JP5054746B2 - 風洞内相対距離計測システム及び風洞内相対距離計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、風洞測定部内に複数の試験体を設置して風洞試験を行う風洞試験装置において、複数の試験体の相対距離を測定するための風洞内相対距離計測システム及び風洞内相対距離計測方法に関する。

航空機等の飛翔体の空力特性を調べる試験等のために、飛翔体の模型等の試験体を風洞測定部内に設置して風洞実験を行う風洞試験装置が公知である。さらに、飛翔体（母機）から飛翔体に搭載される搭載物（投棄物、投下物等）が落下等により離間した際の搭載物にかかる力及びモーメントを計測し、その力及びモーメントから運動方程式を解き、短い時間経過後の位置を予測し、その位置へ搭載物を移動させ、再び搭載物にかかる力及びモーメントを計測するように、一連の計測、予測、移動を繰り返すことで、搭載物の挙動を解析するシステムとしてＣＴＳ（Captive Trajectory System）が知られている。

搭載物が母機から離間した後の搭載物の挙動を高精度に解析するためには、母機の影響を受けて気流が複雑に変化する母機近傍で搭載物にかかる力及びモーメントを計測する必要がある。しかしながら、試験体同士（母機と搭載物）が接触してしまうと、試験体が破損してしまう問題がある。搭載物を支持する支持部材は気流への影響を極力抑えるためには搭載物と比較して細くて長い方が好ましい。一方で、搭載物は母機に比べて小さいため搭載物の支持部材はより細くなり、通風により搭載物にかかる力で支持部材が撓み、支持部材の根元部分に位置センサを組み込んだ場合に、当該位置センサで計測される計測値には誤差が生じることがある。このような問題から試験体（特に搭載物）の位置を計測するには、風洞測定部の外側から非接触で計測することが望ましい。

このような風洞測定部内の試験体を位置計測するための技術として、下記特許文献１及び特許文献２に記載された装置が公知となっている。特許文献１の装置は、首振り機構によりレーザ変位計で母機模型及び搭載物模型のそれぞれの複数のマークまでの距離を順に計測し、首振り機構の首振り角度とレーザ変位計で計測された距離とから各マークの風洞測定部内における３次元座標を計測し、この３次元座標に基づいて搭載物模型を母機模型に接触させないように移動させるように構成されている。また、特許文献２の装置においては、母機模型の下流側の支持装置に小型カメラを設置し、カメラ画像のある領域に異物が侵入したときに母機模型と搭載物模型との衝突する可能性が高いと判断している。

特開平１０−２８１９２７号公報 特開２００４−２０２６５号公報

しかしながら、特許文献１の装置においては、首振り機構でレーザ変位計の向きを変化させる必要があるため、首振り動作に時間がかかり、試験体の位置計測に長い時間がかかってしまう問題があり、リアルタイムでの挙動計測には適さない。上述のとおり、風洞試験を行いつつ試験体の位置制御を行う必要があるため、試験体の位置計測に長い時間がかかってしまうと、風洞試験時間自体が延びてしまう。さらに、特許文献１の装置においてはレーザ変位計で計測されるマークの位置が相対距離を計測する基準位置となっているため、マーク位置をレーザ変位計によって照射され易い位置に設ける必要がある。すなわち、試験体の接近等により、マークが試験体の影に隠れて見えない場所は特許文献１の装置においては計測できない。

また、特許文献２の装置においては、風洞測定部内に小型カメラを設置する必要があるため、小型カメラが風洞測定部内の気流に影響を及ぼし、風洞試験の試験精度を高くすることができない問題がある。さらに、小型カメラの設置位置は試験体の後方になるため、母機と搭載物とが前後方向に距離があってもカメラ画像で重なると試験体同士が衝突したと判定するため、試験体間の相対距離の定量的な検出を行うことができない問題もある。また、小型カメラから見て試験体の影に隠れて見えない部分の衝突は判定することができない。

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、風洞測定部内試験に用いられる複数の試験体の相対距離を非接触かつ短時間で計測しつつ、試験体同士の近接判定を高精度かつ定量的に行うことができる風洞内相対距離計測システム及び風洞内相対距離計測方法を提供することを目的とする。

本発明に係る風洞内相対距離計測システムは、風洞測定部内に設置された第１の試験体と、前記風洞測定部内の前記第１の試験体に対して相対移動可能に設置された第２の試験体と、前記第１の試験体の表面に３つ以上設けられ、一又は複数の特定の位置（以下、第１の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第１の座標変換用マークと、前記第２の試験体の表面に３つ以上設けられ、一又は複数の特定の位置（以下、第２の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第２の座標変換用マークと、前記風洞測定部の外部から前記第１及び第２の座標変換用マークを撮像する複数の光学系を有する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された前記複数の光学系毎の画像から得られた前記第１及び第２の座標変換用マークの視差に基づいて前記第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算する画像処理装置と、前記３つ以上の第１の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第１の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第１の試験体特定位置の３次元座標を演算し、前記３つ以上の第２の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第２の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第２の試験体特定位置の３次元座標を演算し、かつ前記第１の試験体特定位置の３次元座標と前記第２の試験体特定位置の３次元座標とから前記第１の試験体特定位置と前記第２の試験体特定位置との相対距離を演算し、その結果を出力する相対距離演算装置と、を備えている。

