CN115164747B - 一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法 - Google Patents

一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三维扫描的一种极薄冰层厚度的测量方法，属于风洞结冰试验的精密测量技术领域。为解决极薄冰层厚度的测量准确性问题。本发明搭建标识点固定架，在飞行器模型侧面粘贴标识点，使用电动喷枪在飞行器模型均匀喷涂干粉显影剂；用光栅式三维扫描仪对冰层表面进行两次扫描，得到冰层的表面数据；用热风枪融冰，融冰结束用洁净脱脂棉将飞行器模型表面擦拭干净；对飞行器模型喷涂干粉显影剂，然后用光栅式三维扫描仪对飞行器模型表面进行两次扫描，得到飞行器模型表面数据；在三维处理软件中对冰形表面数据和模型表面数据进行处理，得到冰层厚度信息。本发明最低冰层测量厚度为0.1mm。

Description

一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法
技术领域
本发明属于风洞结冰试验的精密测量技术领域，具体涉及一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法。
背景技术
对于结冰风洞中飞行器模型表面冰层的测量，考虑到冰层会融化和试验模型不易拆卸等问题，冰层测量一般在维持低温的结冰现场进行。现场测量工作需要快速完成测量并得到数据，通过数据处理求得冰层厚度信息。但由于冰层的物理特征会随着结冰环境的变化而发生较大的改变，形状、厚度、透明度等都会产生巨大的差异。
目前所使用的结冰风洞中飞行器模型表面冰层的测量方法主要有以下几种方法：探针法、卡纸描线法、超声波法，这些方法最大的问题是无法应用到极薄冰层厚度的测量，只能应用于冰层厚度至少3mm以上的情况，当测量的冰层厚度低于1mm时，上述测量方法基本无法测得冰层厚度准确值。同时，在较大厚度的冰层测量中，这些方法也存在很多缺陷：比如对测量操作手法要求较高，数据稳定性差、偏差大；测量数据为单点或者单截面，数据范围不够全面、数据丰富度差；难以精确定位关注的测量区域；测量难免破坏冰形，会带来较大误差影响；对于表面复杂的冰形难以准确测量厚度等问题。
发明内容
本发明要解决的问题是极薄冰层厚度的测量准确性问题，同时解决现有冰层厚度测量方法难以精准定位测量区域的问题，提出了一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，包括如下步骤：
S1、结冰风洞试验结束后，对飞行器模型的冰层表面喷涂制冷剂；
S2、搭建标识点固定架，在飞行器模型侧面粘贴标识点，然后在飞行器模型表面均匀喷涂干粉显影剂；
S3、将冰层表面测量区域设置为圆形，在冰层表面测量区域内选取9或10个点，测量选取点的冰层厚度数据，具体为用光栅式三维扫描仪对冰层表面进行两次扫描，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据；
S4、进行融冰，融冰温度为400℃-450℃，融冰结束将飞行器模型表面擦拭干净；
S5、对飞行器模型表面再次喷涂干粉显影剂，然后用光栅式三维扫描仪对飞行器模型表面进行两次扫描，得到飞行器模型表面数据；
S6、在三维处理软件中对冰层表面数据和飞行器模型表面数据进行处理，得到的测量选取点的冰层厚度数据取平均值，得到冰层厚度数据。
进一步的，步骤S2中搭建标识点固定架的具体方法为辅助装置与飞行器模型安装于标识点固定架上，辅助装置由棱柱和平面组合而成，在棱柱表面和平面上粘贴标识点，保证标识点不在同一个平面上，且在不移动标识点的前提下保证在扫描角度范围内的异面标识点和光栅式三维扫描仪间的角度小于30度，辅助装置安装在飞行器模型左侧距离冰层表面10cm-25cm处。
进一步的，步骤S3中在喷涂干粉显影剂后5min以内对冰层表面进行测量。
进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、首先对标识点进行整体识别并进行冰层表面的粗扫，确定基本空间坐标系；
S3.2、对冰层表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，以线条扫描冰层表面部分，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据。
进一步的，步骤S4的融冰范围为冰层表面直径为25mm-30mm的圆形区域。
进一步的，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：
S5.1、选择不重置标识点新建扫描文件，即标识点及其空间坐标系仍留存，重置飞行器模型表面扫描内容；
