CN115824573B - 一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置及方法，属于飞机风洞试验技术领域。其包括定位安装座、定位主体结构、定位轴和安装耳片，定位安装座顶部安装有定位主体结构，定位安装座前侧垂直安装有定位轴，定位安装座左右两侧侧壁上均安装有安装耳片，安装耳片加工有销轴安装孔和螺钉安装孔，定位主体结构具有三个相互垂直设置的三个高精度定位平面，定位轴与待测冰形模型键连接，销轴安装孔内安装有定位销轴，紧固螺钉通过螺钉安装孔将安装耳片与待测冰形模型固定连接。目的是为了解决当待测物体表面被冰形完全覆盖，无法通过物体自身的特征点实现对齐的问题，对试验模型适用性强，适用于各种冰形扫描试验，定位装置定位精度极高，且便于安装和更换。

Description

一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置及方法，属于飞机风洞试验技术领域。

背景技术

飞机结冰是影响飞行安全的重大隐患之一，在飞行的起飞、降落、飞行及地面停留阶段都可能出现，在机翼等位置的结冰会严重影响飞行器的气动特性，降低飞行性能，甚至引发灾难。结冰问题的研究一般是通过风洞结冰试验对飞行器结冰情况进行模拟，通过对结冰情况研究来评估结冰现象对飞行器的影响，三维扫描技术是冰形测量的一种常用方法。

冰形三维测量技术是应用光栅三维扫描仪实现对试验冰形的扫描，试验中不仅需要将冰形完整测量并保存下来，还需要在后续的数据处理中，将测量的结果准确的对齐到三维模型中对应的位置上，以便气动分析人员评价结冰对结构外形的影响。现有三维冰形测量技术中存在一个难点，如何将三维扫描的测量结果精确的对齐到三维数模中，由于三维扫描的结果是建立在扫描仪的默认坐标系下，和三维模型中的坐标系一般会不同，且待测物体表面已经被冰形完全覆盖，无法通过物体自身的特征点实现对齐。如果不采取专门的定位方法，测量结果往往很难和原始模型精确对齐，对后续的数据处理会带来巨大的困难。

因此，亟需提出一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决当待测冰形模型表面被冰形完全覆盖，无法通过物体自身的特征点实现对齐的问题，导致测量结果很难和原始模型精确对齐，对后续的数据处理会带来巨大的困难，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一、一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，包括定位安装座、定位主体结构、定位轴和安装耳片，定位安装座顶部安装有定位主体结构，定位安装座前侧垂直安装有定位轴，定位安装座的左右两侧侧壁上均安装有安装耳片，安装耳片加工有销轴安装孔和螺钉安装孔，定位主体结构具有三个相互垂直设置的三个高精度定位平面，定位轴与待测冰形模型键连接，销轴安装孔内安装有定位销轴，紧固螺钉通过螺钉安装孔将安装耳片与待测冰形模型固定连接。

优选的：所述定位安装座和定位主体结构一体加工成型。

优选的：所述高精度定位平面的表面平面度为七级。

方案二、一种应用于风洞冰形三维测量的定位方法，是基于方案一所述的一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置实现的，包括：

步骤1，通过三维扫描仪依次扫描定位主体结构的三个高精度定位平面和待测冰形模型，在同一坐标系下形成三个参考表面和待测冰形模型的数据点云；

步骤2，分别将三个参考表面数据点通过最小二乘法拟合形成平面；

步骤3，在三维软件中，将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中。

优选的：所述步骤1包括：

步骤1.1，将定位安装座和待测冰形模型的机翼侧面完全贴合，依靠定位轴的定位和安装耳片的锁紧作用，使定位轴的理论轴线和待测冰形模型的机翼弦线基准重合且垂直；

步骤1.2，在同一坐标系下进行三个参考表面和待测冰形模型测量：首先，对定位主体结构的三个高精度定位平面进行扫描，定位主体结构的三个高精度定位平面扫描允许数据缺失情况出现，扫描面积达到参考面积50%以上，三个高精度定位平面都扫描完成后获得三个参考表面数据点云；然后，对待测冰形模型进行扫描，获得待测冰形模型的数据点云。

优选的：所述步骤3包括：

步骤3.1，首先将三个参考平面的交点与三维模型中的参考平面交点进行对齐操作，使原点重合；

步骤3.2，在此基础上，通过步骤2得到的最小二乘解，获得满足三个参考平面对应的参考平面法向量夹角的正弦值平方之和最小的状态，此时即为对齐状态，完成将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的通过三面定位方法，开发出一套精准定位辅助装置，通过增加待测对象的参考平面的方式，为后续的数据对齐操作提供精确的参考基准，应用三平面对齐方法，将测量的数据结果统一到三维数模的坐标系下，实现测量结果与三维模型的精准对齐，在三维模型中重现物理世界的冰形，保证了定位主体结构和试验模型的准确相对位置关系；

2.本发明的对试验模型适用性极强，适用于各种冰形扫描试验，定位方法定位精度极高，定位误差可以控制在0.1mm以内；

3.本发明的定位精度极高，装置简单，安装方便，尤其适用于结冰范围大的结冰试验问题和模型形状复杂的问题。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的配合安装图；