上記構成によれば、第１及び第２の座標変換用マークを複数の光学系を有する撮像装置で撮像することにより、三角測量の原理を用いて風洞測定部内の３次元座標系における第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算することができるため、第１の試験体と第２の試験体との相対距離を非接触かつ短時間で計測することができる。しかも、第１及び第２の試験体の表面にそれぞれ設けられる第１及び第２の座標変換用マークとは別に、第１の試験体と第２の試験体との相対距離を求める基準となる第１及び第２の試験体特定位置を設定することが可能なため、第１及び第２の座標変換用マークを撮像装置で撮像し易い箇所に設けつつ、２つの試験体が接触する可能性が高い位置を第１及び第２の試験体特定位置として設定し、これを基準として相対距離を算出することができるため、第１の試験体と第２の試験体との近接判定を高精度かつ定量的に行うことができる。

風洞内相対距離計測システムは、さらに、前記第２の試験体と一体的に固定され、前記第２の試験体を支持する支持部材と、前記支持部材の表面に設けられた３つ以上の座標変換用補助マークとを備え、前記画像処理装置は、前記第２の試験体の表面に設けられた前記座標変換用マークの何れかが前記撮像装置で撮像された画像上に写らない場合に、前記座標変換用マークの代わりに前記座標変換用補助マークを用いて演算するように構成されてもよい。

これにより、第２の試験体が第１の試験体の影に隠れた場合であっても、第２の試験体と一体的に相対移動する支持部材に設けられた座標変換用補助マークを用いて風洞測定部内の３次元座標系における第２の試験体の３次元座標を演算することができるため、より確実に第１の試験体と第２の試験体との相対距離を算出することができる。

前記３次元座標は、前記風洞測定部内に固設された前記第１の試験体の表面上において同一平面上にない６点以上の所定の点から予め定義されていてもよい。

これにより、風洞測定部内に固設された第１の試験体の表面上の６点以上の所定の点から３次元座標が設定されるため、３次元座標を設定するためのキャリブレーション治具を別途用意することなく、低コストかつ短時間で計測準備を行うことができる。

風洞内相対距離測定システムは、さらに、前記撮像装置の光学系にそれぞれ同軸に光を照射可能な照明装置を備え、前記第１及び第２の座標変換用マークは、再帰反射材を含んでもよい。

この場合、撮像装置の光学系と同軸の光が再帰反射材を含む第１及び第２の座標変換用マークに入射されることにより、再帰反射材で反射された光が入射光と同軸の撮像装置の光学系へまっすぐ帰ってくるため、撮像装置で撮像した際の画像において第１及び第２の座標変換用マークの輝度を高くすることができ、座標変換用マークの座標を高精度に検出、演算することができる。

前記第１及び第２の座標変換用マークは、前記第１の試験体及び第２の試験体の表面に対して輝度差の大きい部分を有していることが好ましい。

これにより、第１及び第２の座標変換用マークにおける第１の試験体及び第２の試験体の表面に対して輝度差の大きい部分が撮像装置によって鮮明に撮像されるため、第１及び第２の座標変換用マークの座標を高精度に検出、演算することができる。

前記第１及び第２の座標変換用マークは、互いに異なる形状を有していてもよい。

この場合、第１及び第２の座標変換用マークが設けられた位置に応じて異なる形状を有しているため、撮像装置によって撮像された画像上の第１及び第２の座標変換用マークがどの位置のものであるかを容易に認識することができる。

前記第２の試験体は、長手軸回り回転可能に構成されており、前記第２の試験体には、前記第２の座標変換用マークが前記長手軸に直交する面と交差する外周上に３つ以上且つ隣接する前記第２の座標変換用マーク間の中心角が１８０度未満となるように設けられた座標変換用マーク群が３つ以上設けられ、前記第２の試験体に設けられた複数の座標変換用マークは、前記長手軸に平行な直線上に並ばないように構成されてもよい。

これによれば、第２の試験体を長手軸回りに回転させた場合であっても、第２の試験体に設けられた第２の座標変換用マークを必ず３つ以上検出することができるため、第２の試験体を回転させながら風洞試験を行う場合においても、第２の座標変換用マークの座標を迅速かつ高精度に検出、演算することができる。

