CN111079277B - 一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，属于航空航天气动减速领域；步骤一、降落伞存储舱做下坠运动；步骤二、通过相机对降落伞的开伞过程连续拍摄n张图片；步骤三、统计t_i时刻拍摄图像中降落伞最大投影面积的像素数N_i；步骤四、按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积转换至距离相机L1距离处；步骤五、计算最大投影面积的修正面积S_i；步骤六、计算降落伞开伞过程中的阻力面积CDS_i；得到降落伞开伞过程阻力面积的变化曲线；同样计算降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j和平均阻力面积CDS；本发明通过相机拍摄，计算降落伞开伞过程投影面积，得到开伞过程降落伞的阻力面积变化规律，也实现了降落伞稳降过程降落伞的阻力面积的计算。

Description

一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法

技术领域

本发明属于航空航天气动减速领域，涉及一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法。

背景技术

在航空航天领域，降落伞是一种重要的气动减速及稳定装置。降落伞的是由柔软透气的特纺材料制成，降落伞在充气完成后具有较大的阻力面积，可大大降低物体的运动速率，也可用阻力为物体提供稳定性。

目前在风洞试验、高塔投放试验、空投试验中一般都是通过降落伞回收重量(载荷)与降落伞稳定降落时速度计算出其阻力面积。在外场投放试验时，测量的降落伞稳降速度一般由GPS测量或者高速摄像得到，其是降落伞相对于地面的速度，当无风条件下，用该速度计算的降落伞阻力面积准确。但外场环境难以保证无风，且物伞系统的稳定降落速度一般小于10m/s，其容易受到风场干扰，当物伞系统的稳降速度越小，其受到风场的影响越大。

目前降落伞开伞过程阻力面积的变化规律，一般由经验公式给出，但不同的伞型，不同的降落伞开伞条件，其变化规律并不完全一致，由经验公式给出的阻力面积变化，可能给降落伞开伞过程的载荷计算带来额外误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，通过单个相机拍摄，计算降落伞开伞过程投影面积，得到开伞过程降落伞的阻力面积变化规律，对降落伞稳降阶段投影面积的计算，可得到降落伞的阻力面积。

本发明解决技术的方案是：

一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，包括如下步骤：

步骤一、在降落伞存储舱的侧壁固定安装相机；降落伞存储舱做下坠运动，降落伞从降落伞存储舱内部伸出至全部展开；相机指向竖直向上方向；降落伞的顶部中心处设置有通孔；

步骤二、通过相机对降落伞的开伞过程连续拍摄n张图片；每张图片的拍摄时刻为t_i；i＝1，2，……，n；

步骤三、对n张图像进行分析；统计t_i时刻拍摄图像中降落伞最大投影面积的像素数分别为N_i；且通孔的像素数为N_dk；

步骤四、设定最大投影面积距离相机的距离为L2，通孔距离相机的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积转换至距离相机L1距离处；

步骤五、计算每张图像最大投影面积在距离相机L1距离处的修正面积S_i；

步骤六、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞开伞过程中的阻力面积CDS_i；根据t_i和CDS_i，得到降落伞开伞过程阻力面积的变化曲线；

步骤七、通过相机对降落伞的稳降过程连续拍摄m张图片；每张图片的拍摄时刻为t_j；j＝1，2，……，m；

步骤八、对m张图像进行分析；统计t_j时刻拍摄图像中降落伞最大投影面积的像素数分别为N_j；且通孔的像素数为N_dk；

步骤九、设定最大投影面积距离相机的距离为L2，通孔距离相机的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积转换至距离相机L1距离处；

步骤十、计算每张图像最大投影面积在距离相机L1距离处的修正面积S_j；

步骤十一、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j；计算降落伞稳降过程中的平均阻力面积CDS。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤二中，n为正整数，且n≥20；任意相邻2张照片的拍摄间隔时间相同。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤四中，面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤五中，修正面积S_i的计算方法为：

式中，S_dk为通孔面积。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤六中，阻力面积CDS_i的计算方法为：

