CN110427700A - 针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，涉及飞机尾流场数据处理技术领域，包括如下步骤：S1、构建规则的插值栅格顶点坐标；S2、尾流场内不规则的散点坐标向规则的插值栅格顶点坐标进行插值吸附；S3、检查数据漏洞，进行二次线性插值拟合计算。本发明提出的网格吸附插值算法能满足分布式仿真中对插值速度的要求，这是以往的典型的插值算法所不能实现的，是一种在保持较高插值精度的基础上较快速的三维插值算法，即相比于现有的插值拟合方法，本发明的栅格吸附插值拟合方法具有插值精度高和拟合速度快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及飞机尾流场数据处理技术领域，特别涉及针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法。
背景技术
在真实飞行情况下，尾流场由于前机姿态改变而不断变化，飞行仿真研究需要构建不规则尾流场。鉴于此，引入俯仰变换矩阵、滚转变换矩阵、偏航变换矩阵，对尾流场的坐标系及速度进行旋转变换，从而构建起不规则尾流场。
经过变换后的尾流场坐标排列是不规则的，但是飞行实时仿真需要根据尾流场模型数据动态插值每个坐标点的速度矢量，而这种不规则的坐标排列在飞行仿真计算中是无法使用的，所以需要将变换后坐标点对应的速度矢量插值拟合到标准的升序排列三维坐标点上。
关于三维散点数据的差值拟合方法主要分为基于整体的插值拟合方法和基于局部的插值拟合方法。整体的插值拟合方法不能提供内插区域的局部特性，结果不够精确且计算量较大；局部插值拟合方法受样本点影响较大，实际应用中效果不理想，所以就需要一种针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法。
发明内容
本发明实施例提供了针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，用以解决现有技术中存在的问题：现有三维插值拟合方法插值精度及拟合速度无法满足尾流场分布式仿真计算要求。
针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，包括如下步骤：
S1、构建规则的插值栅格顶点坐标；
S2、尾流场内不规则的散点坐标向规则的插值栅格顶点坐标进行插值吸附；
S3、检查数据漏洞，进行二次线性插值拟合计算。
优选地，在所述S1中，首先构建规则的插值栅格顶点坐标，空间八个相邻的插值栅格点构成一个立方体。
优选地，在所述S2中，依据散点坐标判断其在立方体中的位置，而后向小立方体对应的栅格点进行吸附插值。
优选地，在所述S3中，初次插值后没有被吸附的插值栅格点在三维空间内形成了“数据漏洞”，为了补全“数据漏洞”，由“数据漏洞”坐标点周围的六个有值坐标点，进行二次插值拟合计算。
本发明有益效果：本发明提出的网格吸附插值算法能满足分布式仿真中对插值速度的要求，这是以往的典型的插值算法所不能实现的，是一种在保持较高插值精度的基础上较快速的三维插值算法，即相比于现有的插值拟合方法，本发明的栅格吸附插值拟合方法具有插值精度高和拟合速度快的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的网格吸附法示意图；
图3为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的初次插值过程中的“数值漏洞”现象图；
图4为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的各插值算法与克里金算法的相对误差图；
图5为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的变换之前三维尾流场结构示意图；
图6为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的变换之后三维尾流场结构示意图；
图7为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的变换之前的vθ云图；
图8为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的网格吸附法变换后的vθ云图；
图9为本发明实施例提供的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法的采用Kriging法变换后的vθ云图。
附图标记说明：
1-待插值规则化的网格点，2-向规则栅格点的插值吸附，3-坐标变换后的不规则已知点，4-尾流空间内其他网格。
具体实施方式
下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
现有三维插值拟合方法插值精度及拟合速度无法满足尾流场分布式仿真计算的要求，本发明提出的栅格吸附插值拟合方法在保持较高拟合速度的基础上提高了插值精度，满足了分布式仿真计算对插值精度和拟合速度的要求。
参照图1-9，本发明提供了针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，包括下列步骤：
(一)构建规则的插值栅格顶点坐标
首先构建规则的插值栅格顶点坐标，空间八个相邻的插值栅格点构成一个立方体，八个相邻的插值栅格点命名为101～108，如图2所示。
(二)尾流场内不规则的散点坐标向规则的栅格顶点坐标进行插值吸附
立方体中包含尾流场内不规则三维散点命名为201～203，依据散点坐标判断其在立方体中的位置，而后向小立方体对应的栅格点进行吸附插值，例如散点201向规则的栅格点102吸附插值、散点202向规则的栅格点106吸附插值、散点203向规则的栅格点108吸附插值，如图2所示。