また、本発明に係る風洞内相対距離測定方法は、風洞測定部内に設置された第１の試験体と、前記風洞測定部内に前記第１の試験体に対して相対移動可能に設置された第２の試験体との相対距離を計測する風洞内相対距離計測方法であって、一又は複数の特定の位置（以下、第１の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第１の座標変換用マークを前記第１の試験体の表面に３つ以上設け、一又は複数の特定の位置（以下、第２の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第２の座標変換用マークを前記第２の試験体の表面に３つ以上設け、複数の光学系を有する撮像装置を用いて、前記風洞測定部の外部から前記第１及び第２の座標変換用マークを撮像し、前記撮像装置で撮像された前記複数の光学系毎の画像から得られた前記第１及び第２の座標変換用マークの視差に基づいて前記第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算し、前記３つ以上の第１の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第１の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第１の試験体特定位置の３次元座標を演算し、前記３つ以上の第２の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第２の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第２の試験体特定位置の３次元座標を演算し、前記第１の試験体特定位置と前記第２の試験体特定位置との相対距離を演算するものである。

上記方法によれば、第１及び第２の座標変換用マークを複数の光学系を有する撮像装置で撮像することにより、三角測量の原理を用いて風洞測定部内の３次元座標系における第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算することができるため、第１の試験体と第２の試験体との相対距離を非接触かつ短時間で計測することができる。しかも、第１及び第２の試験体の表面に設けられる第１及び第２の座標変換用マークとは別に、第１の試験体と第２の試験体との相対距離を求める基準となる第１及び第２の試験体特定位置を設定することが可能なため、第１及び第２の座標変換用マークを撮像装置で撮像し易い箇所に設けつつ、２つの試験体が接触する可能性が高い位置を第１及び第２の試験体特定位置に設定し、これを基準として相対距離を算出することができるため、第１の試験体と第２の試験体との近接判定を高精度かつ定量的に行うことができる。

本発明は以上に説明したように構成され、風洞測定部内試験に用いられる複数の試験体の相対距離を非接触かつ短時間で計測しつつ、試験体同士の近接判定を高精度かつ定量的に行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風洞内相対距離計測システムの概略構成を示す平面図である。 図１に示す風洞内相対距離計測システムに用いられる座標変換用マークを例示する図である。 図１に示す風洞内相対距離計測システムの第２の試験体に設けられる座標変換用マークの設置例を示す図である。 撮像装置における平面座標系と風洞測定部内に定義されたワーク座標系との関係を示す図である。 図１に示す風洞内相対距離計測システムにおいて第１の試験体と第２の試験体との相対距離を演算するための制御フローチャートである。 図１に示す風洞内相対距離計測システムにおける座標変換用マーク及び特定点の配置を示す斜視図である。 図１に示す風洞内相対距離計測システムにおいて試験体間の相対距離を求めるための他の方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る風洞内相対距離計測システムの概略構成を示す平面図である。

図１に示すように、本実施形態の風洞内相対距離計測システムは、風洞測定部１００内に、第１の試験体１と第２の試験体２とを設置した状態で第１の試験体１と第２の試験体２との間の相対距離を計測するように構成されている。図１において、第１の試験体１は、航空機の形状を模した母機模型であり、第２の試験体２は、航空機に搭載される投棄物や投下物等の搭載物模型である。第１の試験体１は、風洞測定部１００内の所定位置に設置され、第２の試験体２は、風洞測定部１００内において第１の試験体１に対して相対移動可能に構成される。具体的には、第２の試験体２は、支持機構３により第１の試験体１に対して相対移動可能に構成される。支持機構３は、風洞測定部１００内において固定された固定部材３１と、一端部が固定部材３１に取り付けられ、固定部３１に対して変位可能なアーム部材３２と、一端部がアーム部材３２の他端部に取り付けられ、他端部が第２の試験体２と一体的に固定された支持部材３３とを有している。第２の試験体２は、支持機構３を介して長手軸Ｓ回りに回転可能に構成されてもよい。なお、第１の試験体１も風洞測定部１００に対して（すなわち第２の試験体２に対して）相対移動可能な支持機構を介して支持されてもよい。

第１の試験体１及び第２の試験体２は、風洞測定部１００の風上に向けて設置され、それぞれの支持機構は風下側に設置される。風洞測定部１００の側面には、観測窓１０１が設けられ、風洞測定部１００の外側から内側を視認可能に構成されている。

風洞測定部１００の外側には、観測窓１０１を介して風洞測定部１００内の第１の試験体１及び第２の試験体２を風洞測定部１００の外部から撮像可能な位置に、複数の光学系を有する撮像装置が設置されている。本実施形態においては、それぞれ光学系を１つ有する２つの撮像装置４，５が設置されている。なお、撮像装置は、光学系を複数有する限りこれに限られず、例えば、１つの筐体に２つの光学系を有するステレオカメラを用いてもよいし、一般的なＣＣＤカメラ等の撮像装置を２つ以上用いてもよい。

撮像装置４，５の前方には、撮像装置４，５の光学系にそれぞれ同軸に光を照射可能な照明装置６，７が設けられている。照明装置６，７は、例えばリング状のライトを有し、リングの内側に光学系の光軸が位置する状態で設置される。

