CN117168312B - 一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法，利用光源系统、脱冰过程记录系统、轨迹测量双目系统和光学平板搭建一套用于测量旋转部件脱冰轨迹的装置，在此装置的基础上，采集旋转部件脱冰过程的图像，对脱落的冰块进行三维测量，获取每个时刻重点关注的冰块的质心在风洞轴系下的三维坐标，以此完成对旋转部件脱冰轨迹的测量。本发明解决无法测量冰块脱落轨迹的技术问题，本发明可以准确的反馈出旋转部件模型在进行结冰试验时，脱落冰块的轨迹，进而结合结冰参数、冰形及其典型结冰特征分析研究旋转部件结冰过程影响规律。

Description

一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法

技术领域

本申请涉及风洞脱冰轨迹测量技术领域，具体涉及一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法。

背景技术

对于某些特定的气象条件，云层含有的水滴，在温度低于零摄氏度的时候，并不会以冰晶形态存在，而是以液态水的形式存在，这种形态的水滴被称之为过冷水滴。当飞机在中低空以亚声速穿越含有过冷水滴的云层时，水滴会撞击到飞机的表面，就会发生结冰现象。

在飞机飞行时，发动机唇口、旋转部件等位置的结冰一旦发生脱落，脱落冰有可能会打伤发动机叶片，对发动机性能造成损伤。冰脱落问题一直是发动机较为关注的重点之一，而冰脱落轨迹的捕捉是研究冰脱落的重要关键点之一。对于大部分发动机的旋转部件，在设计完成后都需要在风洞条件下进行结冰试验，研究其冰脱落的问题，以验证设计的合理性和安全性。

传统的工业摄像机拍摄视频，在单目图像上只能大致描绘出冰块脱落的轨迹，分析结果误差较大，传统方法无法获得三维的测量结果，不能反应出真实冰块脱落的轨迹，而仅通过双目手段获得的位置仅仅只是基于相机坐标系，此时得到的轨迹对于研究冰脱落问题，没有实际的意义。此外由于脱冰时间较短，传统的工业相机由于帧率过低可能无法捕捉到冰块脱落的轨迹。同时由于冰块接近透明，如果试验段墙壁也为白色，或者比较复杂，则很难识别到冰块清晰的轮廓，也就无法完成对冰块脱落轨迹的测量。

发明内容

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。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为解决无法测量冰块脱落轨迹的技术问题，本发明提供一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法，本发明适应速度范围50-90m/s工况下的旋转部件脱冰轨迹的记录以及识别，在吹风后可以得到准确的脱冰轨迹和清晰的脱冰过程。

方案一、一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法，包括以下步骤：

S1.使用棋盘格标定板对脱冰过程记录系统的相对位置和图像标定参数进行标定，获得高速相机I和高速相机II的内参数和外参数；

S2.在旋转部件上设置标记点，基于高速相机I和高速相机II拍摄的图像坐标、内参数和外参数得到相机坐标系下标记点三维坐标；

S3.采集旋转部件在不同滚转角下高速相机I和高速相机II的图像，基于标记点三维坐标得到高速相机I和高速相机II滚转角下的标记点三维坐标，计算相邻两个滚转角之间的旋转矩阵，得到滚转轴向量；

S4.获取偏航轴向量，基于滚转轴向量和偏航轴向量得到俯仰轴向量，基于滚转轴向量、偏航轴向量和俯仰轴向量得到相机坐标系到风洞坐标系的轴系变换矩阵；

S5.将旋转部件的顶点作为原点，结合标记点的三维坐标和轴系变换矩阵得到原点风洞轴系坐标；

S6.采集脱冰过程中的图像序列，选择第一时刻图像的冰块，获取冰块的质心位置；

S7.获得冰块质心位置在高速相机I坐标系下标记点三维坐标，结合轴系变换矩阵，得到冰块质心在风洞轴系下的坐标，结合原点风洞轴系坐标得到冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标；

S8.重复操作S7，获得第一时刻的所有冰块的三维质心集合；

S9.后一时刻图像利用前一时刻图像结合图像互相关算法；得到后一时刻图像冰块质心在高速相机I和高速相机II视角下的图像坐标集合，并结合S7的操作得到不同时刻下的所有冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标集合；

S10.绘制轨迹曲线，并在图像中显示出绘制的冰块。

方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法的步骤。

方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法。

本发明的有益效果如下：本发明通过高速相机设置低曝光时间以避免运动模糊，并在试验段侧壁布置黑色绒布以提供纯净黑色的图像背景，以保证能够采集清晰的旋转部件脱冰过程图像，通过两台相机测量高精度的冰块的质心三维坐标，同时通过在旋转部件表面布置标记点，通过转动旋转部件，获取不同滚转角下的标记点三维坐标，以此获得风洞轴系下的滚转轴向量，同时利用垂直于地面的棋盘格获取偏航轴，并通过轴与轴之间的正交关系确定俯仰轴，以此将相机坐标系转换到风洞轴系，使得最后测量的轨迹更具备实际意义，对于脱冰分析有着正向作用，可应用于各种旋转模型，不受模型、环境影响，具有普遍适用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法流程示意图；