其中，1为待插值规则化的网格点，2为向规则栅格点的插值吸附，3为坐标变换后的不规则已知点，4为尾流空间内其他网格。
(三)检查数据漏洞，进行二次线性插值拟合计算
尾流场内坐标点分布是离散的，初次插值后存在没有被吸附的插值栅格点，例如插值栅格点104-108，这些插值栅格点在三维空间内形成了“数据漏洞”，如图3所示，因此为了补全“数据漏洞”，由“数据漏洞”坐标点周围六个有值坐标点，进行二次插值拟合计算。
表1示出6种不同插值拟合方法的平均拟合时间(s)。通过表1可以看出，在三维插值点数量为107量级的时候，克立金插值拟合方法完成插值拟合计算的时间高达92.15s，而栅格吸附插值拟合算法只需0.73s即可计算完毕，比最近邻点插值拟合方法所需的1.89s还要快。栅格吸附插值拟合方法与表1中速度最快的最近邻点插值拟合方法的区别是：最近邻点插值拟合方法需要计算插值网格点坐标与相邻的各个不规则已知点的距离，而栅格吸附插值拟合方法只需判断不规则已知点在规则插值栅格内所处的区间，无需进行距离的计算，因此栅格吸附插值拟合方法比最近邻点插值拟合方法的拟合速度更快。
表1 插值拟合方法的平均拟合时间(s)
计算各三维插值拟合方法相对于精度最高的克里金插值拟合方法的相对误差，公式如下：
式中，m为待插值网格坐标点数量；为克里金插值拟合方法计算出的网格点取值；xi为其他插值拟合方法计算出的网格点取值。
通过图4可以看出，栅格吸附插值拟合方法在插值网格点数量比较少的时候，其精度并不理想。在网格只有100个的时候，精度最差，这主要是由于栅格吸附插值拟合方法在插值网格上存在漏洞点，网格点数量越少，对漏洞点的放大效果越明显，误差必然增大。但随着插值区域密度的提高，网格数量相应增加，栅格吸附插值拟合方法的相对误差迅速减小，在网格数量为107量级时，栅格吸附插值拟合方法的相对误差仅有0.7％。
由于尾流场分布式仿真计算插值网格点数量一般在106-107之间，结合表1中栅格吸附插值方法的拟合速度最快这一优点，得出结论：本发明提出的栅格吸附插值拟合方法对于大数据量尾流场网格坐标的插值拟合效率是最高的。为了更好地展示网格吸附插值法的优势，进行了前机保持滚转角-10°为例计算尾流场的不规则变化情况，根据公式(2)引入滚转变换矩阵：
实施例，经过变换并使用网格吸附法对三维散点坐标进行插值后的三维尾流场结构如图6所示，与图5未经变换的尾流场结构相比，可以看出图6中三维尾流场向Y轴负方向旋转了10°度(图6中Y轴坐标为反向排序)。
在X＝5500m处YZ截面上的横向速度vθ云图如图7，通过对比图8亦可以看出尾流场向左旋转了10°，与前机保持滚转角-10°相一致。图9为使用精度最高的Kriging插值法得出相同位置处低网格密度情形下的横向速度云图，对比图7亦可看出两者基本一致，网格吸附法满足精度的要求。
综上所述，本发明提出的网格吸附插值算法能满足分布式仿真中对插值速度的要求，这是以往的典型的插值算法所不能实现的，是一种在保持较高插值精度的基础上较快速的三维插值算法，即相比于现有的插值拟合方法，本发明的栅格吸附插值拟合方法具有插值精度高和拟合速度快的特点。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建规则的插值栅格顶点坐标；
S2、尾流场内不规则的散点坐标向规则的插值栅格顶点坐标进行插值吸附；
S3、检查数据漏洞，进行二次线性插值拟合计算。
2.如权利要求1所述的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，其特征在于，在所述S1中，首先构建规则的插值栅格顶点坐标，空间八个相邻的插值栅格点构成一个立方体。
3.如权利要求1所述的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，其特征在于，在所述S2中，依据散点坐标判断其在立方体中的位置，而后向小立方体对应的栅格点进行吸附插值。
4.如权利要求1所述的针对尾流场不规则三维散点坐标的栅格吸附插值拟合方法，其特征在于，在所述S3中，初次插值后没有被吸附的插值栅格点在三维空间内形成了“数据漏洞”，为了补全“数据漏洞”，由“数据漏洞”坐标点周围的六个有值坐标点，进行二次插值拟合计算。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113432829A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-09-24 | 刘雪岭 | 一种用于气、固、液多相云雾燃爆湍流场piv测量集成系统 |
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| JP2000069311A (ja) * | 1997-10-08 | 2000-03-03 | Seiko Epson Corp | 装置の制御方法、画像処理装置 |
| CN107194045A (zh) * | 2017-05-08 | 2017-09-22 | 北京航空航天大学 | 一种用于空中加油的受油机前扰波建模方法 |
| CN109801348A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-05-24 | 广东工业大学 | 一种适用于三维流体模拟的三阶高精度对流插值算法 |
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2019
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Patent Citations (3)
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