S5.2、对标识点进行整体识别并进行飞行器模型的粗扫；
S5.3、对飞行器模型表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，得到飞行器模型的表面数据。
进一步的，粗扫和补充扫描所采用对齐标识点，为大于4个不共面的标识点序列，取7个以上不共面的标识点作为参考点，具体包括以下步骤：
a、设置转换矩阵为包含平移项系数的高次转换矩阵：
Figure 93080DEST_PATH_IMAGE001
其中T为转换矩阵，
Figure 486015DEST_PATH_IMAGE002
为转换矩阵系数，p=1，…，4，q=1，…，4；
b、将粗扫的参考点坐标记为x，补充扫描的参考点坐标记为y，分别将坐标转换为齐次坐标，xij坐标中的i代表参考标识点的标号，j代表空间坐标方向，得到
Figure 651417DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 889632DEST_PATH_IMAGE004
；
其中i=1，…，7，j=1，…，3；
根据参考点坐标对应关系，对参考点，满足如下关系：
Figure 722459DEST_PATH_IMAGE005
其中[x]、[y]为参考点坐标按顺序排列组成的矩阵；
Figure 507136DEST_PATH_IMAGE006
Figure 425413DEST_PATH_IMAGE007
代入得：
Figure 201739DEST_PATH_IMAGE008
将上式转置，得到：
Figure 623493DEST_PATH_IMAGE009
由此将方程分成三个最小二乘方程，以
Figure 154969DEST_PATH_IMAGE010
的第一列元素为例，得到：
Figure 170329DEST_PATH_IMAGE011
简化写为：
Figure 874980DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 292186DEST_PATH_IMAGE013
为转换矩阵T第一行的元素形成的列向量；
求解最小二乘解，得到：
Figure 56880DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 559536DEST_PATH_IMAGE015
为转换矩阵T第一行元素的最小二乘解，此时得到的解便为转换矩阵T的第一行元素；
c、通过最小二乘解求解，得到两次扫描空间的转换矩阵T，将测量的结果通过转换矩阵统一到同一个坐标系下。
进一步的，在保证同一坐标系的前提下，得到飞行器模型表面数据与冰层表面数据，通过选择基准参考平面，测量出冰层表面与模型表面的距离关系，计算得到冰层厚度。
进一步的，步骤S6中三维处理软件为Geomagic软件。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，能够以较小的误差测量冰层厚度低于1mm以下的冰层信息（误差低于2%），最低冰层测量厚度为0.1mm，误差低于20%，有效的解决了极薄冰层的冰层厚度测量问题。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，测量精度高达0.02mm，采用高精度三维光栅式三维扫描仪，能够有效提高数据精度，具有传统方法难以比拟的优势。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，有效的降低了人为测量误差，测量方法为光学采集，无损测量不会带来传统测量方法中存在的破坏冰层引起的误差问题。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，数据丰富度高，数据维度高，可以精准选取测量范围。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，测量速度快，布置至测量时间低至5分钟以内，有效避免冰层的融化，这对于极薄冰层的测量尤其关键。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，能够很好的解决极薄冰层的厚度测量，能够实现对1mm以下冰层的厚度测量。通过本发明方法测量已知厚度的标准玻璃片，测量结果与理论值相差均在0.02mm以下。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的冰层厚度测量选取点示意图；
图2为本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的未除冰的飞行器模型表面示意图；
