CN112562086B - 一种冰形-模型曲面重构方法 - Google Patents

一种冰形-模型曲面重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种冰形‑模型曲面重构方法，其包括如下步骤：在结冰风洞试验前，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面，同时利用激光扫描探头获取模型点云；组成模型重构曲面集合；进行结冰风洞试验，结冰风洞试验后，模型上形成积冰；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面；同时利用激光扫描探头获取冰形点云；组成冰形重构曲面集合；实现模型重构曲面集合和冰形重构曲面集合的匹配，获得冰形‑模型重构曲面。本发明的对齐精度高、适应性好、效率高。

Description

一种冰形-模型曲面重构方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种冰形-模型曲面重构方法。
背景技术
当飞机在云层中飞行时，云层中的过冷水滴（即温度低于冰点的液态水滴）会不断撞击飞机迎风面，导致其表面发生结冰现象。飞机结冰广泛存在于飞行实践中，并严重威胁飞行安全。结冰风洞是开展飞机结冰研究及飞机部件防除冰系统验证的重要地面试验设备，其在飞机结冰适航审定中扮演着重要角色。结冰风洞试验中，积冰外形几何轮廓是最重要的结冰试验结果，是临界冰形选取、防除冰系统性能评估、冰模研制等试验目标的关键参数。
结冰风洞目前主要采用激光线扫描法，在扫描之前，在积冰表面均匀喷洒测冰显影剂（测冰显影剂为一种由二氧化钛和无水乙醇按一定比例混合而成的悬浊液），再进行扫描，实现模型表面的积冰三维形貌扫描测量。激光线扫描法可以较好的捕捉积冰表面的三维结果，获取三维冰形的点云集合，进而采用Geomagic等典型曲面重构商业软件，将获取的三维冰形点云集合精确重构为三维冰形轮廓曲面。最后，将三维冰形曲面与模型曲面进行匹配，获得最终的冰形-模型重构曲面组合体。
在整个三维冰形的扫描和重构过程中，三维冰形扫描坐标系的对齐是其中不可忽视的关键问题。
在测量过程中，扫描设备的位置并不固定，其主要原因在于：一方面，在结冰试验过程中，扫描设备需要移出结冰风洞试验段，结冰试验结束后，扫描设备才能移入结冰风洞试验段；另一方面，为了满足测量范围的要求，还需移动扫描设备来扩大测量范围；然而，冰形扫描点空间位置坐标系取决于所用的扫描设备的固定位置，由于扫描设备的位置并不固定，因此，冰形扫描点坐标系是不断变化的，然而，扫描设备的固定位置是难以测量及确定的。
另外，模型坐标系与冰形点云坐标系也不相同。因此，为了获得最终的冰形-模型重构曲面组合体，必须要对不同位置间的冰形点云坐标系、模型坐标系、冰形扫描点坐标系进行对齐。
目前，针对三维冰形测量中的坐标系对齐问题，现有技术中通常采用以下方式：
一些研究机构和高校利用冰形与模型表面的公共特征，通过对齐这些公共特征，实现冰形点云坐标系与模型坐标系的对齐。其中的公共特征通常选择模型表面处积冰无法覆盖的特征区域（例如螺丝孔、沉头孔等），如期刊文献“[1]郑伟涛. 机翼结冰冰形三维测量方法的研究与应用[D].华中科技大学，2017”采用了这种方式，于期刊文献的第33页介绍了坐标对齐的方法；另一种方式为，对于表面无明显特征（无螺丝孔）的光滑模型，通常在模型表面积冰区域外，钻取特征孔或粘贴特征点，如美国iASA Gleii中心IRT结冰风洞便采用了这种方式。
但是，实际结冰风洞试验中，上述方法存在以下两大问题：
1）限于模型加工的精度限制，公共特征并非标准的圆形或点，坐标系对齐的过程中经常会出现明显对齐偏差，导致冰形和模型的匹配效果较差；
2）结冰风洞试验中，模型的结构差异较大，通常难以在模型表面找到合适的公共特征，而通过在模型表面钻取或者粘贴特征结构来建立公共特征的方式，不但难以准确固定特征结构的设置位置，影响对齐效果，甚至会破坏试验模型，而且增长了模型准备周期，降低了试验效率，难以大范围应用，不利于开展大规模的结冰风洞试验；现有技术仅适合于开展单一模型的冰形测量，难以适应不同模型的冰形测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冰形-模型曲面重构方法，旨在解决现有技术中存在的对齐精度不高、适应性差、效率低的技术问题。
本发明提供了一种冰形-模型曲面重构方法，其包括如下步骤：
步骤S10:在结冰风洞试验前，将对齐参考特征块、测试设备、模型安装在结冰风洞试验段的下转盘上，所述测试设备上具有激光扫描探头和硬质接触探头，所述对齐参考特征块上具有特征面；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面，并利用激光扫描探头测量未结冰的模型表面，获得模型点云；
步骤S20:将模型点云进行曲面重构，获得模型重构曲面，将模型重构曲面与特征面在结冰风洞试验前所在的平面组成模型重构曲面集合；