撮像装置４，５で撮像された画像は、制御装置８に送られる。制御装置８は、撮像装置４，５で撮像された画像から第１の試験体１及び第２の試験体２の風洞測定部１００内における３次元座標を算出する画像処理部８１を有する画像処理装置として機能する。また、制御装置８は、画像処理部８１で算出された３次元座標から第１の試験体１及び第２の試験体２の相対距離を演算する相対距離演算部８２を有する相対距離演算装置として機能する。さらに、制御装置８は、第２の試験体２を移動制御する試験体制御部８３を有する試験体制御装置としても機能する。制御装置８は、画像処理部８１、相対距離演算部８２及び試験体制御部８３として機能するＣＰＵ８０と、各種のデータ及び制御プログラムを記憶する記憶部８４とを備えた一般的なコンピュータにより実現可能である。

第１の試験体１及び第２の試験体２は、何れも、表面上の相対座標（所定の座標系を基準として試験体表面の３次元座標）が既知となっている。そして、記憶部８４には、第１の試験体１及び第２の試験体２のそれぞれについて、表面上の所定の点における相対座標データが記憶されている。より具体的には、相対座標データとして第１の試験体１及び第２の試験体２のそれぞれの設計図等の図面データ（３次元ＣＡＤデータ等）又は当該図面データから算出された座標データが記憶部８４に記憶されている。なお、第１の試験体１の表面上の相対座標は、後述する第１の座標変換用マークＰｉと第１の試験体特定位置Ｑｉとの３次元相対位置が分かる限りどのようなデータであってもよい。また、第２の試験体２の表面上の相対座標は、後述する第２の座標変換用マークＡｉと第２の試験体特定位置Ｂｉとの３次元相対位置が分かる限りどのようなデータであってもよい。

また、制御装置８には、出力装置９が接続されており、制御装置８は、出力装置９に相対距離演算部８２の演算結果に応じた出力を行わせる。

第１の試験体１及び第２の試験体２の表面には、それぞれ、第１の試験体１及び第２の試験体２における相対座標が既知である位置に、座標変換用マークが３つ以上設けられている。本実施形態においては、第１の試験体１の表面に３つの第１の座標変換用マークＰｉ（ｉ＝１〜３）が設けられ、第２の試験体２の表面に３つの第２の座標変換用マークＡｉ（ｉ＝１〜３）が設けられている。第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉは、第１の試験体１及び第２の試験体２の表面に塗布されることにより形成されてもよいし、シール状のものが貼着されることにより形成されてもよい。

第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉは、撮像装置４，５に撮像され易い位置（陰になり難い位置）に設けられる。例えば、図１に示すように、第１の試験体１においては、飛翔体の機首の観測窓１０１側側面にＰ１が設けられ、垂直尾翼の観測窓１０１側側面にＰ２が設けられ、水平尾翼の先端部の観測窓１０１側側面にＰ３が設けられている。また、第２の試験体２においては、前端部にＡ１が設けられ、中央部にＡ２が設けられ、後端部にＡ３が設けられている。

第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの位置は、第１の試験体１の相対座標系及び第２の試験体２の相対座標系の３次元座標データが記憶部８４に記憶されている。

同様に、支持機構３の支持部材３３の表面には、第２の試験体２における相対座標（第２の座標変換用マークＡｉとの相対位置）が既知である位置に、座標変換用補助マークが３つ以上設けられている。本実施形態においては、支持部材３３の表面に３つの座標変換用補助マークＡｉ（ｉ＝４〜６）が設けられている。

ここで、第１及び第２の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３，Ａ１〜Ａ３及び座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６の態様について説明する。図２は図１に示す風洞内相対距離計測システムに用いられる座標変換用マークを例示する図である。図２（ａ）及び図２（ｄ）のマークは外周円１０内に円形の中心部１１を有し、図２（ｂ）及び図２（ｅ）のマークは外周円１０内に四角形の中心部１２を有し、図２（ｃ）及び図２（ｆ）のマークは外周円１０内に三角形の中心部１３を有している。また、図２（ａ）〜図２（ｃ）のマークは、中心部１１，１２，１３が外周円１０に対して高い輝度を有しており、図２（ｄ）〜図２（ｆ）のマークは、中心部１１，１２，１３が外周円１０に対して低い輝度を有している。輝度差は、使用する色や材料により変化させることができる。

そして、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉは、第１の試験体１及び第２の試験体２の表面に対して輝度差の大きい部分を有するように試験体１，２に設けられる。すなわち、試験体１，２の表面が金属沢等の比較的輝度の高い色又は材料で構成される場合には、図２（ａ）〜図２（ｃ）のように、中心部に高い輝度を有するマークを設けることが好ましい。また、試験体１，２の表面が黒等の比較的輝度の低い色又は材料で構成される場合には、図２（ｄ）〜図２（ｆ）のように、中心部に低い輝度を有するマークを設けることが好ましい。

これにより、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉにおける第１の試験体１及び第２の試験体２の表面に対して輝度差の大きい部分が撮像装置４，５によって鮮明に撮像されるため、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの座標を高精度に検出、演算することができる。

