CN111473946A - 一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法，属于结冰风洞试验测量技术领域。所述测量装置由相机、线激光器、介质膜反射镜、光学镜架、支杆、旋转台、基座组成。相机安装固定在基座上，用于采集图像；线激光器通过支杆安装固定在基座上，用于产生激光片光；介质膜反射镜通过光学镜架安装固定在旋转台中心位置，用于反射线激光器产生的激光片光；旋转台安装固定在基座上，用于转动介质膜反射镜。对测量装置进行离线标定后，可整体直接安装固定在结冰风洞观察窗外进行应用，可有效实现结冰风洞试验过程中结冰三维冰形在线测量，具有安装便捷、操作简单、非接触式、安全性好等优点。

Description

一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及结冰风洞试验测量技术领域，具体指一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法。

背景技术

飞机结冰广泛存在于飞行实践中，是导致飞行安全事故的主要隐患之一。飞机的不同部位都有可能发生结冰，如机翼、尾翼、操纵面、发动机进气道、驾驶舱挡风玻璃、测温/测速/测压等各种传感器探头，等等。一旦飞机发生结冰，其最优气动外形将被破坏，飞机表面的流场、气动力也会随之改变，飞机的气动性能将急剧恶化，飞行安全将受到严重威胁。到目前为止，国内外已发生了众多因结冰引发的飞行事故，严重的结冰甚至造成了机毁人亡的重大安全事故。

结冰风洞试验是模拟飞机结冰过程、开展飞机结冰机理研究的重要手段，结冰冰形是结冰试验获得的核心关键信息，对其进行准确测量是结冰试验的重要目标。目前已有的传统测量手段只能在结冰试验结束后对最终结冰冰形进行测量，还无法实现结冰试验全过程的冰形测量，即冰形在线测量，而这对于理解结冰物理过程、研究安全飞行时间及边界、优化防除冰系统设计等具有重要意义。因此，如何在结冰试验过程中进行冰形在线测量成为了亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法，旨在解决结冰风洞试验过程中结冰冰形无法在线测量的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置，包括相机、线激光器、介质膜反射镜、光学镜架、支杆、旋转台、基座；所述相机安装固定在基座上，用于采集图像；所述线激光器通过支杆安装固定在基座上，用于产生激光片光；所述介质膜反射镜通过光学镜架安装固定在旋转台中心位置，与线激光器处于同一高度，位于线激光器正前方，介质膜反射镜镜面与旋转台平面垂直，介质膜反射镜中心与线激光器激光光轴共线，用于反射线激光器产生的激光片光；所述旋转台安装固定在基座上，用于转动介质膜反射镜。

所述线激光器产生的激光片光宽度为d毫米，d的取值范围为0.1~1。

一种结冰风洞试验三维冰形在线测量方法，包括以下步骤：

步骤1：使用棋盘格标定板对测量装置进行离线标定，具体方法如下：

步骤1-1：采用张正友标定法，使用棋盘格标定板对相机内参矩阵A进行标定；

步骤1-2：控制线激光器产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜反射在棋盘格标定板表面形成激光线，触发相机采集标定图像；

步骤1-3：对标定图像中的棋盘格角点进行检测，得到棋盘格角点的图像坐标，计算标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；

步骤1-4：采用灰度重心法对标定图像中的激光线进行检测，得到激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标如下：

其中，

为激光片光在棋盘格标定板表面形成的激光线上第n个点在相机坐 标系下的三维坐标，

为该点在标定板坐标系下的三维坐标，

为该点的图 像坐标，

为比例系数，A为标定得到的相机内参矩阵，R和T为标定板坐标系与相机坐标系 之间的旋转矩阵和平移向量；

步骤1-5：变换棋盘格标定板姿态，重复步骤1-2~步骤1-4，计算得到棋盘格标定板不同姿态下表面激光线在相机坐标系下的三维坐标，对所有激光线上的点进行最小二乘平面拟合，得到激光平面方程系数；

步骤1-6：控制旋转台转动，在每一个旋转位置重复步骤1-2~步骤1-5，获得不同旋转位置的激光平面方程系数；

步骤2：将测量装置安装固定在结冰风洞观察窗外；

步骤3：结冰风洞试验过程中，控制线激光器产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜反射在试验模型结冰表面形成激光线；

步骤4：控制旋转台转动，使介质膜反射镜旋转反射激光片光扫描试验模型结冰表面，同步触发相机采集不同旋转位置的激光线图像；

步骤5：采用灰度重心法提取不同旋转位置的激光线图像中激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标，如下：

