CN110146250A - 基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，包括：设置在风洞观察窗外的发射端系统和接收端系统；发射端系统包括：发射端支撑单元、发射端六自由度平台、发射端主镜系统、发射端反射镜系统和发射端光源狭缝系统；接收端系统包括：接收端支撑单元、接收端六自由度平台、接收端主镜系统、接收端反射镜系统和接收端刀口成像系统；本发明依靠视觉定位模块及PSD对准模块来控制六自由度平台进行光路对准，可以实现纹影仪系统对准定位智能化，从而缩短纹影仪调节时间，节省人力资源，提高风洞试验效率。

Description

基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，具体涉及一种基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置。

背景技术

纹影仪的工作原理是利用光在被测流动中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流动中的密度梯度转变为所记录图片上光强的相对变化，获得流场中密度变化的可观察、可分辨的图像。传统的风洞纹影仪通常是由四部分组成，包括两套主反射镜系统，一套光源狭缝系统，一套刀口成像系统。在进行风洞试验时，每变换一个测量工位，这四部分都需要进行一次光路调节，以保证成像系统得到清晰的纹影图像。现有技术中，大多数风洞纹影仪都是采用手动调节的方式完成光路对准定位，存在调整工作繁重复杂、所需时间过长、占用人力资源过多、调节精度不高、对调试人员专业知识和经验要求较高等问题，严重影响了风洞试验质量和效率。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，包括：

发射端系统，其设置在风洞的一侧的观察窗的外部；

所述发射端系统包括：

发射端支撑单元；

发射端六自由度平台，其设置在发射端支撑单元上；

发射端主镜系统，其设置在发射端六自由度平台上且远离风洞观察窗；且所述发射端主镜系统的顶部水平设置有PSD激光光源；

发射端反射镜系统，其设置在发射端六自由度平台上且靠近风洞观察窗；

发射端光源狭缝系统，其设置在发射端六自由度平台上且位于发射端主镜系统和发射端反射镜系统之间；

视觉定位相机，其设置在发射端六自由度平台且位于发射端反射镜系统的一侧；

用于视觉定位相机定位的标志二维码，其设置在风洞上且位于观察窗的一侧；

接收端系统，其设置在风洞的另一侧的观察窗的外部；

所述接收端系统包括：

接收端支撑单元；

接收端六自由度平台，其设置在接收端支撑单元上；

接收端主镜系统，其设置在接收端六自由度平台上且远离风洞观察窗；且所述接收端主镜系统的顶部垂直设置有PSD探测头；

接收端反射镜系统，其设置在接收端六自由度平台上且靠近风洞观察窗；

接收端刀口成像系统，其设置在接收端六自由度平台上且位于接收端主镜系统和接收端反射镜系统之间。

优选的是，所述发射端支撑单元和接收端支撑单元的结构一致，其包括：轨道平车和设置在轨道平车上的支撑架；所述发射端六自由度平台和接收端六自由度平台分别设置在发射端支撑单元和接收端支撑单元的支撑架上。

优选的是，所述发射端主镜系统包括：

设置在发射端六自由度平台上的底座，其上放置有一U型支撑臂；

旋转弯臂，其连接在U型支撑臂上；所述旋转弯臂和U型支撑臂之间设置有用于离轴抛物面镜仰俯调节的俯仰调节机构；

旋转镜架，其通过旋转连接板连接在旋转弯臂上；所述旋转镜架与旋转弯臂之间设置有滚转调节机构；所述旋转镜架包括：旋转连接板，其上设置有镜框，所述镜框通过螺钉连接有镜室，镜室内固定有离轴抛物面镜；

用于离轴抛物面镜偏航调节的偏航调节机构，其设置在底座内；且所述偏航调节机构与U型支撑臂连接；

其中所述发射端主镜系统和接收端主镜系统的结构一致，且所述PSD激光光源水平设置在发射端主镜系统的旋转镜架的顶部；所述PSD探测头垂直设置在接收端主镜系统的旋转镜架的顶部。

优选的是，所述俯仰调节机构被放置于U型支撑臂的一侧，所述俯仰调节机构包含相互匹配的第一蜗杆和第一蜗轮，第一蜗轮与旋转弯臂相连，第一蜗杆一端连接有第一圆形调节手轮；所述旋转弯臂一端与俯仰调节机构中的第一蜗轮通过螺钉固定连接，旋转弯臂另一端与U型支撑臂通过第一轴承可转动连接；

所述滚转调节机构被放置于旋转弯臂中间，所述滚转调节机构包含一相互匹配的第二蜗杆与第二蜗轮，第二蜗轮与旋转连接板通过螺钉连接，第二蜗杆一端连接有第二圆形调节手轮；所述旋转连接板还通过第二轴承和第三轴承连接在旋转弯臂上，且第二轴承和第三轴承对称分布在滚转调节机构两侧；

所述偏航调节机构包括：弧形凸块Ⅰ，其设置在底座内，且所述弧形凸块Ⅰ与U型支撑臂相连接；第一丝母，其设置在底座一侧的边缘；第二丝母，其设置在底座另一侧的边缘；第一丝杆和第二丝杆分别穿过第一丝母和第二丝母与弧形凸块Ⅰ的两侧相接触，第一丝杆和第二丝杆的端部连接有第三圆形调节手轮和第四圆形调节手轮；其中，所述弧形凸块Ⅰ的内凹面与底座弧形凸面相连接；所述弧形凸块Ⅰ与U型支撑臂的连接方式为：所述U型支撑臂底板上设置有方形孔，弧形凸块Ⅰ的凸出部分与方形孔紧密扣合。