步骤S30:将对齐参考特征块、测试设备从结冰风洞试验段的下转盘上取下，并从结冰风洞试验段内移除，进行结冰风洞试验，结冰风洞试验后，模型上形成积冰；
步骤S40:结冰风洞试验后，再次将对齐参考特征块、测试设备安装在结冰风洞试验段的下转盘上；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面；并利用激光扫描探头测量模型上的结冰表面，获得冰形点云；其中，在结冰风洞试验前后，对齐参考特征块安装在下转盘上的位置相同；
步骤S50:将冰形点云进行曲面重构，获得冰形重构曲面，将冰形重构曲面与特征面在结冰风洞试验后所在的平面组成冰形重构曲面集合；
步骤S60:将模型重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验前所在的平面，与冰形重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验后所在的平面对齐，实现模型重构曲面集合和冰形重构曲面集合的匹配，获得冰形-模型重构曲面。
进一步地，所述对齐参考特征块的特征面包括相互垂直且具有共同交点的第一特征面、第二特征面、第三特征面，其中，将第一特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面平行，将第二特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面垂直，且将第二特征面设置为与下转盘的特征中心线平行，将第三特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面垂直，且将第三特征面设置为与下转盘的特征中心线垂直，所述特征中心线定义为：在模型为0度攻角时，经过下转盘的中心，且平行于模型弦线的直线。
进一步地，所述步骤S10中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面包括：第一特征面所在的第一平面A 1 、第二特征面所在的第二平面B 1 、第三特征面所在的第三平面C 1 。
进一步地，所述步骤S40中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面包括：第一特征面所在的第一平面A i+1 、第二特征面所在的第二平面B i+1 、第三特征面所在的第三平面C i+1 ，其中i为测量的积冰区域序号，1≤i≤n，n为测量的最后一个积冰区域序号，将积冰区域i对应的冰形点云记为冰形点云i。
进一步地，所述步骤S60中，将所有的第一平面A i+1 与第一平面A 1 对齐，将所有的第二平面B i+1 与第二平面B 1 对齐，将所有的第三平面C i+1 与第三平面C 1 对齐。
进一步地，所述对齐参考特征块10与结冰风洞试验段下壁面30之间的距离在800mm~1000mm之间。
进一步地，在利用激光扫描探头测量模型40上的结冰表面之前，向结冰表面均匀喷洒测冰显影剂。
本发明相对于现有技术的技术效果是：
1.本发明中，由于对齐参考特征块上具有的为特征面，而平面的加工很容易就达到理想的加工精度，因而，通过本发明中的对齐参考特征块，可以实现更好的匹配精度；
2.本发明中，对齐参考特征块为单独的部件，且不依附在模型上，因而对于模型的适应性较强，即使模型的结构差异较大，对齐参考特征块同样可以作为公共特征；
3.本发明中，公共特征的建立并不需要破坏模型，因而不需要为模型单独设置公共特征的加工环节，提高了效率；
4.本发明中，在所有需要安装对齐参考特征块的步骤中，对齐参考特征块安装在下转盘上的位置相同，因而，本发明的匹配精度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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是本发明实施例提供的一种冰形-模型曲面重构方法的示意图；
图2是测量装置示意图；
图3是模型点云示意图；
图4是模型重构曲面集合示意图；
图5是冰形点云示意图；
图6是冰形重构曲面集合示意图；
图7是冰形-模型重构曲面示意图。
具体实施方式
在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示为本发明实施例提供的一种冰形-模型曲面重构方法的示意图，如图2所示为测量装置示意图。
本发明实施例提供的一种冰形-模型曲面重构方法包括如下步骤：
步骤S10:在结冰风洞试验前，将对齐参考特征块10、测试设备、模型40安装在结冰风洞试验段的下转盘20上，所述测试设备上具有激光扫描探头和硬质接触探头，所述对齐参考特征块10上具有特征面；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面，并利用激光扫描探头测量未结冰的模型表面，获得模型点云；
对齐参考特征块10优选为长方体块状结构，通过支杆11固定连接在结冰风洞试验段的下转盘20上；
优选地，为了尽量精确，对齐参考特征块10的表面应光滑平整；
可利用硬质接触探头测量特征面上的不公线的三个点，来确定特征面在结冰风洞试验前所在的平面；
