CN112577708B - 一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统及方法。包括：通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机进行标定，获得相机参数；试验前，通过相机采集铅垂线示意图，得到铅垂线在图像坐标系的第一夹角；在模型表面搭载标记物，通过相机实时捕获模型的二维图像；通过服务器接收二维图像、第一夹角和相机参数，识别标记物的运动轨迹，获取标记物的二维运动轨迹，得到模型的运动轨迹，计算出模型轴向力大小，获得模型的推阻测量数据。该基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统改善了现有技术中无法在高焓激波风洞有效流场中进行动态测量的问题。

Description

一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统方法

技术领域

本发明涉及风洞发动机模型推阻测量方法技术领域，尤其是涉及一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统及方法。

背景技术

高焓激波风洞的有效流场持续时间往往较短，因此在其中进行动态测量一直以来都是一件充满挑战的事情。极短的试验时间里，传统的基于力平衡的方法由于响应时间问题并不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统及方法，该传动装置能够解决现有技术中无法在高焓激波风洞有效流场中进行动态测量的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，包括：

S101，通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机进行标定，获得相机参数；

S102，试验前，通过相机采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线在图像坐标系的第一夹角；

S103，在模型表面搭载标记物，通过相机实时捕获所述模型的二维图像；

S104，通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物的运动轨迹，获取所述标记物的二维运动轨迹，得到所述模型的运动轨迹，计算出所述模型轴向力大小，获得所述模型的推阻测量数据。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步地，所述模型通过电永磁铁悬挂在风洞试验段中，试验过程中通过控制模块控制所述模型。

进一步地，试验前，在所述模型的试验位置悬挂铅垂线，待所述铅垂线稳定后，通过所述相机拍摄所述铅垂线得到铅垂线图像；

以重力方向为竖直方向的基准轴，通过Hough直线检测的方法，得到所述铅垂线图像中铅垂线的解析式，通过所述解析式得到所述铅垂线与图像坐标系的第一夹角。

进一步地，所述服务器根据所述相机参数对所述二维图像进行畸变矫正；将所述二维图像旋转第一夹角的角度，使图像坐标系中的OY轴和重力加速度方向重合；

通过所述服务器对所述标记物上特征圆的边界提取，获取边界上的像素坐标，通过非线性拟合，确定所述标记物上各个特征圆的圆心精确位置和直径尺度，提取精度可达亚像素级，得到各个特征圆的圆心的运动轨迹。

进一步地，通过服务器将所述特征圆根据所述特征圆的直径排序，所述特征圆的每一个圆孔生成一个对应的编号1～N，所述特征圆的每一个圆心的运动轨迹为X₁～X_N和Y₁～Y_N，所述特征圆每一个直径对应为d₁～d_N。

进一步地，通过服务器将将圆孔特征根据排列组合原理两两组队，得到一个组合；将所述组合的每组的圆心距与实物的实际设计尺寸尺度换算，得到第一换算因子；将所述第一换算因子算数平均，得到最终像素到实际尺寸的第二换算因子。

进一步地，通过服务器取所述标记物中直径最大的特征圆的运动轨迹，代表所述模型的整体运动轨迹，加入所述第一换算因子，得到实际尺度的模型运动轨迹。

进一步地，通过服务器取所述标记物中直径最大和第二大的两个圆的圆心做一条直线，获取其随着时间变化和OX轴之间的第二夹角，减去0时刻的夹角，得到所述模型运动的攻角。

进一步地，通过服务器分别对x方向和y方向进行随着时间变化的二次差分得到x方向和y方向的加速度，通过x方向和y方向的加速度得到轴向加速度，根据所述模型的重量m，推算出轴向推阻为，得到发动机模型推阻测量数据。

一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统；其用于风洞试验段，所述风洞试验段包括第一观察窗和第二观察窗，所述第一观察窗和第二观察窗相对应设置；包括：