优选的是，所述发射端光源狭缝系统包括：

第一XYZ三维移动平台，其设置在发射端六自由度平台上；

光源，其通过支撑平台连接在第一XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；

水平移动平台，其连接在所述支撑平台上；

狭缝单元，其连接在所述水平移动平台的移动板上。

优选的是，所述狭缝单元包括：

狭缝单元支撑架，其连接在水平移动平台的移动板上；所述狭缝单元支撑架内可转动设置有丝杆；所述丝杆上连接有两个螺母，其中一个螺母为反向螺母；

圆台，其一面设置有凹陷部；所述凹陷部上设置有长方形孔作为狭缝；

平行设置的两个刀口，其分别连接在两个螺母上；所述圆台设置在两个刀口上，且所述圆台的狭缝与平行的两个刀口形成的孔隙相对应。

优选的是，所述发射端反射镜系统和接收端反射镜系统的结构一致，其包括：

第一XY二维移动平台，其设置在在发射端六自由度平台上；

反射镜支撑架，其连接在第一XY二维移动平台的Y轴移动平台上；

反射镜底座，其连接在反射镜支撑架上；

反射镜U型支撑臂，其连接反射镜底座上；

反射镜镜架，其连接在反射镜U型支撑臂上，所述反射镜镜架上连接反射镜；

其中，所述反射镜底座内设置有反射镜偏航调节机构；所述反射镜U型支撑臂的底部安装有反射镜仰俯调节机构。

优选的是，所述反射镜偏航调节机构包括：弧形凸块Ⅱ，其设置在反射镜底座内，且所述弧形凸块Ⅱ与反射镜U型支撑臂连接；第三丝母，其设置在反射镜底座一侧的边缘；第四丝母，其设置在反射镜底座另一侧的边缘；第三丝杆和第四丝杆分别穿过第三丝母和第四丝母与弧形凸块Ⅱ的两侧相接触；其中，所述反射镜底座内设置有容纳弧形凸块Ⅱ的空间，弧形凸块Ⅱ置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅱ与反射镜U型支撑臂的连接方式为：所述反射镜U型支撑臂的底部与弧形凸块Ⅱ的上端通过孔洞扣合连接；

所述反射镜仰俯调节机构包括：弧形凸块Ⅲ，其设置在反射镜U型支撑臂的底部内，且所述弧形凸块Ⅲ与反射镜镜架连接；第五丝母，其设置在反射镜U型支撑臂底部一侧的边缘；第六丝母，其设置在反射镜U型支撑臂底部另一侧的边缘；第五丝杆和第六丝杆分别穿过第五丝母和第六丝母与弧形凸块Ⅲ的两侧相接触；其中，所述反射镜U型支撑臂的底部内设置有容纳弧形凸块Ⅲ的空间，弧形凸块Ⅲ置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅲ与反射镜镜架的连接方式为：所述反射镜镜架的底部与弧形凸块Ⅲ的上端通过孔洞扣合连接；

优选的是，所述接收端刀口成像系统包括：

第二XYZ三维移动平台，其设置在接收端六自由度平台上；

方形刀口，其通过第一连接板设置在第二XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；

第三XYZ三维移动平台，其设置在接收端六自由度平台上；

接收端CCD相机，其通过第二连接板设置在第三XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；且所述接收端CCD相机与方形刀口相对设置。

优选的是，所述风洞两侧的观察窗的玻璃上标记有水平线和垂线，十字交点即为窗口玻璃中心位置，在风洞内部中心位置放置一个两线激光水平仪。

本发明至少包括以下有益效果：本发明可以实现纹影仪系统对准定位智能化，从而缩短纹影仪调节时间，节省人力资源，提高风洞试验效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置的整体平面结构示意图；