また、第１の試験体１及び第２の試験体２に設けられた第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉは、図２に示すように互いに異なる形状を有していてもよい。この場合、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉが設けられた位置に応じて異なる形状を有しているため、撮像装置４，５によって撮像された画像上の第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉがどの位置のものであるかを容易に認識することができる。

さらに、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉは、再帰反射材を含んでもよい。特に、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すような高い輝度を有する中心部１１，１２，１３に再帰反射材を設けることが好ましい。再帰反射材は、光が入射された方向と同じ方向に反射される材料である。従って、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの中心部１１，１２，１３に再帰反射材を設け、撮像装置４，５の光学系と同軸に配置された照明装置６，７から光を照射することにより、撮像装置４，５の光学系と同軸の光が再帰反射材を含む第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉに入射され、再帰反射材で反射された光が入射光と同軸の撮像装置４，５の光学系へまっすぐ帰ってくることとなる。これにより、撮像装置４，５で撮像した際の画像において第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの輝度を高くすることができ、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの座標を高精度に検出、演算することができる。なお、再帰反射材を用いない場合には、照明装置６，７は、第１の試験体１及び第２の試験体２に光が照射される限り、必ずしも撮像装置４，５の光学系と同軸に配置しなくてもよい。

また、図３は、図１に示す風洞内相対距離計測システムの第２の試験体に設けられる座標変換用マークの設置例を示す図である。第２の試験体２が長手軸Ｓ回りに回転可能に構成される場合には、第２の試験体２には、図３に示すように、第２の座標変換用マークＡｉが第２の試験体２の長手軸Ｓに直交する面と交差する外周上に３つ以上且つ隣接する第２の座標変換用マークＡｉ間の中心角が１８０度未満となるように設けられた座標変換用マーク群Ｔｉが３つ以上設けられ、第２の試験体２に設けられた複数の第２の座標変換用マークＡｉは、長手軸Ｓに平行な直線上に並ばないように構成されてもよい。より具体的には、図３に示すように、第２の試験体２には、３つの第２の座標変換用マークＡ１１，Ａ１２，Ａ１３によって構成される座標変換用マーク群Ｔ１と、３つの第２の座標変換用マークＡ２１，Ａ２２，Ａ２３によって構成される座標変換用マーク群Ｔ２と、３つの第２の座標変換用マークＡ３１，Ａ３２，Ａ３３によって構成される座標変換用マーク群Ｔ３とが設けられている。座標変換用マーク群Ｔｉ（ｉ＝１〜３）をそれぞれ構成する第２の座標変換用マークＡｉ１，Ａｉ２，Ａｉ３は、隣接するマークと長手軸Ｓとを結ぶ線分の内角が１２０度になっている。言い換えると、第２の座標変換用マークＡｉ１、Ａｉ２，Ａｉ３がそれぞれ第２の試験体２の表面において周方向に均等に配置されている。しかも、座標変換用マーク群Ｔｉ間において、第２の座標変換用マークＡｉｊ（ｉ，ｊ＝１〜３）が長手軸Ｓと平行な直線上に並ばないように配置されている。この場合、後述する撮像装置４，５によって撮像された画像において、座標変換用マーク群Ｔ１の第２の座標変換用マークＡ１ｊのうちの少なくとも１つが撮像装置４，５の撮像範囲に入ることとなる。座標変換用マーク群Ｔ２，Ｔ３においても同様である。このとき、同じ群に含まれる第２の座標変換用マークＡｉ１，Ａｉ２，Ａｉ３は、同一の第２の座標変換用マークＡｉとして検出される。

これにより、第２の試験体２を長手軸Ｓ回りに回転させた場合であっても、第２の試験体２に設けられた第２の座標変換用マークＡｉを必ず３つ以上検出することができるため、第２の試験体２を回転させながら風洞試験を行う場合においても、第２の座標変換用マークＡｉの座標を迅速かつ高精度に検出、演算することができる。なお、上記例においては、座標変換用マーク群Ｔｉは３つの第２の座標変換用マークＡｉｊを有しているが、４つ以上有していてもよい。

なお、第２の試験体２を長手軸Ｓ回りに回転させる場合、支持部材３３も長手軸Ｓ回りに回転するため、支持部材３３に設けられる座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６についても上記と同様に座標変換用補助マーク群を設けることが好ましい。