本发明中，由于对齐参考特征块上具有的为特征面，而平面的加工很容易就达到理想的加工精度，因而，通过本发明中的对齐参考特征块，可以实现更好的匹配精度。而现有技术中，限于模型加工的精度限制，公共特征并非标准的圆形或点，坐标系对齐的过程中经常会出现明显对齐偏差，导致冰形和模型的匹配效果较差。
如图3所示为模型点云示意图。
步骤S20:将模型点云进行曲面重构，获得模型重构曲面，将模型重构曲面与特征面在结冰风洞试验前所在的平面组成模型重构曲面集合；
如图4所示为模型重构曲面集合示意图。
步骤S30:将对齐参考特征块10、测试设备从结冰风洞试验段的下转盘20上取下，并从结冰风洞试验段内移除，进行结冰风洞试验，结冰风洞试验后，模型40上形成积冰；
在结冰风洞试验时，为了不对来流风造成干扰，进而影响试验，因此需要将对齐参考特征块10、测试设备从结冰风洞试验段的下转盘20上取下，并从结冰风洞试验段内移除；
步骤S40:结冰风洞试验后，再次将对齐参考特征块10、测试设备安装在结冰风洞试验段的下转盘20上；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面；并利用激光扫描探头测量模型40上的结冰表面，获得冰形点云；其中，在结冰风洞试验前后，对齐参考特征块10安装在下转盘20上的位置相同；
以通过支杆11将对齐参考特征块10固定连接在结冰风洞试验段的下转盘20上为例，也就是说，支杆11与结冰风洞试验段的下转盘20的连接位置相对于下转盘20固定不变，这里的“固定不变”指的是，在所有需要安装对齐参考特征块10的步骤中，对齐参考特征块10安装在下转盘20上的位置相同，通过该处理之后，随着下转盘20的旋转，对齐参考特征块10也一同旋转，但其与下转盘20的相对位置不变；
另外，可利用硬质接触探头测量特征面上的不公线的三个点，来确定特征面在结冰风洞试验后所在的平面；
如图5所示为冰形点云示意图。
步骤S50:将冰形点云进行曲面重构，获得冰形重构曲面，将冰形重构曲面与特征面在结冰风洞试验后所在的平面组成冰形重构曲面集合；
经过上述步骤得到了模型重构曲面集合和冰形重构曲面集合，但是模型重构曲面集合的模型重构曲面坐标系，与冰形重构曲面集合的三维冰形重构曲面坐标系之间，并没有进行匹配，因而还不能获得冰形-模型重构曲面；因而还需进行如下步骤；
如图6所示为冰形重构曲面集合示意图。
步骤S60:将模型重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验后所在的平面，与冰形重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验前所在的平面对齐，实现模型重构曲面集合和冰形重构曲面集合的匹配，获得冰形-模型重构曲面。
经过步骤S60之后，模型重构曲面集合的模型重构曲面坐标系，与冰形重构曲面集合的三维冰形重构曲面坐标系之间，实现了精确匹配。
本发明中，对齐参考特征块10为单独的部件，且不依附在模型上，因而对于模型的适应性较强，即使模型的结构差异较大，对齐参考特征块10同样可以作为公共特征；而现有技术中，通过在模型表面钻取或者粘贴特征结构来建立公共特征，仅适合于开展单一模型的冰形测量，难以适应不同模型的冰形测量；
再者，本发明中，公共特征的建立并不需要破坏模型，因而不需要为模型单独设置公共特征的加工环节，提高了效率；
最后，现有技术中，通过在模型表面钻取或者粘贴特征结构来建立公共特征，难以准确固定特征结构的设置位置，因而，匹配精度不高；而本发明中，在所有需要安装对齐参考特征块10的步骤中，对齐参考特征块10安装在下转盘20上的位置相同，因而，本发明的匹配精度更高。
如图7所示为冰形-模型重构曲面示意图。
进一步地参见图2，所述对齐参考特征块10的特征面包括相互垂直且具有共同交点的第一特征面101、第二特征面102、第三特征面103，其中，将第一特征面101设置为与结冰风洞试验段下壁面30平行，将第二特征面102设置为与结冰风洞试验段下壁面30垂直，且将第二特征面102设置为与下转盘20的特征中心线平行，将第三特征面103设置为与结冰风洞试验段下壁面30垂直，且将第三特征面103设置为与下转盘20的特征中心线垂直，所述特征中心线定义为：在模型40为0度攻角时，经过下转盘20的中心，且平行于模型40弦线的直线。图2中的O点即为第一特征面101、第二特征面102、第三特征面103的共同交点。其中，模型40弦线指的是前缘点与后缘点的连线。
进一步地，所述步骤S10中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面包括：第一特征面101所在的第一平面A 1 、第二特征面102所在的第二平面B 1 、第三特征面103所在的第三平面C 1 。
进一步地，所述步骤S40中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面包括：第一特征面101所在的第一平面A i+1 、第二特征面102所在的第二平面B i+1 、第三特征面103所在的第三平面C i+1 ，其中i为测量的积冰区域序号，1≤i≤n，n为测量的最后一个积冰区域序号，将积冰区域i对应的冰形点云记为冰形点云i。