图2为本发明基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置的整体立体结构示意图；

图3为本发明发射端系统的立体结构示意图；

图4为本发明接收端系统的立体结构示意图；

图5为本发明发射端反射镜系统或接收端反射镜系统的立体结构示意图；

图6为本发明发射端反射镜系统或接收端反射镜系统的局部截面结构示意图；

图7为本发明发射端反射镜系统或接收端反射镜系统的局部截面结构示意图；

图8为本发明发射端反射镜系统或接收端反射镜系统的局部截面结构示意图；

图9为本发明接收端刀口成像系统的立体结构示意图；

图10为本发明接收端刀口成像系统的立体结构示意图；

图11为本发明发射端光源狭缝系统的立体结构示意图；

图12为本发明发射端光源狭缝系统的立体结构示意图；

图13为本发明发射端光源狭缝系统的局部放大立体结构示意图；

图14为本发明发射端光源狭缝系统的局部放大立体结构示意图；

图15为本发明发射端主镜系统的整体结构示意图；

图16为本发明发射端主镜系统的俯仰和偏转调节机构的爆炸结构示意图；

图17为本发明发射端主镜系统的滚转调节机构的爆炸结构示意图；

图18为本发明发射端主镜系统的镜室消重力原理结构示意图；

图19为本发明发射端主镜系统的底座结构示意图；

图20为本发明发射端主镜系统的U型支撑臂底板结构示意图；

图21为本发明发射端主镜系统的弧形凸块结构示意图；

图22为本发明发射端主镜系统的弧形凸块与U型支撑臂连接结构示意图；

图23为本发明接收端主镜系统的整体结构示意图；

图24为本发明发射端系统的整体结构示意图；

图25为光源像鉴别方式的示意图；

图26为PSD自动对准模块原理图；

图27为视觉定位相机定位流程图。

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。

图1～24示出了本发明的一种基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，包括：

发射端系统100，其设置在风洞1000的一侧的观察窗的外部；

所述发射端系统100包括：

发射端支撑单元101；

发射端六自由度平台102，其设置在发射端支撑单元101上；

发射端主镜系统103，其设置在发射端六自由度平台102上且远离风洞观察窗；且所述发射端主镜系统的顶部水平设置有PSD激光光源300；

发射端反射镜系统104，其设置在发射端六自由度平台102上且靠近风洞观察窗；

发射端光源狭缝系统105，其设置在发射端六自由度平台102上且位于发射端主镜系统103和发射端反射镜系统104之间；

视觉定位相机106，其设置在发射端六自由度平台102且位于发射端反射镜系统的一侧；

用于视觉定位相机定位的标志二维码(未示出)，其设置在风洞上且位于观察窗的一侧；

接收端系统200，其设置在风洞1000的另一侧的观察窗1001的外部；

所述接收端系统包括：

接收端支撑单元201；

接收端六自由度平台202，其设置在接收端支撑单元201上；

接收端主镜系统203，其设置在接收端六自由度平台202上且远离风洞观察窗1001；且所述接收端主镜系统的顶部垂直设置有PSD探测头301；

接收端反射镜系统204，其设置在接收端六自由度平台202上且靠近风洞观察窗1001；

接收端刀口成像系统205，其设置在接收端六自由度平台202上且位于接收端主镜系统203和接收端反射镜系统204之间。

在这种技术方案中，将发射端主镜系统、发射端反射镜系统、发射端光源狭缝系统安装到发射端六自由度平台上构成发射端系统，再将接收端主镜系统、接收端反射镜系统、接收端刀口成像系统安装到接收端六自由度平台之上构成接收端。经过初次静态调试后，发射端主镜、反射镜、光源位置相对不变，接收端主镜、反射镜、成像相机位置相对不变。动态调试主要依靠视觉定位相机和标志二维码、PSD激光光源和PSD探测头来控制六自由度平台进行光路对准。由于六自由度平台具有前后、左右、上下、滚转、俯仰和偏航六种运动姿态，所以在进行纹影光路对准时，只需要将从发射端主镜射出的平行光准确的照射到接收端主镜上，整个纹影系统就算完成所有的光路调试。采用视觉定位相机和标志二维码、PSD激光光源和PSD探测头相结合方式进行发射端和接收端的光路对准，设备在运行时先使用视觉定位算法进行发射端精定位，视觉定位精度可达亚像素级别(相差一个像素约合距离0.3毫米)。当发射端精定位后再启动PSD激光光源和PSD探测头进行接收端的精对准，此时PSD对准是在1mm毫米范围内进行，位置测量分辨率为1um；六自由度平台姿态角测量的系统精度约为0.001°，对准精度为微米级。动态调试时，发射端依靠轨道粗定位+视觉相机精定位，接收端依靠轨道粗定位+PSD精定位。

在上述技术方案中，所述发射端支撑单元101和接收端支撑单元201的结构一致，其包括：轨道平车1010，2010和设置在轨道平车1010，2010上的支撑架1011，2011；所述发射端六自由度平台102和接收端六自由度平台202分别设置在发射端支撑单元101和接收端支撑单元202的支撑架1011，2011上。采用这种方式，采用轨道平车可以方便移动发射端支撑单元和接收端支撑单元及其上设置的相关部件。

在上述技术方案中，静态调试也叫初次调试，首先将轨道平车定位到相应观察点附近；然后通过调节发射端六自由度平台、发射端光源狭缝系统、发射端主镜系统及发射端反射镜系统，使发射端光源狭缝系统、发射端反射镜系统、发射端主镜系统(离轴抛物面镜系统)的中心位置同风洞内的激光水平仪形成的十字交叉激光线中的水平线重合；再次调节六自由度平台，使激光水平仪形成的十字交叉激光线中的垂直激光线同平台上的定位线和离轴抛物面镜(发射端主镜系统)的中心重合；通过以上的调节步骤，使纹影仪发射端的光路部分位于风洞轴线所在的水平面上，并且纹影仪发射端离轴抛物面镜的反射光轴垂直于风洞轴线。同理调节好接收端系统，使纹影仪接收端的光路部分也位于风洞轴线所在的水平面上，并且纹影仪接收端离轴抛物面镜的反射光轴垂直于风洞轴线。

静态调试完毕后，轨道平车、六自由度平台、视觉定位系统(视觉定位相机和标志二维码)和PSD系统(PSD激光光源和PSD探测头)等会记录好数据，以备动态调试使用。视觉定位系统(视觉定位相机和标志二维码)的目的是在运行过程中，通过改变运动平台的位置使得视觉定位系统坐标相对于风洞坐标的位姿关系与静态调试完毕状态下保持一致，从而保证了光路系统相对于风洞坐标的位姿关系保持不变，如图27所示，视觉定位相机进行定位的过程中，将轨道平车定位到相应观察点附近；通过六自由度平台上的视觉定位相机，找寻并定位固定在风洞上的标志二维码，确定平台与观测点的相对位置关系；