次に、第１の試験体１及び第２の試験体２の相対距離の演算方法について説明する。まず、第１の試験体１及び第２の試験体２の設置前に、風洞測定部１００内における３次元座標系（以下、ワーク座標系と称する）を定義する。このワーク座標系は、撮像装置４，５で撮像された画像より得られた第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの視差に基づいて第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの３次元座標を演算するための基準となるものである。言い換えると、ワーク座標系は、撮像装置４，５で撮像された画像より得られた第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの平面座標から三角測量の原理により得られる３次元座標の基準となるものである。図４は、撮像装置における平面座標系と風洞測定部内に定義されたワーク座標系との関係を示す図である。ワーク座標系の任意の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、この点Ｐに対応する撮像装置４，５の撮像面と平行な平面座標系（カメラ座標系）における点Ｐ’（Ｘｃ１，Ｙｃ１）及びＰ’’（Ｘｃ２，Ｙｃ２）とは、次式で示される透視投影の関係にある。ここで、ｈ１，ｈ２は、光学系の倍率に相当する係数を表し、Ｃ１，Ｃ２は、３行４列の透視変換行列を表し、透視変換行列Ｃ１，Ｃ２のそれぞれ１２個の行列要素をカメラパラメータと称する。ｔは転置行列を表す。

透視変換行列Ｃ１，Ｃ２のカメラパラメータを求めるために、風洞測定部１００内にキャリブレーション治具を設置した上で、３次元座標が既知の６点以上の点を実際に撮像装置４，５で撮像する。画像処理部８１は、撮像装置４，５で撮像された６点以上の点について、平面座標系における座標を演算する。上記６点以上の点のそれぞれについて、演算された座標と既知の３次元座標とを式（１）及び式（２）に代入することにより得られた連立方程式を解くことにより、カメラパラメータを算出することができる。

キャリブレーション治具は、同一平面上にない６点以上の点の３次元座標が既知であるものである限り限定されないが、キャリブレーション治具として、例えば、８つの頂点を有し、その８つの頂点のうち、少なくとも６点に点光源又はマークが設けられた１辺の長さが既知の透明立方体を風洞測定部１００内に設置してもよい。

また、風洞測定部１００内で定義されたワーク座標系は、風洞測定部１００内に固設された第１の試験体１の表面上において同一平面上にない６点以上の所定の点から予め設定されていてもよい。この場合、第１の試験体１の表面には、座標変換用マークが６つ以上設けられる。これにより、風洞測定部１００内のワーク座標系を設定するためのキャリブレーション治具を別途用意することなく、低コストかつ短時間で計測準備を行うことができる。

上記のようにしてカメラパラメータを算出することにより、撮像装置４，５で撮像された第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの平面座標を透視変換行列Ｃ１，Ｃ２を用いてワーク座標系の３次元座標に変換することができる。

以下、本実施系形態における風洞内相対距離計測システムを用いて第１の試験体１と第２の試験体２との相対距離を算出する方法について説明する。図５は、図１に示す風洞内相対距離計測システムにおいて第１の試験体と第２の試験体との相対距離を演算するための制御フローチャートである。

まず、風洞測定部１００内に第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉが設けられた第１の試験体１及び第２の試験体２を設置した状態で照明装置６，７を第１の試験体１及び第２の試験体２に向けて照射し、第１の試験体１及び第２の試験体２を撮像装置４，５で撮像することにより、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉで反射された光を制御装置８に取り込む（ステップＳ１）。画像処理部８１は、撮像装置４，５それぞれで撮像された複数の画像から第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉ（ｉ＝１〜３）を検出し、第１及び第２の座標変換用マーク（座標変換用補助マーク）Ｐｉ，Ａｉの撮像装置４，５（複数の光学系）毎の平面座標（カメラ座標）Ｐ’，Ｐ’’を算出する（ステップＳ２）。より詳しくは、画像処理部８１は、座標変換用マークＰｉ，Ａｉの平面座標として、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの重心の座標を算出する。すなわち、例えば、図２（ａ）又は図２（ｄ）のような円形の中心部１１を有するマークにおいては円の中心座標を算出し、図２（ｂ）又は図２（ｅ）のような四角形の中心部１２を有するマークにおいては対角線の交点の座標を算出する。画像処理部８１は、第２の試験体２に設けられた第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３をすべて検出できたか否かを判断する（ステップＳ３）。第２の試験体２に設けられた第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３のいずれか１つでも検出できなかった場合（ステップＳ３でＮｏ）、画像処理部８１は、支持部材３３に設けられた座標変換用マークＡ４〜Ａ６を検出し、座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６の撮像装置４，５（複数の光学系）毎の平面座標を算出する（ステップＳ１３）。

続いて、画像処理部８１は、第１及び第２座標変換用マークＰｉ，Ａｉごとに求められた撮像装置４，５毎の平面座標Ｐ’，Ｐ’’より、上記のカメラパラメータを用いて各座標変換用マークＰｉ，Ａｉのワーク座標系における３次元座標Ｐを算出する（ステップＳ４）。なお、撮像装置４，５で撮像された各座標変換用マークＰｉ，Ａｉの位置から第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの視差を直接的に演算することにより各座標変換用マークＰｉ，Ａｉのワーク座標系における３次元座標Ｐを算出してもよい。