CDS_i＝k×S_i。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，当连续5张图像中最大投影面积的像素数N_i变化率小于5％时，认为开伞过程结束；当开伞过程结束后20s，认为降落伞进入稳降阶段。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤九中，面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤十中，修正面积S_j的计算方法为：

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤十一中，降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j的计算方法为：

CDS_j＝k×S_j。

在上述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，所述步骤十一中，平均阻力面积CDS的计算方法为：

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在降落伞图像处理部分，其分别对降落伞伞衣及顶孔计算像素数，又对于具体的降落伞，其顶孔的实际面积是已知，可以根据像素数与面积的比例关系，分别得到降落伞开伞过程伞衣的投影面积变化规律及稳降阶段的伞衣投影面积；

(2)本发明采用降落伞顶孔的实际面积计算投影面积，可从理论消除降落伞系统并不在相机正前方带的计算误差，该计算方法并不依赖相机的参数计算投影面积，而且，在修正过程中只需要一个相机进行拍摄，也并不需要在降落伞布置其它标识点，该方法更加通用且简便。

附图说明

图1为本发明降落伞下降过程示意图；

图2为本发明最大投影面积按面积修正比例系数修正示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种通过单个相机对降落伞开伞过程及稳降过程的投影面积分析，结合光学修正，然后推导得到降落伞开伞过程的阻力面积变化规律及稳降阶段阻力面积的计算方法。包括降落伞图像处理、光学修正及投影面积和阻力面积计算三部分组成。

该计算方法主要特点为：先通过单个相机2拍摄，获取降落伞开伞过程及稳降过程图像分析，计算得到降落伞开伞过程及稳降阶段的降落伞伞衣及顶孔的像素数。由于降落伞最大投影截面一般在伞衣底边处，伞衣最大截面及顶孔与相机的距离并不相同，而在成像时有远小近大的规律，需要根据降落伞系统的尺寸，计算光学修正系数，将降落伞伞衣最大截面变换到顶孔平面。

因为降落伞顶通孔5的面积是已知的,其与降落伞投影面积相比较小，可认为通孔5处为一平面，且在图像处理中，通孔5处一般为天空背景，易于进行识别分析。根据降落伞伞衣及通孔5的像素数，可计算得到降落伞开伞时最大投影面积4及稳降阶段的最大投影面积4。又由该降落伞伞型阻力面积与最大投影面积4的比例关系，可得到开伞过程的阻力面积变化规律及稳降的阻力面积。

降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，在降落伞存储舱1的侧壁固定安装相机2；降落伞存储舱1做下坠运动，降落伞3从降落伞存储舱1内部伸出至全部展开；相机2指向竖直向上方向；降落伞3的顶部中心处设置有通孔5。

步骤二、通过相机2对降落伞3的开伞过程连续拍摄n张图片；每张图片的拍摄时刻为t_i；i＝1，2，……，n；n为正整数，且n≥20；任意相邻2张照片的拍摄间隔时间相同。

步骤三、对n张图像进行分析；统计t_i时刻拍摄图像中降落伞3最大投影面积4的像素数分别为N_i；且通孔5的像素数为N_dk；

步骤四、如图2所示，设定最大投影面积4距离相机2的距离为L2，通孔5距离相机2的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积4转换至距离相机2距离L1处；面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

步骤五、计算每张图像最大投影面积4在距离相机2距离L1处的修正面积S_i；修正面积S_i的计算方法为：

式中，S_dk为通孔5面积。

步骤六、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞开伞过程中的阻力面积CDS_i；根据t_i和CDS_i，得到降落伞开伞过程阻力面积的变化曲线；阻力面积CDS_i的计算方法为：

CDS_i＝k×S_i。

当连续5张图像中最大投影面积4的像素数N_i变化率小于5％时，认为开伞过程结束；当开伞过程结束后20s，认为降落伞进入稳降阶段。

步骤七、通过相机2对降落伞3的稳降过程连续拍摄m张图片；每张图片的拍摄时刻为t_j；j＝1，2，……，m；

步骤八、对m张图像进行分析；统计t_j时刻拍摄图像中降落伞3最大投影面积4的像素数分别为N_j；且通孔5的像素数为N_dk；

步骤九、设定最大投影面积4距离相机2的距离为L2，通孔5距离相机2的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积4转换至距离相机2L1距离处；面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