PSD系统是保证接收端自动对准发射端光路，保证纹影成像效果。由于各工位的共性特点，纹影仪在静态调试后，发射端与接收端的主镜和反射镜均固定不动，在结构上定位主要依靠轨道和六自由度平台。而轨道的重复定位精度比较低，这会直接导致工位一键复位时存在较大误差，这时就需要精度较高的视觉定位系统和PSD系统控制六自由度平台进行工作。通过读取静态调试参数，一键复位(即轨道和六自由度平台根据保存的静态调试数据动作)完毕后，发射端依靠视觉定位系统进行修正，修正完毕后，发射端开启激光发射器，接收端PSD系统开始工作，从而保证了高精度的重复定位。图26示出了PSD自动对准模块原理图，发射端激光光源直接发射到接收端抛物面镜上；

PSD自动对准方法是利用主镜自动对准系统，实现接收端光学系统自动准确对准发射端的平行光束。其基本思路是：以发射端的平行光束为基准，发射端的多维平移台(发射端六自由度平台)具备X和Z方向平移的功能，同时平移时具备较高的直线度，保证平行光束垂直于风洞轴线方向，定位到用户指定的测量区域；接收端的多维位姿调整平台(接收端六自由度平台)具备X、Z方向平移，以及包括偏转角、俯仰角、滚转角在内的姿态角高精度调整的能力。

通过静态调试后进行动态调试，动态调试通过视觉定位系统和PSD系统，提高定位精度，先启动视觉定位系统定位好发射端，再开启PSD系统，让接收端自动对准发射端。

在上述技术方案中，所述发射端主镜系统103包括：

设置在发射端六自由度平台102上的底座1，其上放置有一U型支撑臂2；旋转弯臂3，其连接在U型支撑臂2上；所述旋转弯臂3和U型支撑臂2之间设置有用于离轴抛物面镜仰俯调节的俯仰调节机构4；

旋转镜架5，其通过旋转连接板51连接在旋转弯臂3上；所述旋转镜架5与旋转弯臂3之间设置有滚转调节机构6；所述旋转镜架5包括：旋转连接板51，其上设置有镜框52，所述镜框52通过螺钉连接有镜室53，镜室53内固定有离轴抛物面镜7；

用于离轴抛物面镜偏航调节的偏航调节机构8，其设置在底座1内；且所述偏航调节机构8与U型支撑臂2连接；

其中所述发射端主镜系统103和接收端主镜系统203的结构一致，且所述PSD激光光源300水平设置在发射端主镜系统的旋转镜架的顶部；所述PSD探测头301垂直设置在接收端主镜系统的旋转镜架的顶部。

在这种技术方案中，当需要对离轴抛物面镜的方向进行调试时，调节俯仰调节机构4，可控制旋转弯臂3的俯仰角度即离轴抛物面镜7的俯仰角度；滚转调节机构6可控制旋转镜架5的滚转角度即离轴抛物面镜7的滚转角度；偏航调节机构8可改变U型支撑臂2的偏航角度即离轴抛物面镜7的偏航角度，达到测试所需的要求，俯仰、滚转、偏航调节机构放置在不同的部件上，避免相互之间产生干扰，提高调节精度，且在调节过程中，不用按照特定的顺序进行调节，方便快捷。

在这种技术方案中，所述俯仰调节机构4被放置于U型支撑臂2的一侧，所述俯仰调节机构4包含相互匹配的第一蜗杆41和第一蜗轮42，第一蜗轮42与旋转弯臂3相连，第一蜗杆41一端连接有第一圆形调节手轮43；所述旋转弯臂3一端与俯仰调节机构4中的第一蜗轮42通过螺钉固定连接，旋转弯臂3另一端与U型支撑臂2通过第一轴承可转动连接；采用这种方式，当转动设置的第一圆形调节手轮43时，第一涡轮42随之旋转，从而实现旋转弯臂3即离轴抛物面镜7俯仰角的改变。

所述滚转调节机构6被放置于旋转弯臂3中间，所述滚转调节机构6包含一相互匹配的第二蜗杆61与第二蜗轮62，第二蜗轮62与旋转连接板51通过螺钉连接，第二蜗杆61一端连接有第二圆形调节手轮63；采用这种方式，转动第二圆形调节手轮63时，第二蜗杆61转动，带动第二涡轮62旋转，从而改变旋转连接板51即离轴抛物面镜7的滚转角度；

所述旋转连接板51还通过第二轴承31和第三轴承32连接在旋转弯臂3上，且第二轴承31和第三轴承32对称分布在滚转调节机构6两侧；采用这种方式，可以让旋转镜架5更加牢固的连接在旋转弯臂3上，避免旋转镜架5对滚转调节机构6产生挤压，提高调节精度，同时，可以限制旋转镜架5的滚转角度，避免光轴与离轴抛物面镜母线产生较大偏差。