其中，

为第i个旋转位置反射的激光片光在试验模型结冰表面形成的激光 线上第j个点在相机坐标系下的三维坐标，

为该点的图像坐标，

为比例系数，A为离 线标定得到的相机内参矩阵，

为离线标定得到的第i个旋转位置反射 的激光片光在相机坐标系下的平面方程系数。

本发明有益效果：

本发明提供的结冰风洞试验三维冰形在线测量装置及方法，可实现结冰风洞试验过程中结冰三维冰形在线测量，具有安装方便、操作简单、非接触式、安全性好等优点。整个测量装置通过基座进行了结构固化，便于移动和安装，可根据实际测量需求安装在结冰风洞的任意一个观察窗外。测量过程中，测量装置不需要进行移动或旋转，有效避免了结冰风洞框架结构和观察窗带来的空间限制。测量装置可提前在地面完成离线标定，并且只需要标定一次，在结冰风洞安装好后即可开始结冰试验和冰形测量，有效减少了测量准备时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的结冰风洞试验三维冰形在线测量装置结构示意图；

图2是本发明提供的结冰风洞试验三维冰形在线测量方法流程示意图；

图3是用于测量装置离线标定的棋盘格标定板；

图4是标定图像；

图5是标定图像棋盘格角点检测结果；

图6是标定图像激光线检测结果。

其中，1为相机，2为线激光器，3为介质膜反射镜，4为光学镜架，5为支杆，6为旋转台，7为基座。

具体实施方式

下面将结合本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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置，包括相机1、线激光器2、介质膜反射镜3、光学镜架4、支杆5、旋转台6、基座7。

其中，相机1安装固定在基座7上，用于采集图像；线激光器2通过支杆5安装固定在基座7上，用于产生激光片光；介质膜反射镜3通过光学镜架4安装固定在旋转台6的中心位置，与线激光器2处于同一高度，位于线激光器2正前方，介质膜反射镜3的镜面与旋转台6的台面垂直，介质膜反射镜3的中心与线激光器2的激光光轴共线，用于反射线激光器2产生的激光片光；旋转台6安装固定在基座上，用于转动介质膜反射镜3。

具体地，本实施例中相机1的像元大小为3.45微米，成像分辨率为4096×3000，帧率为68帧/秒。线激光器2使用波长为640纳米的红色可见激光，产生的激光片光宽度为0.5毫米，输出功率0~500毫瓦可调。介质膜反射镜3直径50毫米，厚度3毫米。旋转台6台面直径102毫米，旋转角度范围360°，整步分辨率0.01°，最大速度20°/秒，重复定位精度≤±0.005°。基座7大小为200毫米×300毫米。

如图2所示，本实施例提供了一种结冰风洞试验三维冰形在线测量方法。

步骤1：使用如图3所示的棋盘格标定板对测量装置进行离线标定，具体方法如下：

步骤1-1：采用张正友标定法，使用棋盘格标定板对相机1的内参矩阵A进行标定。

步骤1-2：控制线激光器2产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜3反射在棋盘格标定板表面形成激光线，触发相机采集标定图像，如图4所示。

步骤1-3：对标定图像中的棋盘格角点进行检测，结果如图5所示，得到棋盘格角点的图像坐标，其与棋盘格角点的三维坐标之间满足如下关系：

其中，

为棋盘格标定板上第K个棋盘格角点在标定板坐标系下的三维坐标， 根据棋盘格的物理大小及其在棋盘格标定板上的物理位置可以得到，

为该棋盘格 角点的图像坐标，

为比例系数，A为标定得到的相机内参矩阵，R和T为标定板坐标系与相 机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。基于棋盘格角点的图像坐标和三维坐标，计算得到 标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T。

步骤1-4：采用灰度重心法对标定图像中的激光线进行检测，结果如图6所示，得到激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标如下：

其中，

为激光片光在棋盘格标定板表面形成的激光线上第n个点在相机 坐标系下的三维坐标，

为该点在标定板坐标系下的三维坐标，

为该点的 图像坐标，为

比例系数，A为标定得到的相机内参矩阵，R和T为计算得到的标定板坐标系 与相机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。

步骤1-5：变换棋盘格标定板姿态，重复步骤1-2~步骤1-4，计算得到棋盘格标定板不同姿态下表面激光线在相机坐标系下的三维坐标。由于所有激光线都位于同一激光平面上，因此所有激光线上的点均满足如下平面方程：