图3为本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的除冰后的飞行器模型表面示意图；
图4为本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的测量结果图片；
图5为本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的搭建标识点固定架的示意图；
图中1为冰层表面，2为机翼表面，3为待测冰厚位置，4为棱柱，5为平面，6为标识点固定架，7为飞行器模型，8为标识点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-5详细说明如下 ：
具体实施方式一：
一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，包括如下步骤：
S1、结冰风洞试验结束后，对飞行器模型的冰层表面喷涂制冷剂；
S2、搭建标识点固定架，在飞行器模型侧面粘贴标识点，然后在飞行器模型表面均匀喷涂干粉显影剂；喷涂用设备用电动喷枪喷涂；
进一步的，步骤S2中搭建标识点固定架的具体方法为：辅助装置与飞行器模型安装于标识点固定架上，辅助装置由棱柱和平面组合而成，在棱柱表面和平面上粘贴标识点，保证标识点不在同一个平面上，且在不移动标识点的前提下保证在扫描角度范围内的异面标识点和光栅式三维扫描仪间的角度小于30度，辅助装置安装在飞行器模型左侧距离冰层表面10cm-25cm处，所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的搭建标识点固定架的示意图如附图5所示，从附图5能够看出，标识点固定架和待测飞行器模型稳固的连接在一起，结冰区域主要集中在图中飞行器模型的左侧区域，飞行器模型的侧面贴有标识点，标识点固定架棱台的不同表面以及圆盘的上下表面都贴有随机分布的标识点，组合形成异面标识点，能够为扫描提供各个角度下的参考标识点；
S3、将冰层表面测量区域设置为圆形，在冰层表面测量区域内选取9或10个点，测量选取点的冰层厚度数据，具体为用光栅式三维扫描仪对冰层表面进行两次扫描，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据；步骤S3中在喷涂干粉显影剂后5min以内对冰层表面进行测量；冰层厚度测量选取点示意图如图1所示，从附图1能够看出，在一个标准的环形区域内，等角度间隔的选取8个测点，在圆心区域选取1个测点，用这些测点的平均值来代表冰层的厚度信息；
进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、首先对标识点进行整体识别并进行冰层表面的粗扫，确定基本空间坐标系；
S3.2、对冰层表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，以线条扫描冰层表面部分，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据；所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的未除冰的飞行器模型表面示意图如图2所示，从附图2能够看出，通过扫描手段，可以准确的得到冰层表面的三维图像；
S4、进行融冰，融冰温度为400℃-450℃，融冰结束将飞行器模型表面擦拭干净；用热风枪进行融冰；
进一步的，步骤S4的融冰范围为冰层表面直径为25mm-30mm的圆形区域；
S5、对飞行器模型表面再次喷涂干粉显影剂，然后用光栅式三维扫描仪对飞行器模型表面进行两次扫描，得到飞行器模型表面数据；所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的除冰后的飞行器模型表面示意图如图3所示，从附图3能够看出，除冰后，扫描得到了完整的飞行器模型表面三维图像；
进一步的，步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：
S5.1、选择不重置标识点新建扫描文件，即标识点及其空间坐标系仍留存，重置飞行器模型表面扫描内容；
S5.2、对标识点进行整体识别并进行飞行器模型的粗扫；
S5.3、对飞行器模型表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，得到飞行器模型的表面数据；
进一步的，粗扫和补充扫描所采用对齐标识点，为大于4个不共面的标识点序列，取7个以上不共面的标识点作为参考点，具体包括以下步骤：
a、设置转换矩阵为包含平移项系数的高次转换矩阵：
Figure 802299DEST_PATH_IMAGE001
其中T为转换矩阵，
Figure 401907DEST_PATH_IMAGE016