步骤十、计算每张图像最大投影面积4在距离相机2L1距离处的修正面积S_j；修正面积S_j的计算方法为：

步骤十一、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j；计算降落伞稳降过程中的平均阻力面积CDS。降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j的计算方法为：

CDS_j＝k×S_j。

平均阻力面积CDS的计算方法为：

本发明是通过降落伞的投影面积计算阻力面积，该方法可以计算开伞过程的阻力面积变化和稳定状态的阻力面积。本发明只需要采用单个相机拍摄降落伞的开伞过程及稳降过程，并不需要多个相机的视场进行校准，也不需要获取相机的准确参数。本发明采用降落伞顶部通孔5作为标识，根据降落伞系统尺寸参数，对降落伞最大投影面积4进行光学修正，一方面提高投影面积计算精度，另一方面不需要额外布置标识点。本发明采用拍摄图像的像素点总数来表征投影面积，相比于长度或者面积，识别精度更高。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在降落伞存储舱(1)的侧壁固定安装相机(2)；降落伞存储舱(1)做下坠运动，降落伞(3)从降落伞存储舱(1)内部伸出至全部展开；相机(2)指向竖直向上方向；降落伞(3)的顶部中心处设置有通孔(5)；

步骤二、通过相机(2)对降落伞(3)的开伞过程连续拍摄n张图片；每张图片的拍摄时刻为t_i；i＝1，2，……，n；

步骤三、对n张图像进行分析；统计t_i时刻拍摄图像中降落伞(3)最大投影面积(4)的像素数分别为N_i；且通孔(5)的像素数为N_dk；

步骤四、设定最大投影面积(4)距离相机(2)的距离为L2，通孔(5)距离相机(2)的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积(4)转换至距离相机(2)L1距离处；

步骤五、计算每张图像最大投影面积(4)在距离相机(2)L1距离处的修正面积S_i；

步骤六、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞开伞过程中的阻力面积CDS_i；根据t_i和CDS_i，得到降落伞开伞过程阻力面积的变化曲线；

步骤七、通过相机(2)对降落伞(3)的稳降过程连续拍摄m张图片；每张图片的拍摄时刻为t_j；j＝1，2，……，m；

步骤八、对m张图像进行分析；统计t_j时刻拍摄图像中降落伞(3)最大投影面积(4)的像素数分别为N_j；且通孔(5)的像素数为N_dk；

步骤九、设定最大投影面积(4)距离相机(2)的距离为L2，通孔(5)距离相机(2)的距离为L1；计算面积修正比例系数k_sp；按面积修正比例系数k_sp将最大投影面积(4)转换至距离相机(2)L1距离处；

步骤十、计算每张图像最大投影面积(4)在距离相机(2)L1距离处的修正面积S_j；

步骤十一、设定降落伞伞型阻力面积与修正面积的比例系数为k，计算降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j；计算降落伞稳降过程中的平均阻力面积CDS。

2.根据权利要求1所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤二中，n为正整数，且n≥20；任意相邻2张照片的拍摄间隔时间相同。

3.根据权利要求2所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤四中，面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

4.根据权利要求3所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤五中，修正面积S_i的计算方法为：

式中，S_dk为通孔(5)面积。

5.根据权利要求4所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤六中，阻力面积CDS_i的计算方法为：

CDS_i＝k×S_i。

6.根据权利要求5所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：当连续5张图像中最大投影面积(4)的像素数N_i变化率小于5％时，认为开伞过程结束；当开伞过程结束后20s，认为降落伞进入稳降阶段。

7.根据权利要求6所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤九中，面积修正比例系数k_sp的计算方法为：

8.根据权利要求7所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤十中，修正面积S_j的计算方法为：

9.根据权利要求8所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤十一中，降落伞稳降过程中的阻力面积CDS_j的计算方法为：

CDS_j＝k×S_j。

10.根据权利要求9所述的一种降落伞开伞过程及稳降阶段阻力面积获取方法，其特征在于：所述步骤十一中，平均阻力面积CDS的计算方法为：

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