推阻测量悬挂机构，其包括主体支架、电永磁铁和控制模块，所述电永磁铁设于所述主体支架，所述控制模块与所述电永磁铁电性相连，所述控制模块用于输出时序信号；

模型，其通过所述电永磁铁悬挂在风洞试验段中，所述电永磁铁接收所述时序信号释放所述模型；

标记物，其包括若干个不同直径圆孔，与所述模型相固接；

光源，其与所述第一观察窗相对应设置，用于照明；

相机，其与所述光源和所述第二观察窗相对应设置；通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机进行标定，获得相机参数；试验前，通过相机采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线在图像坐标系的第一夹角；通过相机实时捕获所述模型的二维图像；

服务器，其与所述相机电性相连，通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物的运动轨迹，获取所述标记物的二维运动轨迹，得到所述模型的运动轨迹，计算出所述模型轴向力大小，获得所述模型的推阻测量数据。

本发明具有如下优点：

本发明中的基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统，通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机进行标定，获得相机参数；试验前，通过相机采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线在图像坐标系的第一夹角；在模型表面搭载标记物，通过相机实时捕获所述模型的二维图像；通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物的运动轨迹，获取所述标记物的二维运动轨迹，得到所述模型的运动轨迹，计算出所述模型轴向力大小，获得所述模型的推阻测量数据。解决了现有技术中无法在高焓激波风洞有效流场中进行动态测量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中高焓激波风洞发动机推阻测量方法的方法流程图；

图2为本发明实施例中风洞背光照明成像系统的示意图。

图3为本发明实施例中铅垂线和图像坐标系的关系示意图；

图4为本发明实施例中标记物的结构示意图；

图5为本发明实施例中模型轴向加速度和图像加速度的关系示意图；

图6为本发明实施例中推阻测量悬挂机构的结构示意图。

附图标记说明：

推阻测量悬挂机构10，主体支架101，电永磁铁102，模型20，标记物30，特征圆301，光源40，第一观察窗50，第二观察窗60，相机70。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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，本发明提供了一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，包括：

S101，通过张正友标定法获得相机参数；

在本步骤中，通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机70进行标定，获得相机参数；试验前，通过在风洞试验段两侧窗口处，布置大功率高亮度光源40、匀光材料、相机70组成背光成像系统。

该相机70为高速CMOS相机，试验前，通过特殊设计的透明黑白棋盘格，对高速CMOS相机进行标定，采用张正友标定法获取相机70的内参数A和畸变参数k₁、k₂、p₁、p₂。

所布置的高对比度背光成像系统，能够在高焓激波风洞试验中获取对比度高、边缘清晰的试验图像，为后续数据处理提供优质的图像数据。设计的玻璃材质的透明棋盘格标记板，能够有效的在背光成像系统中得到优质的标定数据，进而校正相机70获取到的图像的畸变。

S102，通过相机采集铅垂线示意图得到第一夹角；

在本步骤中，试验前，通过相机70采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线在图像坐标系的第一夹角；试验前，通过在模型20的试验位置，悬挂铅垂线，待铅坠稳定后，用相机70进行拍摄，从而以重力方向作为竖直方向的基准轴。

如图4所示，相机70拍摄到的铅垂线示意图，采用Hough直线检测的方法，获取图像中铅垂线的解析式，计算得到铅垂线和图像坐标系OXY的夹角θ。通过悬挂铅垂线来确定竖直方向的坐标轴基准，不受其它物体干扰，多次试验基准统一，有利于提高试验数据的重复性和准确性。

S103，通过相机实时捕获所述模型的二维图像；

在本步骤中，在模型20表面搭载标记物30，通过相机70实时捕获所述模型20的二维图像；试验前，在发动机模型上安装特殊标记物30，如图4所示，标记物30由多个不同直径的圆孔组成。采用特殊设计的标记物30，通过不同尺度的圆孔设计来进行圆孔区分，同时圆孔具有旋转不变的特性，有利于提高后续图像分析时边缘提取的精度。

S104，通过服务器获得所述模型的推阻测量数据；

在本步骤中，通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物30的运动轨迹，获取所述标记物30的二维运动轨迹，得到所述模型20的运动轨迹，计算出所述模型20轴向力大小，获得所述模型20的推阻测量数据。开始试验，通过高速CMOS相机获取试验过程中模型20上安装的特殊标记物30的运动视频数据。