所述偏航调节机构包括：弧形凸块Ⅰ11，其设置在底座1内，且所述弧形凸块Ⅰ11与U型支撑臂2相连接；第一丝母81，其设置在底座1一侧的边缘；第二丝母82，其设置在底座1另一侧的边缘；第一丝杆83和第二丝杆84分别穿过第一丝母81和第二丝母82与弧形凸块Ⅰ11的两侧相接触，第一丝杆83和第二丝杆84的端部连接有第三圆形调节手轮85和第四圆形调节手轮86；其中，所述弧形凸块Ⅰ11的内凹面113与底座弧形凸面12相连接；当弧形凸块11滑动时，底座弧形凸面12会对弧形凸块11的运动轨迹进行限制，避免因转动角度过大损坏偏航调节机构8；采用这种方式，可以实现偏航调节机构8的自锁功能，左右手相互配合，使弧形凸块11处于被第一丝杆83和第二丝杆84夹紧的状态，同时且向相反方向转动第三圆形调节手轮85和第四圆形调节手轮86时，弧形凸块11滑动，U型支撑臂2绕底座转轴24即离轴抛物面镜顶点做偏航运动，进而改变U型支撑臂2即离轴抛物面镜7的偏航角度，实现偏航调节。

所述弧形凸块Ⅰ11与U型支撑臂2的连接方式为：所述U型支撑臂底板上设置有方形孔21，弧形凸块Ⅰ11的凸出部分112与方形孔21紧密扣合。

在上述技术方案中，所述发射端光源狭缝系统105包括：

第一XYZ三维移动平台1051，其设置在发射端六自由度平台102上；

光源1052，其通过支撑平台1053连接在第一XYZ三维移动平台1051的Z轴移动平台1054上；

水平移动平台1055，其连接在所述支撑平台1053上；

狭缝单元1057，其连接在所述水平移动平台1055的移动板10551上；

在这种技术方案中，通过控制水平移动平台1055，使移动板10551水平移动，可以将狭缝单元移动至光源发射端，并通过水平移动平台可以实现对狭缝单元的位置的准确调节，使其能够适应不同的光源调节。

在上述技术方案中，所述狭缝单元1057包括：

狭缝单元支撑架10571，其连接在水平移动平台1055的移动板10551上；所述狭缝单元支撑架10571内可转动设置有丝杆10572；所述丝杆10572上连接有两个螺母10573，其中一个螺母为反向螺母；

圆台10574，其一面设置有凹陷部10575；所述凹陷部10576上设置有长方形孔10577作为狭缝；

平行设置的两个刀口10578，其分别连接在两个螺母10573上；所述圆台设置在两个刀口10578上，且所述圆台10574的狭缝与平行的两个刀口10578形成的孔隙相对应；

在上述技术方案中，所述发射端反射镜系统104和接收端反射镜系统204的结构一致，其包括：

第一XY二维移动平台1041，其设置在在发射端六自由度平台102上；

反射镜支撑架1042，其连接在第一XY二维移动平台1041的Y轴移动平台10411上；

反射镜底座1043，其连接在反射镜支撑架1042上；

反射镜U型支撑臂1044，其连接反射镜底座1043上；

反射镜镜架1045，其连接在反射镜U型支撑臂1044上，所述反射镜镜架1042上连接反射镜1046；

其中，所述反射镜底座1043内设置有反射镜偏航调节机构1047；所述反射镜U型支撑臂1044的底部安装有反射镜仰俯调节机构1048，采用这种方式，通过反射镜偏航调节机构1047和反射镜仰俯调节机构1048可以实现对反射镜1046的位置调节。

在这种技术方案中，所述反射镜偏航调节机构1047包括：弧形凸块Ⅱ10471，其设置在反射镜底座1043内，且所述弧形凸块Ⅱ10471与反射镜U型支撑臂1044连接；第三丝母10472，其设置在反射镜底座1043一侧的边缘；第四丝母10473，其设置在反射镜底座1043另一侧的边缘；第三丝杆10474和第四丝杆10475分别穿过第三丝母10472和第四丝母10473与弧形凸块Ⅱ10471的两侧相接触；其中，所述反射镜底座1043内设置有容纳弧形凸块Ⅱ10471的空间，弧形凸块Ⅱ10471置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅱ10471与反射镜U型支撑臂1044的连接方式为：所述反射镜U型支撑臂1044的底部与弧形凸块Ⅱ10471的上端通过孔洞扣合连接；采用这种方式，可以实现反射镜偏航调节机构1047的自锁功能，左右手相互配合，使弧形凸块Ⅱ10471处于被第三丝杆10474和第四丝杆10475夹紧的状态，同时且向相反方向转动第三丝杆10474和第四丝杆10475，弧形凸块Ⅱ10471滑动，进而改变反射镜U型支撑臂1044内的反射镜的偏航角度，实现偏航调节。

所述反射镜仰俯调节机构1048包括：弧形凸块Ⅲ10481，其设置在反射镜U型支撑臂1044的底部内，且所述弧形凸块Ⅲ10481与反射镜镜架1045连接；第五丝母10482，其设置在反射镜U型支撑臂1044底部一侧的边缘；第六丝母10483，其设置在反射镜U型支撑臂1044底部另一侧的边缘；第五丝杆10484和第六丝杆10485分别穿过第五丝母10482和第六丝母10483与弧形凸块Ⅲ10481的两侧相接触；其中，所述反射镜U型支撑臂1044的底部内设置有容纳弧形凸块Ⅲ10481的空间，弧形凸块Ⅲ10481置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅲ10481与反射镜镜架1045的连接方式为：所述反射镜镜架1045的底部与弧形凸块Ⅲ10481的上端通过孔洞扣合连接；采用这种方式，使弧形凸块Ⅲ10481处于被第五丝杆10484和第六丝杆10485夹紧的状态，同时且向相反方向转动第五丝杆10484和第六丝杆10485，弧形凸块Ⅲ10481滑动，进而改变反射镜U型支撑臂1044内的反射镜1046的仰俯角度，实现仰俯调节。