进一步地，所述步骤S60中，将所有的第一平面A i+1 与第一平面A 1 对齐，将所有的第二平面B i+1 与第二平面B 1 对齐，将所有的第三平面C i+1 与第三平面C 1 对齐。
进一步地，所述对齐参考特征块10与结冰风洞试验段下壁面30之间的距离在800mm~1000mm之间。
进一步地，在利用激光扫描探头测量模型上的结冰表面之前，向结冰表面均匀喷洒测冰显影剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10:在结冰风洞试验前，将对齐参考特征块（10）、测试设备、模型（40）安装在结冰风洞试验段的下转盘（20）上，所述测试设备上具有激光扫描探头和硬质接触探头，所述对齐参考特征块（10）上具有特征面；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面，并利用激光扫描探头测量未结冰的模型表面，获得模型点云；
步骤S20:将模型点云进行曲面重构，获得模型重构曲面，将模型重构曲面与特征面在结冰风洞试验前所在的平面组成模型重构曲面集合；
步骤S30:将对齐参考特征块（10）、测试设备从结冰风洞试验段的下转盘（20）上取下，并从结冰风洞试验段内移除，进行结冰风洞试验，结冰风洞试验后，模型（40）上形成积冰；
步骤S40:结冰风洞试验后，再次将对齐参考特征块（10）、测试设备安装在结冰风洞试验段的下转盘（20）上；利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面；并利用激光扫描探头测量模型（40）上的结冰表面，获得冰形点云；其中，在结冰风洞试验前后，对齐参考特征块（10）安装在下转盘（20）上的位置相同；
步骤S50:将冰形点云进行曲面重构，获得冰形重构曲面，将冰形重构曲面与特征面在结冰风洞试验后所在的平面组成冰形重构曲面集合；
步骤S60:将模型重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验前所在的平面，与冰形重构曲面集合中的特征面在结冰风洞试验后所在的平面对齐，实现模型重构曲面集合和冰形重构曲面集合的匹配，获得冰形-模型重构曲面。
2.如权利要求1所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，所述对齐参考特征块（10）的特征面包括相互垂直且具有共同交点的第一特征面、第二特征面、第三特征面，其中，将第一特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面（30）平行，将第二特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面（30）垂直，且将第二特征面设置为与下转盘（20）的特征中心线平行，将第三特征面设置为与结冰风洞试验段下壁面（30）垂直，且将第三特征面设置为与下转盘（20）的特征中心线垂直，所述特征中心线定义为：在模型（40）为0度攻角时，经过下转盘（20）的中心，且平行于模型（40）弦线的直线。
3.如权利要求2所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，所述步骤S10中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验前所在的平面包括：第一特征面所在的第一平面A 1 、第二特征面所在的第二平面B 1 、第三特征面所在的第三平面C 1 。
4.如权利要求3所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，所述步骤S40中，利用硬质接触探头测量特征面在结冰风洞试验后所在的平面包括：第一特征面所在的第一平面A i+1 、第二特征面所在的第二平面B i+1 、第三特征面所在的第三平面C i+1 ，其中i为测量的积冰区域序号，1≤i≤n，n为测量的最后一个积冰区域序号，将积冰区域i对应的冰形点云记为冰形点云i。
5.如权利要求4所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，
所述步骤S60中，将所有的第一平面A i+1 与第一平面A 1 对齐，将所有的第二平面B i+1 与第二平面B 1 对齐，将所有的第三平面C i+1 与第三平面C 1 对齐。
6.如权利要求1-5之一所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，
所述对齐参考特征块（10）与结冰风洞试验段下壁面（30）之间的距离在800mm~1000mm之间。
7.如权利要求6所述的一种冰形-模型曲面重构方法，其特征在于，
在利用激光扫描探头测量模型（40）上的结冰表面之前，向结冰表面均匀喷洒测冰显影剂。
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