次に、相対距離演算部８２は、検出した第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの相対座標を記憶部８４から読み出し（ステップＳ５）、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉのワーク座標及び相対座標に基づいて任意の点Ｐを相対座標からワーク座標へ変換するためのアフィン変換行列を演算する（ステップＳ６）。任意の点Ｐの相対座標をＰ_０（Ｘｐ_０，Ｙｐ_０，Ｚｐ_０）とし、ワーク座標をＰ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）とすると、相対座標Ｐ_０からワーク座標Ｐへの座標変換は次式で示されるアフィン変換で表される。

上記のようにアフィン変換行列Ｆは４行４列の行列で１２個の係数を有している。従って、アフィン変換行列Ｆは、相対座標Ｐ_０及びワーク座標Ｐがそれぞれ既知である４点以上の点から求められる。本実施形態においては、第１の試験体１の第１の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３の相対座標Ｐ_０ｉ（Ｘｐ_０ｉ，Ｙｐ_０ｉ，Ｚｐ_０ｉ）及びワーク座標Ｐｉ（Ｘｐｉ，Ｙｐｉ，Ｚｐｉ）（ｉ＝１〜３）と、第１の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３の３点から所定の演算により求められる点Ｐ４の相対座標Ｐ_０４（Ｘｐ_０４，Ｙｐ_０４，Ｚｐ_０４）及びワーク座標Ｐ４（Ｘｐ４，Ｙｐ４，Ｚｐ４）とを用いてアフィン変換行列Ｆが求められる。点Ｐ４の座標は、例えば第１の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３のそれぞれからの距離が等しく、かつ第１の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３を含む平面からＺ軸方向に所定の距離離れた位置にある点とし、その点Ｐ４について、相対座標系及びワーク座標系の座標をそれぞれ算出する。

このように得られた４点の各座標Ｐｉ，Ｐ_０ｉ（ｉ＝１〜４）を上記式（５）に代入することにより、第１の試験体１についてのアフィン変換行列Ｆｐが求められる。すなわち、以下の式（７）を演算することにより求められる。

同様に、第２の試験体２についてのアフィン変換行列Ｆａも第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３の相対座標Ａ_０ｉ（Ｘａ_０ｉ，Ｙａ_０ｉ，Ｚａ_０ｉ）及びワーク座標Ａｉ（Ｘａｉ，Ｙａｉ，Ｚａｉ）（ｉ＝１〜３）と、第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３の３点から所定の演算により求められる点Ａ７の相対座標Ａ_０７（Ｘａ_０７，Ｙａ_０７，Ｚａ_０７）及びワーク座標Ａ７（Ｘａ７，Ｙａ７，Ｚａ７）とを用いて以下の式（８）を演算することにより求められる。

なお、ステップＳ３において第２の試験体２の第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３のうち何れか１つでも検出できないと判断された場合には、第２の試験体２についてのアフィン変換行列Ｆａは、支持部材３３の座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６及び座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６から演算によって求められる点Ａ８の各座標を用いて上記式（８）と同様にして求められる。また、第１の試験体１及び第２の試験体２における相対座標系が同一の座標系である場合には、Ｆｐ＝Ｆａとなるため、Ｆａを求める必要はない。

これにより、第１の試験体１の表面及び第２の試験体２の表面の所定の点Ｐのワーク座標は、相対座標が分かる限り、アフィン変換を行うことによって求めることができる。

従って、相対距離演算部８２は、第１の試験体１の表面に設けられ、第１の座標変換用マークＰ１〜Ｐ３に対する相対位置が既知である一又は複数の特定の位置（第１の試験体特定位置）の相対座標及び第２の試験体２の表面に設けられ、第２の座標変換用マークＡ１〜Ａ３及び座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６に対する相対位置が既知である一又は複数の特定の位置（第２の試験体特定位置）の相対座標を記憶部８４から読み出し（ステップＳ７）、第１及び第２の試験体特定位置の相対座標をワーク座標系の３次元座標に変換する（ステップＳ８）。

ここで、第１及び第２の試験体特定位置は、第１の試験体１及び第２の試験体２の表面において、試験体１，２同士が接触する可能性が高い点が予め設定され、その相対座標が記憶部８４に記憶されている。なお、本実施形態において、第１及び第２の試験体特定位置は、点座標で示されるため、以下、第１及び第２の特定点と称する。図６は、図１に示す風洞内相対距離計測システムにおける座標変換用マーク及び特定点の配置を示す斜視図である。図６に示すように、第１の特定点Ｑｍ（ｍ＝１〜７）は、第１の試験体１の下方に突出した部分に設けられている。具体的には、第１の特定点Ｑｍは、飛翔体の胴体下方の前部（Ｑ１）、中央部（Ｑ２）及び後部（Ｑ３）並びに飛翔体の主翼下部に設けられた複数のエンジンのそれぞれの下端部（Ｑ４〜Ｑ７）に設定されている。また、第２の特定点Ｂｎ（ｎ＝１〜２）は、第２の試験体２の前端部（Ｂ１）及び後端部（Ｂ２）の上方に設けられている。このように、第１及び第２の特定点Ｑｍ，Ｂｎは、風洞試験を行う際に接触する可能性の高い位置に設定されることが好ましい。