为转换矩阵系数，p=1，…，4，q=1，…，4；
b、将粗扫的参考点坐标记为x，补充扫描的参考点坐标记为y，分别将坐标转换为齐次坐标，xij坐标中的i代表参考标识点的标号，j代表空间坐标方向，得到
Figure 947289DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 327455DEST_PATH_IMAGE018
；
其中i=1，…，7，j=1，…，3；
根据参考点坐标对应关系，对参考点，满足如下关系：
Figure 983696DEST_PATH_IMAGE005
其中[x]、[y]为参考点坐标按顺序排列组成的矩阵；
Figure 703390DEST_PATH_IMAGE006
Figure 544307DEST_PATH_IMAGE007
代入得：
Figure 287135DEST_PATH_IMAGE019
将上式转置，得到：
Figure 871700DEST_PATH_IMAGE009
由此将方程分成四个最小二乘方程，以
Figure 445901DEST_PATH_IMAGE010
的第一列元素为例，得到：
Figure 333085DEST_PATH_IMAGE011
简化写为：
Figure 422264DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 685886DEST_PATH_IMAGE013
为转换矩阵T第一行的元素形成的列向量；
求解最小二乘解，得到：
Figure 114594DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 297313DEST_PATH_IMAGE015
为转换矩阵T第一行元素的最小二乘解，此时得到的解便为转换矩阵T的第一行元素；
c、通过最小二乘解求解，得到两次扫描空间的转换矩阵T，将测量的结果通过转换矩阵统一到同一个坐标系下；
S6、在三维处理软件中对冰层表面数据和飞行器模型表面数据进行处理，得到的测量选取点的冰层厚度数据取平均值，得到冰层厚度数据。
进一步的，步骤S6中三维处理软件为Geomagic软件；
进一步的，在保证同一坐标系的前提下，得到飞行器模型表面数据与冰层表面数据，通过选择基准参考平面，测量出冰层表面与模型表面的距离关系，计算得到冰层厚度。所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法的测量结果图片如图4所示，从附图4能够看出，第一次扫描得到了冰层的表面信息，第二次扫描得到了飞行器模型的表面信息，通过坐标对齐方法，将两次测量表面信息统一至一个坐标系下，并取一个切面进行观察与数据处理，在Geomagic软件中可以准确的测量预定位置的厚度信息。
进一步的，光栅式三维扫描仪采用立体视觉方法得到待测物体空间坐标，立体视觉三维测量的基本原理是：用两组相机从不同角度对物体摄像，通过特征点的提取和匹配，得出测量点在其中两个图像平面的坐标，再利用成像公式计算出被测点的空间坐标。光栅式三维扫描仪有一个激光光栅发射器，光栅条纹照射在被测物理上，任何细微的形状变化都会引起条纹的变形，两侧的相机捕捉到这种变化，通过数据处理计算得到测点的三维坐标。光栅式扫描仪可以捕捉到物理表面的丰富信息，形成百万计的数据点云，能够精准描述物理的外形信息，在后处理软件中，可以准确测量得到各种信息。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，能够以较小的误差测量冰层厚度低于1mm以下的冰层信息（误差低于2%），最低冰层厚度测量下限可达0.1mm（误差低于20%），有效的解决了极薄冰层的冰层厚度测量问题，测量结果如附图4所示。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，测量精度高达0.02mm，采用高精度三维光栅式三维扫描仪，能够有效提高数据精度，具有传统方法难以比拟的优势。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，有效的降低了人为测量误差，测量方法为光学采集，无损测量不会带来传统测量方法中存在的破坏冰层引起的误差问题。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，数据丰富度高，数据维度高，可以精准选取测量范围。
本发明所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，测量速度快，布置至测量时间低至5分钟以内，有效避免冰层的融化，这对于极薄冰层的测量尤其关键。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (3)