图2为冰块轨迹示意图；

图3为标定偏航轴的标定板识别角点示意图；

图4为一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量装置结构示意图，其中，光源系统-1、脱冰过程记录系统-2、轨迹测量双目系统-3、光学平板-4、导轨-5；

图5为相机保护盒结构示意图；其中，前盖板-8、线缆进出管-9、上盖板-14；

图6为相机保护盒内部结构示意图；其中，相机增高块-11、挡板-12。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1、参照图1-图3说明本实施方式，一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法，包括以下步骤：

S1.使用棋盘格标定板对高速相机的相对位置和图像标定参数进行标定，获得相机的内参数和外参数；

所述棋盘格间距为25mm；

所述内参数为；

所述外参数为；

其中，为u，v方向的焦距，/>为径向畸变参数，/>为像主点坐标，/>，/>分别为相机坐标系到世界坐标系的旋转和平移矩阵；

S2.在旋转部件上布置标记点，基于高速相机I和高速相机II拍摄的图像坐标结合S1所述内参数和外参数得到相机坐标系下标记点三维坐标；

；

其中，s为世界坐标系到图像坐标系的尺度因子；

所述标记点为，其中，/>；

所述高速相机I中拍摄的图像坐标为

；

所述高速相机II拍摄的图像坐标为

；

所述标记点三维坐标为

；

S3.采集旋转部件在不同滚转角下的两个相机的图像，基于标记点三维坐标得到高速相机I和高速相机II滚转角下的标记点三维坐标/>，/>，m为正整数，计算相邻两个滚转角之间的旋转矩阵/>，通过罗德里格斯（Rodrigues）变换进行转换为轴向量/>，对其求平均得到旋转部件模型在风洞轴系下的滚转轴向量，对其归一化使其向量的模为1，得到最终的滚转轴向量/>。

S4.获取偏航轴向量，基于滚转轴向量和偏航轴向量得到俯仰轴向量，基于滚转轴向量、偏航轴向量和俯仰轴向量得到相机坐标系到风洞坐标系的轴系变换矩阵；

获取偏航轴向量：由于旋转部件只能转动滚转轴，因此偏航轴和俯仰轴并无法参考S3获得，因此，将标定过程中使用的棋盘格标定板与地面垂直放置，并采集两个视角下的标定板图像，参考S2中所述方法得到标定板图像全部角点的三维坐标，如图3所示，为其中一个视角下识别到标定板图像全部角点，箭头方向即风洞轴系下的偏航轴轴向量方向，由于棋盘格标定板与地面垂直，因此，第6个点到第1个点的连线方向即为偏航轴轴向量方向，两个点坐标差，即表示偏航轴的轴向量，同理，任何两个点的连线在偏航轴轴向量方向，其坐标差都表示偏航轴的轴向量，设6点所处位置为下，1点所处位置为上，相减顺序为上位置点减去下位置点，计算符合条件的任意两个点的坐标差，并将坐标差平均，再对其归一化使其向量的模为1，得到最终的偏航轴轴向量。

基于滚转轴向量和偏航轴向量得到俯仰轴向量：

基于和俯仰轴向量必定与其均正交，得到俯仰轴向量/>，最后得到相机坐标系到风洞坐标系的轴系变换矩阵/>。

S5.将旋转部件的顶点作为原点，结合标记点的三维坐标和轴系变换矩阵/>，根据/>得到原点风洞轴系坐标/>；

S6. 采集脱冰过程中的图像序列，/>，对于/>和/>选择冰块的初始位置，可以手动选择冰块，对于高速相机I视角的不同冰块按照图像从左到右的顺序赋予冰块序号，高速相机I视角的冰块序号参照高速相机I视角冰块的序号并一一匹配，同一序号的冰块代表着空间中的同一块冰，冰块的初始位置为/>和/>，以该位置为中心80×80像素范围内提取冰块的轮廓，并将轮廓的中心作为图像中冰块的质心，/>和/>；

S7.采集脱冰过程中的图像序列，/>，对于/>和/>，基于S2的操作获得冰块质心位置在相机坐标系下标记点三维坐标/>，结合轴系变换矩阵/>，得到冰块质心在风洞轴系下的坐标/>，结合原点风洞轴系坐标通过/>得到冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标/>；

S8.重复操作S7，选择完成吹风所有冰块，得到冰块的三维质心集合，以及两个相机采集图像中冰块的图像坐标集合

，/>，r为冰块数量；

所述冰块一般不超过三块；

S9.对于S7中的和/>，后一时刻图像利用前一时刻图像和对应两个相机采集图像中冰块的图像坐标集合/>，

结合图像互相关算法；得到后一时刻图像冰块质心的两个视角下的质心集合，并结合S7的操作得到不同时刻下的所有冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标集合

，其中/>为第一块冰在关注区域中的最后时刻，/>为第/>块冰在关注区域中的最后时刻；

S10.根据S9得到的多个冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标集合分别绘制轨迹曲线如图2所示，

