

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。

本发明说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，包括两个尖锥定位块(5)和转角杆(4)；

转角杆(4)固定至发射装置的活塞杆(1)上，杆部水平延伸至相机视场内，末端安装风洞试验模型；气缸安装在风洞弯刀并且与风洞轴线平行，将模型姿态标定装置安装在风洞弯刀上的气缸上，用气缸将模型发射到风洞流场中；两个尖锥定位块(5)分别固定在所述杆部的前部和后部；两个尖锥定位块(5)中的一个具有十字分布的四个图像识别定位件，分别延水平和竖直方向设置；另一个具有至少一个延水平或竖直方向设置图像识别定位件。

2.如权利要求1所述的风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，两个尖锥定位块(5)结构相同，图像识别定位件为结构相同的四个尖锥。

3.如权利要求2所述的风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，所述尖锥可拆卸地连接到尖锥定位块(5)的固定部，固定部与转角杆(4)一体设置，尖锥定位块(5)具有圆锥体的尖端。

4.如权利要求3所述的风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，所述尖锥圆锥体的尖端的轴线垂直于底面；固定部具有四个定位面，与所述尖锥的底面平面接触定位。

5.如权利要求4所述的风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，转角杆(4)旋在活塞杆(1)上，并能够转动。

6.如权利要求5所述的风洞试验模型姿态标定装置，其特征在于，转角杆(4)具有圆锥段刻度盘(4-2)，发射筒具有标记，标记对应的刻度盘(4-2)的度数作为转角杆(4)旋转的起始点。

7.一种利用权利要求6所述的风洞试验模型姿态标定装置进行姿态标定的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将风洞试验模型安装在转角杆(4)上；将所有尖锥安装至对应的固定部；气缸安装在风洞弯刀并且与风洞轴线平行，将模型姿态标定装置安装在风洞弯刀上的气缸上，用气缸将模型发射到风洞流场中；

(2)将转角杆(4)固定至发射装置的活塞杆(1)上；记录所述标记对应的刻度盘(4-2)的度数作为转角杆(4)旋转的起始点；

(3)拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片；

(4)提取图片中任一尖锥定位块(5)两个竖直尖锥顶点之间的距离，作为图像铅垂向比例计算参数；两个水平尖锥顶点之间的距离，作为图像展向比例计算参数；提取图片中两个尖锥定位块(5)对应尖锥顶点之间的距离，作为图像风轴向比例计算参数；

(5)将转角杆(4)按设定角度步进旋转，在每个旋转角度计算模型所处的滚转角，拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取模型边界轮廓，并储存该滚转角对应边界轮廓；

(6)风洞弯刀攻角机构按设定角度步进调整风洞试验模型的攻角，在每个攻角下拍摄风洞试验模型姿态标定装置及风洞试验模型的图片，提取风洞试验模型边界轮廓，并储存该攻角对应边界轮廓。

8.如权利要求7所述的进行姿态标定的方法，其特征在于，转角杆(4)旋转的角度范围为-90°～+90°。

9.如权利要求7所述的进行姿态标定的方法，其特征在于，攻角的角度范围为-90°～+90°。

10.如权利要求7所述的进行姿态标定的方法，其特征在于，步骤(1)还包括测量两个尖锥定位块(5)，两个竖直尖锥顶点之间的距离、两个水平尖锥顶点之间的距离，以及对应尖锥顶点之间的距离。

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