在上述技术方案中，所述接收端刀口成像系统205包括：

第二XYZ三维移动平台2051，其设置在接收端六自由度平台202上；

方形刀口2052，其通过第一连接板2053设置在第二XYZ三维移动平台2051的Z轴移动平台20511上；

第三XYZ三维移动平台2054，其设置在接收端六自由度平台202上；

接收端CCD相机2055，其通过第二连接板2056设置在第三XYZ三维移动平台2054的Z轴移动平台20541上；且所述接收端CCD相机2055与方形刀口2052相对设置。

在上述技术方案中，所述风洞两侧的观察窗的玻璃上标记有水平线和垂线，十字交点即为窗口玻璃中心位置，在风洞内部中心位置放置一个两线激光水平仪。

在本发明中，风洞两端轨道平车的启停采用视觉定位方式来实现(特此说明下，本发明中在发射端设置有视觉定位相机，由于风洞两端轨道平车是用同步电机控制的，视觉定位控制发射端轨道也就控制了接收端，在动态调试时，轨道是通过读取静态调试保存的参数动作的，但如果到位后，视觉相机没有扫描到二维码，就会控制轨道左右移动一定距离，直至扫描到二维码，所以说轨道平车的启停采用视觉定位方式来实现的)，整个视觉定位系统包括了引入了相机、标志二维码两类辅助器件。在整个试验过程中风洞两端的轨道平车平台完全依靠视觉系统来进行定位调节，本视觉系统中利用相机的高分辨率和高精度的匹配算法，视觉定位可以在保证高精度的工作情况下完成轨道平车平台的调节工作，减少调节过程中产生的机械误差。

二维码采用特殊定制方式，直接安装在风洞观察窗侧方，保证其高精度，减少标定误差，提高定位精度。

在本发明的技术方案中，对纹影仪发射端系统的定位，包括以下过程：

(1)首先在风洞两侧观察窗玻璃上标记出水平线和垂线，十字交点即为窗口玻璃中心位置，在风洞内部中心位置放置一个2线激光水平仪，打开开关，水平仪会通过垂直激光输出窗和水平激光输出窗形成前十字交叉激光线，让激光水平仪发射的十字交叉激光线与窗口玻璃上的水平线和垂线重合，激光水平仪通过窗口在风洞两侧形成十字交叉激光线，移动纹影系统发射端系统到窗口玻璃的中心位置，激光水平仪形成十字交叉激光线会作用在纹影发射端系统光路部分，纹影发射端系统光路部分的遮挡体部分会形成十字交叉激光线，根据十字交叉激光线的实际投影位置，通过调节轨道平车、发射端六自由度平台、发射端光源狭缝系统，使发射端光源狭缝系统、发射端反射镜系统、发射端主镜系统的中心位置同激光水平仪形成十字交叉激光线中的水平线重合。调节发射端六自由度平台的偏航角度，使激光水平仪形成的十字交叉激光线中的垂直激光线同平台上的定位线和离轴抛物面镜的中心重合。通过以上的调节步骤，使纹影仪发射端的光路部分位于风洞轴线所在的水平面上，并且纹影仪发射端离轴抛物面镜反射光轴垂直于风洞轴线。

(2)发射端光源狭缝系统的调节

用软件打开纹影系统电源，设置合适亮度，移动光源到狭缝间的距离，观察狭缝上光源像，找到光源像最清晰的位置(或光源像最小的位置)；然后锁紧光源，打开狭缝并调节狭缝宽度至1mm，点光源通过狭缝形成一束与纹影系统相匹配的锥形光束，锥形光束传播至小平面反射镜中心位置。

(3)发射端反射镜系统的调节

调节发射端反射镜系统的偏航调节和俯仰调节，保证离轴抛物面镜系统(发射端主镜系统)位于发射端反射镜系统反射的光斑中心。

(4)发射端主镜系统(离轴抛物面镜系统)的调节

调节离轴抛物面镜系统中的偏航调节、俯仰调节、滚转调节手轮，使离轴抛物面镜的反射光斑中心点和两块窗口玻璃中心点完全重合，然后在离轴抛物面镜后面的任意位置用一块铅垂的遮光板接收离轴抛物面镜的反射光，并用米尺测量光斑大小，根据光斑的大小，确定狭缝位置是否位于离轴抛物面镜的焦点上，当测量结果大于Φ450mm时，应调节小反射镜Y轴调节旋钮，加大小反射镜1和离轴抛物面镜之间的距离，然后再次检测离轴抛物面镜反射光斑尺寸大小，直到测量结果等于Φ450mm，值得注意的是，检测光斑的位置是任意的，且检测位置不能少于两个。通过上述调整即可保证纹影系统发射端向测试流场发射一束Φ450mm的准直光束。调节发射端六自由度平台及轨道平车，使圆形平行光斑中心点和窗口玻璃中心点重合，垂直穿过窗口玻璃(垂直风洞轴线)。

(5)调节纹影系统接收端确保接收端离轴抛物面镜(接收端主镜系统)能接收到发射端Φ450mm平行光斑，并通过调整接收端离轴抛物面镜、接收端反射镜系统及接收端刀口成像系统，CCD采集到清晰的纹影图像。