其中，a，b，c，d为激光平面方程系数。对所有激光线上的点进行最小二乘平面拟合，得到激光平面方程系数。

步骤1-6：控制旋转台6转动，在每一个旋转位置重复步骤1-2~步骤1-5，获得不同旋转位置的激光平面方程系数。

步骤2：将测量装置安装固定在结冰风洞观察窗外。

步骤3：结冰风洞试验过程中，控制线激光器2产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜3反射在试验模型结冰表面形成激光线。

步骤4：控制旋转台6转动，使介质膜反射镜3旋转反射激光片光扫描试验模型结冰表面，同步触发相机采集不同旋转位置的激光线图像。

步骤5：采用灰度重心法提取不同旋转位置的激光线图像中激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标如下：

其中，

为第i个旋转位置反射的激光片光在试验模型结冰表面形成的激光线 上第j个点在相机坐标系下的三维坐标，

为该点的图像坐标，

为比例系数，A为离线 标定得到的相机内参矩阵，

为离线标定得到的第i个旋转位置的激光平 面方程系数。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置，其特征在于：包括相机、线激光器、介质膜反射镜、光学镜架、支杆、旋转台、基座；所述相机安装固定在基座上，用于采集图像；所述线激光器通过支杆安装固定在基座上，用于产生激光片光；所述介质膜反射镜通过光学镜架安装固定在旋转台中心位置，与所述线激光器处于同一高度，位于所述线激光器正前方，所述介质膜反射镜镜面与所述旋转台平面垂直，所述介质膜反射镜中心与所述线激光器激光光轴共线，用于反射所述线激光器产生的激光片光；所述旋转台安装固定在基座上，用于转动所述介质膜反射镜。

2.根据权利要求1所述的一种结冰风洞试验三维冰形在线测量装置，其特征在于：所述线激光器产生的激光片光宽度为d毫米，d的取值范围为0.1~1。

3.一种基于权利要求1-2任一项所述装置的结冰风洞试验三维冰形在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用棋盘格标定板对测量装置进行离线标定；

步骤2：将测量装置安装固定在结冰风洞观察窗外；

步骤3：结冰风洞试验过程中，控制线激光器产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜反射在试验模型结冰表面形成激光线；

步骤4：控制旋转台转动，使介质膜反射镜旋转反射激光片光扫描试验模型结冰表面，同步触发相机采集不同旋转位置的激光线图像；

步骤5：采用灰度重心法提取不同旋转位置的激光线图像中激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标如下：

其中，

为第i个旋转位置反射的激光片光在试验模型结冰表面形成的激光线 上第j个点在相机坐标系下的三维坐标，

为该点的图像坐标，

为比例系数，A为离 线标定得到的相机内参矩阵，为离线标定得到的第i个旋转位置反射的激 光片光在相机坐标系下的平面方程系数。

4.根据权利要求3所述的一种结冰风洞试验三维冰形在线测量方法，其特征在于：所述步骤1使用棋盘格标定板对测量装置进行离线标定，具体包括以下步骤：

步骤1-1：采用张正友标定法，使用棋盘格标定板对相机内参矩阵A进行标定；

步骤1-2：控制线激光器产生激光片光，激光片光经介质膜反射镜反射在棋盘格标定板表面形成激光线，触发相机采集标定图像；

步骤1-3：对标定图像中的棋盘格角点进行检测，得到棋盘格角点的图像坐标，计算标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；

步骤1-4：采用灰度重心法对标定图像中的激光线进行检测，得到激光线的图像坐标，计算激光线的三维坐标如下：

其中，

为激光片光在棋盘格标定板表面形成的激光线上第n个点在相机坐 标系下的三维坐标，

为该点在标定板坐标系下的三维坐标，

为该点的 图像坐标，

为比例系数，A为标定得到的相机内参矩阵，R和T为标定板坐标系与相机坐标 系之间的旋转矩阵和平移向量；

步骤1-5：变换棋盘格标定板姿态，重复步骤1-2~步骤1-4，计算得到棋盘格标定板不同姿态下表面激光线在相机坐标系下的三维坐标，对所有激光线上的点进行最小二乘平面拟合，得到激光平面方程系数；

步骤1-6：控制旋转台转动，在每一个旋转位置重复步骤1-2~步骤1-5，获得不同旋转位置的激光平面方程系数。

Images