基于图像分析的方法，首先将图像利用S101中标定参数进行畸变矫正；然后旋转角度θ，从而使得图像坐标系中的OY轴和重力加速度方向重合；进而通过对圆形特征的边界提取，获取边界上的像素坐标，然后进行非线性拟合，确定标记物30上各个特征圆301的圆心精确位置和直径尺度，提取精度可达亚像素级，进而得到各个圆心的运动轨迹。

所述模型20通过电永磁铁102悬挂在风洞试验段中，试验过程中通过控制模块控制所述模型20。

试验前，在所述模型20的试验位置悬挂铅垂线，待所述铅垂线稳定后，通过所述相机70拍摄所述铅垂线得到铅垂线图像；

以重力方向为竖直方向的基准轴，通过Hough直线检测的方法，得到所述铅垂线图像中铅垂线的解析式，通过所述解析式得到所述铅垂线与图像坐标系的第一夹角。

所述服务器根据所述相机参数对所述二维图像进行畸变矫正；将所述二维图像旋转第一夹角的角度，使图像坐标系中的OY轴和重力加速度方向重合；

通过所述服务器对所述标记物30上特征圆301的边界提取，获取边界上的像素坐标，通过非线性拟合，确定所述标记物30上各个特征圆301的圆心精确位置和直径尺度，提取精度可达亚像素级，得到各个特征圆301的圆心的运动轨迹。

通过服务器将所述特征圆301根据所述特征圆301的直径排序，所述特征圆301的每一个圆孔生成一个对应的编号1～N，所述特征圆301的每一个圆心的运动轨迹为X₁～X_N和Y₁～Y_N，所述特征圆301每一个直径对应为d₁～d_N。

通过服务器将将圆孔特征根据排列组合原理两两组队，得到一个组合；将所述组合的每组的圆心距与实物的实际设计尺寸尺度换算，得到第一换算因子；将所述第一换算因子算数平均，得到最终像素到实际尺寸的第二换算因子。

根据排列组合的原理，对圆孔特征进行两两组队，可得

个组合，然后将每组的圆心距跟实物的实际设计尺寸进行尺度换算，得到第一换算因子ε₁～ε_{N (N-1)}/₂，然后对第一换算因子进行算数平均，得到最终像素到实际尺寸的第二换算因子ε。利用两两组合的圆孔的圆心距，进行实际模型20尺度和图像像素尺度的换算，采用多组合的方式计算，有利于提高换算因子的计算精度。

通过服务器取所述标记物30中直径最大的特征圆301的运动轨迹，代表所述模型20的整体运动轨迹，加入所述第一换算因子，得到实际尺度的模型20运动轨迹。取标记物30中直径最大的圆的运动轨迹，代表发动机模型的整体运动轨迹，同时加入中得到的第一换算因子，得到实际尺度的模型20运动轨迹，即(x，y)＝ε×max{(X_i，Y_i)|d_i，i＝1，2......N}。对x和y进行巴特沃斯低通滤波，滤波器的截止频率取100hz，滤除高频噪声。

通过服务器取所述标记物30中直径最大和第二大的两个圆的圆心做一条直线，获取其随着时间变化和OX轴之间的第二夹角，减去0时刻的夹角，

得到所述模型20运动的攻角。取标记物30中直径最大和第二大的两个圆的圆心做一条直线，获取其随着时间变化和OX轴之间的夹角α_t，然后减去0时刻的夹角，即α＝α_t-α_t＝0，从而得到模型20运动的攻角。

如图5所示，通过服务器分别对x方向和y方向进行随着时间变化的二次差分得到x方向和y方向的加速度，通过x方向和y方向的加速度得到轴向加速度，根据所述模型20的重量m，推算出轴向推阻，得到发动机模型推阻测量数据。分别对x和y进行随着时间变化的二次差分得到两个方向的加速度a_x、a_y，则轴向加速度a_axis＝a_y×sin(α)+a_x×cos(α)。