在本发明的技术方案中，对纹影仪接收端系统的定位，采用以下过程：

(1)首先在风洞两侧观察窗玻璃上标记出水平线和垂线，十字交点即为窗口玻璃中心位置，在风洞内部中心位置放置一个2线激光水平仪，打开开关，水平仪会通过垂直激光输出窗和水平激光输出窗形成前十字交叉激光线，让激光水平仪发射的十字交叉激光线与窗口玻璃上的水平线和垂线重合，激光水平仪通过窗口在风洞两侧形成十字交叉激光线。移动纹影系统接收端系统到窗口玻璃的中心位置，激光水平仪形成十字交叉激光线会作用在纹影接收端系统光路部分，纹影接收端系统光路部分的遮挡体部分会形成十字交叉激光线，根据十字交叉激光线的实际投影位置，通过调节轨道平车、接收端六自由度平台、接收端刀口成像系统，使接收端离轴抛物面镜系统(接收端主镜系统)、接收端反射镜系统、刀口成像系统的中心位置同激光水平仪形成十字交叉激光线中的水平线重合。调节六自由度平台的偏航角度，使激光水平仪形成的十字交叉激光线中的垂直激光线同平台上的定位线和接收端离轴抛物面镜的中心重合。通过以上的调节步骤，使纹影仪接收端的光路部分位于风洞轴线所在的水平面上，并且纹影仪接收端离轴抛物面镜2反射光轴垂直于风洞轴线。

(2)接收端离轴抛物面镜系统(接收端主镜系统)的调节

调节接收端离轴抛物面镜系统中的偏航调节、俯仰调节、滚转调节手轮，使接收端离轴抛物面镜的反射光斑中心点和接收端反射镜中心点完全重合。

(3)接收端反射镜系统的调节

调节接收端反射镜系统的偏航调节和俯仰调节，把接收到的光斑汇聚到刀口。

(4)接收端刀口成像系统的调节

调节刀口三坐标系统中的X轴调节旋钮，切割光源像，会出现以下三种情况：

光源像与刀刃焦前、焦后的鉴别方式，见图25：

a、当刀刃刚好在接收端离轴抛物面镜焦点时，正方向转动刀口座进给手轮，使刀刃向光轴垂直方向移动，眼睛观察刀刃刚刚切到焦点时，整个亮光斑开始均匀变暗。这是最理想的位置，如图“b”。

b、当刀刃垂直切向光轴，眼睛观察顺着刀刃移动方向亮斑开始逐渐向光斑中心移动变暗，这种现象为焦后，如图“a”所示需要向前调节平移接收端离轴抛物面镜。

c、当刀刃垂直切向光轴，眼睛观察对着刀刃移动方向亮斑开始逐渐向光斑中心动变暗，这种现象为焦前如图“c”，需要向后调节平移接收端离轴抛物面镜，直到移动到b位置，可以找到焦点，使流场灵敏度达到理想位置。

在系统调试好后，记录下二位倾角传感器、PSD数据、视觉定位数据，并将该数据作为一键复位的依据。

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 (10)

1.一种基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，包括：

发射端系统，其设置在风洞的一侧的观察窗的外部；

所述发射端系统包括：

发射端支撑单元；

发射端六自由度平台，其设置在发射端支撑单元上；

发射端主镜系统，其设置在发射端六自由度平台上且远离风洞观察窗；且所述发射端主镜系统的顶部水平设置有PSD激光光源；

发射端反射镜系统，其设置在发射端六自由度平台上且靠近风洞观察窗；

发射端光源狭缝系统，其设置在发射端六自由度平台上且位于发射端主镜系统和发射端反射镜系统之间；

视觉定位相机，其设置在发射端六自由度平台且位于发射端反射镜系统的一侧；

用于视觉定位相机定位的标志二维码，其设置在风洞上且位于观察窗的一侧；

接收端系统，其设置在风洞的另一侧的观察窗的外部；

所述接收端系统包括：

接收端支撑单元；

接收端六自由度平台，其设置在接收端支撑单元上；

接收端主镜系统，其设置在接收端六自由度平台上且远离风洞观察窗；且所述接收端主镜系统的顶部垂直设置有PSD探测头；

接收端反射镜系统，其设置在接收端六自由度平台上且靠近风洞观察窗；

接收端刀口成像系统，其设置在接收端六自由度平台上且位于接收端主镜系统和接收端反射镜系统之间。

2.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述发射端支撑单元和接收端支撑单元的结构一致，其包括：轨道平车和设置在轨道平车上的支撑架；所述发射端六自由度平台和接收端六自由度平台分别设置在发射端支撑单元和接收端支撑单元的支撑架上。

3.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述发射端主镜系统包括：

设置在发射端六自由度平台上的底座，其上放置有一U型支撑臂；

旋转弯臂，其连接在U型支撑臂上；所述旋转弯臂和U型支撑臂之间设置有用于离轴抛物面镜仰俯调节的俯仰调节机构；

旋转镜架，其通过旋转连接板连接在旋转弯臂上；所述旋转镜架与旋转弯臂之间设置有滚转调节机构；所述旋转镜架包括：旋转连接板，其上设置有镜框，所述镜框通过螺钉连接有镜室，镜室内固定有离轴抛物面镜；

用于离轴抛物面镜偏航调节的偏航调节机构，其设置在底座内；且所述偏航调节机构与U型支撑臂连接；

其中所述发射端主镜系统和接收端主镜系统的结构一致，且所述PSD激光光源水平设置在发射端主镜系统的旋转镜架的顶部；所述PSD探测头垂直设置在接收端主镜系统的旋转镜架的顶部。