图3是本发明的使用状态图；

图中：0-待测冰形模型，101-机翼弦线，1-定位安装座，2-定位主体结构，3-定位轴，4-安装耳片，21-高精度定位平面，31-理论轴线，41-销轴安装孔，42-螺钉安装孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，包括定位安装座1、定位主体结构2、定位轴3、安装耳片4和紧固螺钉，定位安装座1顶部安装有定位主体结构2，定位安装座1前侧垂直安装有定位轴3，定位安装座1的左右两侧侧壁上均安装有安装耳片4，安装耳片4加工有销轴安装孔41和螺钉安装孔42，定位主体结构2具有三个相互垂直设置的三个高精度定位平面21，定位轴3与待测冰形模型0键连接，确保定位安装座1和待测冰形模型0的相对位置关系，能够将定位安装座1调节至预定位置，通过定位轴3实现模型与定位安装座1的精确装配，保证物理实际模型和三维电子模型的精确对应关系，利用定位主体结构2提供高精度的参考定位平面达到坐标系对齐的目的，销轴安装孔41内安装有定位销轴，紧固螺钉通过螺钉安装孔42将安装耳片4与待测冰形模型0固定连接。

所述定位安装座1和定位主体结构2一体加工成型，长时间放置不会变形，高精度定位平面21置于定位主体结构2内侧，防止被刮擦破坏表面精度，具有很强的抗冲击能力，销轴安装孔41需要和待测冰形模型0配作，轴线为一体加工成型的定位安装座1和定位主体结构2的内部参考基准，基准弦线为外部参考基准，高精度定位平面21必须和参考基准有较高的精度关系，所述高精度定位平面21的表面平面度为七级，同时进行打磨处理，以增加漫反射，便于三维扫描仪在各个角度快速识别。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式的一种应用于风洞冰形三维测量的定位方法，利用具体实施方式一提供的三个高精度定位平面21，实现测量数据结果与参考模型的精确对齐，具体为：

步骤1，通过三维扫描仪依次扫描定位主体结构2的三个高精度定位平面21和待测冰形模型0，在同一坐标系下形成三个参考表面和待测冰形模型0的数据点云，确定定位所需平面数量，为定位手段提供理论基础和操作方法，具体为：

步骤1.1，将定位安装座1和待测冰形模型0的机翼侧面完全贴合，依靠定位轴3的定位和安装耳片4的锁紧作用，使定位轴3的理论轴线31和待测冰形模型0的机翼弦线101基准重合且垂直；

步骤1.2，在同一坐标系下进行三个参考表面和待测冰形模型0测量：首先，对定位主体结构2的三个高精度定位平面21进行扫描，定位主体结构2的三个高精度定位平面21扫描允许数据缺失情况出现，扫描面积达到参考面积50%以上，三个高精度定位平面21都扫描完成后获得三个参考表面数据点云，然后，对待测冰形模型0进行扫描，获得待测冰形模型0的数据点云。

步骤2，将扫描中得到的参考表面数据点云通过最小二乘法拟合形成参考平面，得到参考平面的最小二乘解，具体为：

将扫描中得到的参考平面数据点云通过最小二乘法对参考平面进行拟合，得到参考平面的最小二乘解，具体为：

步骤2.1，设三维模型中的坐标系为坐标轴为x，y，z，原点为o，坐标系下的三个轴向的单位方向向量为：

                公式（2.1）

其中，分别为x轴、y轴和z轴上的单位向量；

步骤2.2，三个参考平面的x轴、y轴和z轴上的法向量分别为，由于存在加工误差的问题，三个向量不能保证完全相互垂直，因此，先将三维模型坐标系原点o与三个参考平面的交点调整至重合，并调整和至重合，于是在三维模型的坐标系下有：

            公式（2.2）

其中，为非常小的接近于0的量，且是已知的常量。

步骤2.3，以x轴为参考方向，以原点o为旋转中心，调整三维模型的坐标系的姿态，通过两个旋转动作来实现，分别是偏航角度u和俯仰角度v，两个旋转动作通过线性变换来表示，偏航角度变换矩阵、俯仰角度变换矩阵分别为Y和P，如下：

      公式（2.3）

通过调整u和v的值，使满足公式2.4-公式2.7：

                        公式（2.5）

                        公式（2.6）

                        公式（2.7）

由于机加工表面存在一定的误差，各参考表面间的角度关系无法做到完全垂直，必然存在角度误差，故实际对齐操作不可能实现物理参考表面与三维模型参考平面的完美对齐，虽然误差不可消除，但可以找到一个姿态，使总体误差最小，也就是求解u和v的最小二乘解，即为使总体误差小最小的角度姿态；