实施例2、参照图4-图5说明本实施方式，一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量装置，以保证能够采集清晰的旋转部件脱冰过程图像，在试验段侧壁布置黑色绒布用于提供纯净黑色的图像背景，装置包括光源系统1、脱冰过程记录系统2、轨迹测量双目系统3、光学平板4、导轨5和计算机；

所述光源系统1、脱冰过程记录系统2和轨迹测量双目系统3分别设置通过导轨5滑动设置在光学平板4上；

所述光源系统1用于为关注区域提供光照，由三个200w的直流LED光源组成，通过导轨5和手拧滑块的固定以及位置调整，可以将光照照射在想要关注的区域；

所述脱冰过程记录系统2和所述轨迹测量双目系统3通过导轨5和手拧滑块固定在光学平板4上；

所述脱冰过程记录系统2用于记录旋转部件脱冰过程，由一台曝光时间设置10微秒的高速相机III和相机保护盒组成；

相机保护盒参照图5-图6，包括壳体，壳体上端面设有上盖板14，壳体一侧设有前盖板8，壳体上设线缆进出管9，壳体内部设有相机增高块11和挡板12，相机增高块11和挡板12位置用于放置高速相机III，前盖板8分为两部分，靠近上盖板14内侧部分的镂空圆直径为10mm，厚度为2mm，镂空部分由同等大小的光学玻璃填充，靠近上盖板14外侧部分的镂空圆直径为8mm，设置外侧直径小于内侧直径，保证光学玻璃被压紧不会松动；相机增高块11是增加相机的高度，以保证相机的镜头高度合适，挡板12是为了将高速相机III区域和线缆区域隔离开，线缆放置区是放置和相机直连的电源线和网线，线缆通过线缆进出孔进去相机保护盒。

相机保护盒内的高速相机仅作为观察旋转部件脱冰的时刻和过程，因此为了获取更清楚的视野，将视野压缩到1m×1m，且相机拍摄方向与来流方向垂直。相机分辨率为2048×2048，在录制脱冰过程，为了避免运动模糊的出现，需要风速方向的拖曳不超过2个像素，按照1m×1m的视场计算，2个像素对应1mm，按照90m/s最大的风速计算，则曝光时间不得超过11us。在实际过程中设置曝光时间为10 us，此外，由于该相机所处位置容易被脱落的冰块砸到，因此根据相机的尺寸设计的相机保护盒，以保护相机。

所述轨迹测量双目系统3用于拍摄旋转部件，由曝光时间至少10 us，帧率至少2000fps的高速相机I和高速相机II组成，两台高速相机安装位置存在夹角，由手拧滑块固定在导轨5上。

高速相机I和高速相机II分辨率为2048×2048，为了避免运动模糊影响解算，需要风速方向的拖曳不超过1个像素，按照2m×2m的视场计算，1个像素对应1mm，按照90m/s最大的风速计算，则曝光时间不得超过11us，在实际试验中设置曝光时间为10 us。

所述光学平板4用于支撑光源系统1、脱冰过程记录系统2和轨迹测量双目系统3，轨迹测量双目系统3的使用需要相机不能发生任何移动，在吹风过程中，仅通过导轨5的固定会使得整套系统有轻微的不稳定，因此，布置质量较大的光学平板及增加系统的稳定性，不会发生移动。

所述计算机用于记录高速相机采集的图像以及结算脱冰轨迹。

实施例3、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法的步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

实施例4、计算机可读存储介质实施例

本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法的步骤。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使用棋盘格标定板对脱冰过程记录系统的相对位置和图像标定参数进行标定，获得高速相机I和高速相机II的内参数和外参数；

S2.在旋转部件上设置标记点，基于高速相机I和高速相机II拍摄的图像坐标、内参数和外参数得到相机坐标系下标记点三维坐标；

S3.采集旋转部件在不同滚转角下高速相机I和高速相机II的图像，基于标记点三维坐标得到高速相机I和高速相机II下的滚转角标记点三维坐标，计算相邻两个滚转角之间的旋转矩阵，得到滚转轴向量；

S4.获取偏航轴向量，基于滚转轴向量和偏航轴向量得到俯仰轴向量，基于滚转轴向量、偏航轴向量和俯仰轴向量得到相机坐标系到风洞坐标系的轴系变换矩阵；

S5.将旋转部件的顶点作为原点，结合标记点的三维坐标和轴系变换矩阵得到原点风洞轴系坐标；

S6.采集脱冰过程中的图像序列，选择第一时刻图像的冰块，获取冰块的质心位置；

S7.获得冰块质心位置在高速相机I坐标系下标记点三维坐标，结合轴系变换矩阵，得到冰块质心在风洞轴系下的坐标，结合原点风洞轴系坐标得到冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标；

S8.重复操作，获得第一时刻的所有冰块的三维质心集合；

S9.后一时刻图像利用前一时刻图像结合图像互相关算法；得到后一时刻图像冰块质心在高速相机I和高速相机II视角下的图像坐标集合，并结合S7的操作得到不同时刻下的所有冰块以锥顶为原点在风洞轴系下的三维坐标集合；

S10.绘制轨迹曲线。

2.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法的步骤。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的一种适用结冰风洞内旋转部件脱冰轨迹测量方法。