4.如权利要求3所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述俯仰调节机构被放置于U型支撑臂的一侧，所述俯仰调节机构包含相互匹配的第一蜗杆和第一蜗轮，第一蜗轮与旋转弯臂相连，第一蜗杆一端连接有第一圆形调节手轮；所述旋转弯臂一端与俯仰调节机构中的第一蜗轮通过螺钉固定连接，旋转弯臂另一端与U型支撑臂通过第一轴承可转动连接；

所述滚转调节机构被放置于旋转弯臂中间，所述滚转调节机构包含一相互匹配的第二蜗杆与第二蜗轮，第二蜗轮与旋转连接板通过螺钉连接，第二蜗杆一端连接有第二圆形调节手轮；所述旋转连接板还通过第二轴承和第三轴承连接在旋转弯臂上，且第二轴承和第三轴承对称分布在滚转调节机构两侧；

所述偏航调节机构包括：弧形凸块Ⅰ，其设置在底座内，且所述弧形凸块Ⅰ与U型支撑臂相连接；第一丝母，其设置在底座一侧的边缘；第二丝母，其设置在底座另一侧的边缘；第一丝杆和第二丝杆分别穿过第一丝母和第二丝母与弧形凸块Ⅰ的两侧相接触，第一丝杆和第二丝杆的端部连接有第三圆形调节手轮和第四圆形调节手轮；其中，所述弧形凸块Ⅰ的内凹面与底座弧形凸面相连接；所述弧形凸块Ⅰ与U型支撑臂的连接方式为：所述U型支撑臂底板上设置有方形孔，弧形凸块Ⅰ的凸出部分与方形孔紧密扣合。

5.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述发射端光源狭缝系统包括：

第一XYZ三维移动平台，其设置在发射端六自由度平台上；

光源，其通过支撑平台连接在第一XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；

水平移动平台，其连接在所述支撑平台上；

狭缝单元，其连接在所述水平移动平台的移动板上。

6.如权利要求5所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述狭缝单元包括：

狭缝单元支撑架，其连接在水平移动平台的移动板上；所述狭缝单元支撑架内可转动设置有丝杆；所述丝杆上连接有两个螺母，其中一个螺母为反向螺母；

圆台，其一面设置有凹陷部；所述凹陷部上设置有长方形孔作为狭缝；

平行设置的两个刀口，其分别连接在两个螺母上；所述圆台设置在两个刀口上，且所述圆台的狭缝与平行的两个刀口形成的孔隙相对应。

7.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述发射端反射镜系统和接收端反射镜系统的结构一致，其包括：

第一XY二维移动平台，其设置在在发射端六自由度平台上；

反射镜支撑架，其连接在第一XY二维移动平台的Y轴移动平台上；

反射镜底座，其连接在反射镜支撑架上；

反射镜U型支撑臂，其连接反射镜底座上；

反射镜镜架，其连接在反射镜U型支撑臂上，所述反射镜镜架上连接反射镜；

其中，所述反射镜底座内设置有反射镜偏航调节机构；所述反射镜U型支撑臂的底部安装有反射镜仰俯调节机构。

8.如权利要求7所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述反射镜偏航调节机构包括：弧形凸块Ⅱ，其设置在反射镜底座内，且所述弧形凸块Ⅱ与反射镜U型支撑臂连接；第三丝母，其设置在反射镜底座一侧的边缘；第四丝母，其设置在反射镜底座另一侧的边缘；第三丝杆和第四丝杆分别穿过第三丝母和第四丝母与弧形凸块Ⅱ的两侧相接触；其中，所述反射镜底座内设置有容纳弧形凸块Ⅱ的空间，弧形凸块Ⅱ置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅱ与反射镜U型支撑臂的连接方式为：所述反射镜U型支撑臂的底部与弧形凸块Ⅱ的上端通过孔洞扣合连接；

所述反射镜仰俯调节机构包括：弧形凸块Ⅲ，其设置在反射镜U型支撑臂的底部内，且所述弧形凸块Ⅲ与反射镜镜架连接；第五丝母，其设置在反射镜U型支撑臂底部一侧的边缘；第六丝母，其设置在反射镜U型支撑臂底部另一侧的边缘；第五丝杆和第六丝杆分别穿过第五丝母和第六丝母与弧形凸块Ⅲ的两侧相接触；其中，所述反射镜U型支撑臂的底部内设置有容纳弧形凸块Ⅲ的空间，弧形凸块Ⅲ置于该空间后与空间的内壁具有一定的间隙；所述弧形凸块Ⅲ与反射镜镜架的连接方式为：所述反射镜镜架的底部与弧形凸块Ⅲ的上端通过孔洞扣合连接。

9.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述接收端刀口成像系统包括：

第二XYZ三维移动平台，其设置在接收端六自由度平台上；

方形刀口，其通过第一连接板设置在第二XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；

第三XYZ三维移动平台，其设置在接收端六自由度平台上；

接收端CCD相机，其通过第二连接板设置在第三XYZ三维移动平台的Z轴移动平台上；且所述接收端CCD相机与方形刀口相对设置。

10.如权利要求1所述的基于六自由度平台的风洞纹影仪定位装置，其特征在于，所述风洞两侧的观察窗的玻璃上标记有水平线和垂线，十字交点即为窗口玻璃中心位置，在风洞内部中心位置放置一个两线激光水平仪。