根据模型20的重量m，从而推算出轴向推阻为F＝ma_axis，得到发动机模型推阻测量数据。充分考虑了模型20在运动过程中攻角α对于轴向加速度计算时的影响，有利于提高轴向推阻测量的准确性。

如图2和图6所示，一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统；其用于风洞试验段，所述风洞试验段包括第一观察窗50和第二观察窗60，所述第一观察窗50和第二观察窗60相对应设置；包括：

推阻测量悬挂机构10，其包括主体支架101、电永磁铁102和控制模块，所述电永磁铁102设于所述主体支架101，所述控制模块与所述电永磁铁102电性相连，所述控制模块用于输出时序信号；

模型20，其通过所述电永磁铁102悬挂在风洞试验段中，所述电永磁铁102接收所述时序信号释放所述模型20；

标记物30，其包括若干个不同直径圆孔，与所述模型20相固接；

光源40，其与所述第一观察窗50相对应设置，用于照明；

相机70，其与所述光源40和所述第二观察窗60相对应设置；通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机70进行标定，获得相机参数；试验前，通过相机70采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线在图像坐标系的第一夹角；通过相机70实时捕获所述模型20的二维图像；

服务器，其与所述相机70电性相连，通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物30的运动轨迹，获取所述标记物30的二维运动轨迹，得到所述模型20的运动轨迹，计算出所述模型20轴向力大小，获得所述模型20的推阻测量数据。

本发明主要研究高焓激波风洞中的发动机模型的推阻测量问题，提出了一种基于背光成像和图像识别技术的发动机模型自由飞运动轨迹捕获技术，通过拟合运动轨迹的加速度测算出内推力的大小。初始模型20通过电永磁铁102悬挂在风洞试验段中，试验过程中通过精确的时序信号释放模型20。设计了一个特殊的标记物30固定安装在模型20上，试验过程中通过相机70捕捉其运动图像，然后经过标记物30边缘提取及特征识别完成轨迹计算。

在高焓激波风洞试验段，安装了推阻测量悬挂机构10，如图6所示，主要由三部分构成，包括主体支架101、电永磁铁102及控制系统。

在风洞试验段两侧观察窗分别布置光源40和相机70，组成背光照明高速图像采集系统，如图2所示为结构示意图。背光照明方式获取的图像，相比于纹影图像，边缘更加清晰、对比度更高，在后续图像处理的过程中能够达到更高的精度，纹影图像里，边缘的提取偏差在3～4pixels，背光照明图像的边缘提取精度为亚像素。

传统的自由飞位移识别采用的是单点追踪技术，即在模型20上手动选取典型特征点，记录其随时间的变化曲线，受主观因素影响较大，识别精度为像素级，在几毫秒试验时间的环境中使用存在较大误差。

如图3所示，本发明采用了基于图像识别技术的模型20典型特征追踪方法，在发动机试验模型20上设置特定的圆形组合特征。发动机推阻测量主要关心内推力，为发动机外表面安装特征标记提供了很大的便利，从而使得发动机推阻的高精度测量成为可能。

通过对圆形特征的边界提取，获取边界上的像素坐标，然后进行非线性拟合，确定特征圆301的圆心精确位置和直径尺度，提取精度可达亚像素级，进而得到其运动轨迹。本发明采用了Hough变换和边缘特征拟合相结合的方法，首先寻找边缘特征进行初步拟合计算，确定存在圆形特征的待选区域，然后再针对待选区域进行Hough变换圆形检测，既保证了算法的鲁棒性，同时还提高了检测效率。

本发明在高焓激波风洞中进行了发动机模型的自由落体运动验证试验和通流验证试验，模型20重量约为40kg。

首先对提出的基于背光成像图像识别的方法进行了地面测试，利用自由落体运动，开展了发动机模型系列试验，验证了微小位移识别技术，试验结果如表1所示，分别采用了两组不同拍摄参数验证，参考当地重力加速度为g＝9.8015m/s2，最大误差不超过±1.6％，绝所大部分试验结果误差在±1％以内。