由于公式2.3-公式2.7中只有u和v是未知数，故变换成如下形式：

                        公式（2.8）

其中，A是 维度的系数矩阵，是n维列向量， ，u和v的最小二乘解为：

                   公式（2.9）。

步骤3，在三维软件SCDM中，将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中，具体为：

步骤3.1，首先将三个参考平面的交点与三维模型中的参考平面交点进行对齐操作，使原点重合；

步骤3.2，在此基础上，通过步骤2得到的最小二乘解，获得满足三个参考平面对应的参考平面法向量夹角的正弦值平方之和最小的状态，此时即为对齐状态，完成将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中。

本发明专利为一种应用于风洞冰形三维扫描的定位方法，是对冰形光学三维扫描测量的一种高效辅助定位措施，在冰形测量中，常常由于定位困难而对后续的数据分析与模拟造成巨大困扰，本发明方法通过定位装置，为试验模型提供了三个高精度定位平面，通过定位结构作用，保证了定位装置和试验模型的准确相对位置关系。由于这三个定位平面和数模中的表面存在一一对应关系，在三维软件中，通过三次对齐操作就可以实现测量结果与原始模型的精准对齐，大简化了对齐操作所需要的工作量。通过实测发现效果良好，对齐精度不低于0.1mm。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，其特征在于：包括定位安装座(1)、定位主体结构(2)、定位轴(3)、安装耳片(4)和紧固螺钉，定位安装座(1)顶部安装有定位主体结构(2)，定位安装座(1)前侧垂直安装有定位轴(3)，定位安装座(1)的左右两侧侧壁上均安装有安装耳片(4)，安装耳片(4)加工有销轴安装孔(41)和螺钉安装孔(42)，定位主体结构(2)具有三个相互垂直设置的三个高精度定位平面(21)，定位轴(3)与待测冰形模型(0)键连接，销轴安装孔(41)内安装有定位销轴，紧固螺钉通过螺钉安装孔(42)将安装耳片(4)与待测冰形模型(0)固定连接；

还包括基于一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置实现的一种应用于风洞冰形三维测量的定位方法，具体包括一下步骤：

步骤1，通过三维扫描仪依次扫描定位主体结构(2)的三个高精度定位平面(21)和待测冰形模型(0)，在同一坐标系下形成三个参考表面和待测冰形模型(0)的数据点云；

步骤1.1，将定位安装座(1)和待测冰形模型(0)的机翼侧面完全贴合，依靠定位轴(3)的定位和安装耳片(4)的锁紧作用，使定位轴(3)的理论轴线(31)和待测冰形模型(0)的机翼弦线(101)基准重合且垂直；

步骤1.2，在同一坐标系下进行三个参考表面和待测冰形模型(0)测量：首先，对定位主体结构(2)的三个高精度定位平面(21)进行扫描，定位主体结构(2)的三个高精度定位平面(21)扫描允许数据缺失情况出现，扫描面积达到参考面积50％以上，三个高精度定位平面(21)都扫描完成后获得三个参考表面数据点云，然后，对待测冰形模型(0)进行扫描，获得待测冰形模型(0)的数据点云；

步骤2，分别将三个参考表面数据点通过最小二乘法拟合形成平面；

将扫描中得到的参考表面数据点云通过最小二乘法拟合形成参考平面，得到参考平面的最小二乘解，具体为：

步骤2.1，设三维模型中的坐标系为坐标轴为x，y，z，原点为o，坐标系下的三个轴向的单位方向向量为：

其中，

分别为x轴、y轴和z轴上的单位向量；

步骤2.2，三个参考平面的x轴、y轴和z轴上的法向量分别为

由于存在加工误差的问题，三个向量不能保证完全相互垂直，因此，先将三维模型坐标系原点o与三个参考平面的交点调整至重合，并调整

和

至重合，于是在三维模型的坐标系下有：

其中，δ_i(i＝1,2,3,4)为非常小的接近于0的量，且是已知的常量；

步骤2.3，以x轴为参考方向，以原点o为旋转中心，调整三维模型的坐标系的姿态，通过两个旋转动作来实现，分别是偏航角度u和俯仰角度v，两个旋转动作通过线性变换来表示，偏航角度变换矩阵、俯仰角度变换矩阵分别为Y和P，如下：

通过调整u和v的值，使满足公式2.4-公式2.7：

求解u和v的最小二乘解，即为使总体误差小最小的角度姿态；

由于公式2.3-公式2.7中只有u和v是未知数，故变换成如下形式：

其中，A是n×2维度的系数矩阵，

是n维列向量，n>2，u和v的最小二乘解为：

步骤3，在三维软件中，将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，其特征在于：所述定位安装座(1)和定位主体结构(2)一体加工成型。

3.根据权利要求2所述的一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，其特征在于：所述高精度定位平面(21)的表面平面度为七级。

4.根据权利要求1所述的一种应用于风洞冰形三维测量的定位装置，其特征在于：所述步骤3包括：

步骤3.1，首先将三个参考平面的交点与三维模型中的参考平面交点进行对齐操作，使原点重合；

步骤3.2，在此基础上，通过步骤2得到的最小二乘解，获得满足三个参考平面对应的参考平面法向量夹角的正弦值平方之和最小的状态，此时即为对齐状态，完成将拟合平面依次和理论三维模型中的对应参考表面进行对齐，实现将测量数据代入到理论三维模型中。

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