1.一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、结冰风洞试验结束后，对飞行器模型的冰层表面喷涂制冷剂；
S2、搭建标识点固定架，在飞行器模型侧面粘贴标识点，然后在飞行器模型表面均匀喷涂干粉显影剂；
S3、将冰层表面测量区域设置为圆形，在冰层表面测量区域内选取9或10个点，测量选取点的冰层厚度数据，具体为用光栅式三维扫描仪对冰层表面进行两次扫描，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据；
S4、进行融冰，融冰温度为400℃-450℃，融冰结束将飞行器模型表面擦拭干净；
S5、对飞行器模型表面再次喷涂干粉显影剂，然后用光栅式三维扫描仪对飞行器模型表面进行两次扫描，得到飞行器模型表面数据；
S6、在三维处理软件中对冰层表面数据和飞行器模型表面数据进行处理，得到的测量选取点的冰层厚度数据取平均值，得到冰层厚度数据；
步骤S2中搭建标识点固定架的具体方法为：辅助装置与飞行器模型安装于标识点固定架上，辅助装置由棱柱和平面组合而成，在棱柱表面和平面上粘贴标识点，保证标识点不在同一个平面上，且在不移动标识点的前提下保证在扫描角度范围内的异面标识点和光栅式三维扫描仪间的角度小于30度，辅助装置安装在飞行器模型左侧距离冰层表面10cm-25cm处；
步骤S3中在喷涂干粉显影剂后5min以内对冰层表面进行测量；
步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、首先对标识点进行整体识别并进行冰层表面的粗扫，确定基本空间坐标系；
S3.2、对冰层表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，以线条扫描冰层表面部分，然后扫描飞行器模型侧面，得到冰层表面数据；
步骤S4的融冰范围为冰层表面直径为25mm-30mm的圆形区域；
步骤S5的具体实现方法包括如下步骤：
S5.1、选择不重置标识点新建扫描文件，即标识点及其空间坐标系仍留存，重置飞行器模型表面扫描内容；
S5.2、对标识点进行整体识别并进行飞行器模型的粗扫；
S5.3、对飞行器模型表面进行补充扫描，光栅式三维扫描仪激光由格栅形式转换为线条形式，得到飞行器模型的表面数据；
粗扫和补充扫描所采用对齐标识点，为大于4个不共面的标识点序列，取7个以上不共面的标识点作为参考点，具体包括以下步骤：
a、设置转换矩阵为包含平移项系数的高次转换矩阵：
Figure FDA0003901541020000021
其中T为转换矩阵，apq为转换矩阵系数，p＝1，…，4，q＝1，…，4；
b、将粗扫的参考点坐标记为x，补充扫描的参考点坐标记为y，分别将坐标转换为齐次坐标，xij坐标中的i代表参考标识点的标号，j代表空间坐标方向，得到
Figure FDA0003901541020000022
Figure FDA0003901541020000023
其中i＝1，…，7，j＝1，…，3；
根据参考点坐标对应关系，对参考点，满足如下关系：
T·[x]＝[y]
其中[x]、[y]为参考点坐标按顺序排列组成的矩阵；
[x]＝[x1,x2,……,x7]
[y]＝[y1,y2,……,y7]
代入得：T·[x1,x2,……,x7]＝[y1,y2,……,y7]
将上式转置，得到：
[x1,x2,……,x7]T·TT＝[y1,y2,……,y7]T
由此将方程分成三个最小二乘方程，以TT的第一列元素为例，得到：
Figure FDA0003901541020000024
简化写为：
[X][a]＝[Y]
其中，[a]为转换矩阵T第一行的元素形成的列向量；
求解最小二乘解，得到：
Figure FDA0003901541020000031
其中，
Figure FDA0003901541020000032
为转换矩阵T第一行元素的最小二乘解，此时得到的解便为转换矩阵T的第一行元素；同理可以求解矩阵第二行和第三行的系数；
c、通过最小二乘解求解，得到两次扫描空间的转换矩阵T，将测量的结果通过转换矩阵统一到同一个坐标系下。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，其特征在于：在保证同一坐标系的前提下，得到飞行器模型表面数据与冰层表面数据，通过选择基准参考平面，测量出冰层表面与模型表面的距离关系，计算得到冰层厚度。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维扫描的飞行器模型表面冰层厚度的测量方法，其特征在于：步骤S6中三维处理软件为Geomagic软件。
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