表1发动机模型自由落体运动试验拍摄参数

然后开展了两次发动机模型通流验证试验，试验状态如表2所示。

表2发动机模型通流验证试验状态

对试验图像进行轨迹追踪和提取，在有效流场阶段，对水平和竖直方向的加速度取平均值，结果如表3所示。由试验结果可知，两次通流试验，水平方向加速度的相对偏差为2.32％，竖直方向加速度的相对偏差为7.44％。

表3稳定流场阶段测量加速度

该基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量系统使用过程如下：

使用时，操作人员通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机70进行标定，获得相机参数；通过相机70采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线和图像坐标系的第一夹角；在模型20表面搭载标记物30，通过相机70实时捕获所述模型20的二维图像；通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物30的运动轨迹，获取所述标记物30的二维运动轨迹，得到所述模型20的运动轨迹，计算出所述模型20轴向力大小，获得所述模型20的推阻测量数据。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法；其特征在于，包括：

S101，通过张正友标定法用黑白棋盘格对相机进行标定，获得相机参数；

S102，试验前，通过相机采集铅垂线示意图，得到所述铅垂线和图像坐标系的第一夹角；

具体的，在模型的试验位置悬挂铅垂线，待所述铅垂线稳定后，通过所述相机拍摄所述铅垂线得到铅垂线图像；

以重力方向为竖直方向的基准轴，通过Hough直线检测的方法，得到所述铅垂线图像中铅垂线的解析式，通过所述解析式得到所述铅垂线与图像坐标系的第一夹角；

S103，在模型表面搭载标记物，通过相机实时捕获所述模型的二维图像；所述标记物由多个不同直径的圆孔组成；

S104，通过服务器接收所述二维图像、所述第一夹角和所述相机参数，识别所述标记物的运动轨迹，获取所述标记物的二维运动轨迹，得到所述模型的运动轨迹，计算出所述模型轴向力大小，获得所述模型的推阻测量数据；

具体的，通过服务器取所述标记物中直径最大和第二大的两个圆的圆心做一条直线，获取其随着时间变化和OX轴之间的第二夹角，减去0时刻的夹角，得到所述模型运动的攻角；

通过服务器分别对模型的运动轨迹的x方向和y方向进行随着时间变化的二次差分得到x方向和y方向的加速度，通过x方向和y方向的加速度得到轴向加速度，根据所述模型的重量m，推算出轴向推阻，得到发动机模型推阻测量数据。

2.根据权利要求1所述基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，其特征在于，所述模型通过电永磁铁悬挂在风洞试验段中，试验过程中通过控制模块控制所述模型。

3.根据权利要求1所述基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，其特征在于，所述服务器根据所述相机参数对所述二维图像进行畸变矫正；将所述二维图像旋转第一夹角的角度，使图像坐标系中的OY轴和重力加速度方向重合；

通过所述服务器对所述标记物上特征圆的边界提取，获取边界上的像素坐标，通过非线性拟合，确定所述标记物上各个特征圆的圆心精确位置和直径尺度，提取精度可达亚像素级，得到各个特征圆的圆心的运动轨迹。

4.根据权利要求3所述基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，其特征在于，通过服务器将所述特征圆根据所述特征圆的直径排序，生成所述特征圆的编号1～N，所述特征圆的圆心的运动轨迹为(X₁,Y₁),…(X_N,Y_N)，所述特征圆的直径对应为d₁～d_N。

5.根据权利要求1所述基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，其特征在于，通过服务器将特征圆根据排列组合原理两两组合；将每组的圆心距与圆孔的实际设计尺寸尺度换算，得到第一换算因子；将所述第一换算因子算数平均，得到最终像素到实际尺寸的第二换算因子。

6.根据权利要求5所述基于背光成像的高焓激波风洞发动机推阻测量方法，其特征在于，通过服务器取所述标记物中直径最大的特征圆的运动轨迹，代表所述模型的整体运动轨迹，加入所述第一换算因子，得到实际尺度的模型运动轨迹。

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