第１の特定点Ｑｍ（ｍ＝１〜７）の相対座標をＱ_０ｍ（Ｘｑ_０ｍ，Ｙｑ_０ｍ，Ｚｑ_０ｍ）とすると、第１の特定点Ｑｍのワーク座標Ｑｍ（Ｘｑｍ，Ｙｑｍ，Ｚｑｍ）は、以下の式で求められる。

同様に、第２の特定点Ｂｎ（ｎ＝１〜２）の相対座標をＢ_０ｎ（Ｘｂ_０ｎ，Ｙｂ_０ｎ，Ｚｂ_０ｎ）とすると、第２の特定点Ｑｎのワーク座標Ｑｎ（Ｘｂｎ，Ｙｂｎ，Ｚｂｎ）は、以下の式で求められる。

このように、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉと第１及び第２の試験体特定位置Ｑｍ，Ｂｎとの相対位置から第１及び第２の特定点Ｑｍ，Ｂｎのワーク座標系の３次元座標を求めた上で、相対距離演算部８２は、第１の各特定点Ｑｍと第２の各特定点Ｂｎとの距離をそれぞれ算出する（ステップＳ９）。ある第１の特定点Ｑｍとある第２の特定点Ｂｎとの距離Ｌ（ＱｍＢｎ）は、以下の式で表される。

相対距離演算部８２は、第１の特定点Ｑｍと第２の特定点Ｂｎとの距離Ｌ（ＱｍＢｎ）のすべての組み合わせについて、同様に上記式（１１）を用いて演算する。

本実施形態において、相対距離演算部８２は、各特定点間距離Ｌ（ＱｍＢｎ）の何れかが予め設定された所定距離内となったか否かを判断し（ステップＳ１０）、所定距離内となった特定点間距離Ｌ（ＱｍＢｎ）が存在する場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）、出力装置９に対しその旨の出力を行い、出力装置９にアラームを報知させる（ステップＳ１１）。出力装置９は、例えば警報ランプ又は警報ブザーでもよいし、第２の試験体２の操作パネルに設けられたモニタにおいて警報表示させることとしてもよい。

以上の制御は、第２の試験体２が移動する度に行われる（ステップＳ１２）。

上記構成によれば、座標変換用マークＰｉ，Ａｉを複数の光学系を有する撮像装置４，５で撮像することにより、三角測量の原理を用いて風洞測定部内の３次元座標系であるワーク座標系における第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉの３次元座標を演算することができるため、第１の試験体１と第２の試験体２との相対距離Ｌを非接触かつ短時間で計測することができる。しかも、第１の試験体１及び第２の試験体２の表面に設けられる第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉとは別に、第１の試験体１と第２の試験体２との相対距離を求める基準となる第１及び第２の特定点Ｑｍ，Ｂｎを設定することが可能なため、第１及び第２の座標変換用マークＰｉ，Ａｉを撮像装置４，５で撮像し易い箇所に設けつつ、２つの試験体１，２が接触する可能性が高い位置である第１及び第２の特定点Ｑｍ，Ｂｎを基準として相対距離Ｌを算出することができるため、第１の試験体１と第２の試験体２との近接判定を高精度かつ定量的に行うことができる。

また、第２の試験体２が第１の試験体１の影に隠れた場合であっても、第２の試験体２と一体的に相対移動する支持部材３３に設けられた座標変換用補助マークＡ４〜Ａ６を用いて風洞測定部内の３次元座標系における第２の試験体２の３次元座標を演算することができるため、より確実に第１の試験体１と第２の試験体２との相対距離Ｌを算出することができる。

なお、本実施形態においては、相対距離演算部８２で演算された相対距離Ｌを第１の試験体１と第２の試験体２との近接判定に用いているが、例えば相対距離Ｌを試験体制御部８３が第２の試験体２を所定距離移動させる制御に用いることとしてもよい。

また、本実施形態においては、第１の特定点Ｑｍと第２の特定点Ｂｎとを結ぶ距離をすべて算出し、算出されたそれぞれの距離について所定距離以内か否かの判定を行っているが、特定点間の距離を算出する毎に所定距離以内か否かの判定を行って、所定距離以内である長さが存在した時点でアラームを報知することとしてもよい。この場合はさらに、衝突し易い特定点間の長さを優先的に算出することとしてもよい。

また、上記のような特定点間の距離を算出する代わりに、第１の特定点Ｑｍから基準平面を演算し、基準平面と第２の特定点Ｂｎとの距離を第１の試験体１と第２の試験体２との相対距離として算出してもよい。図７は、図１に示す風洞内相対距離計測システムにおいて試験体間の相対距離を求めるための他の方法を示す図である。

図７の例においては、相対距離演算部８２は、第１の特定点Ｑｍのうち第１の試験体１の胴体下方に設けられた第１の特定点Ｑ１〜Ｑ３を含み且つ水平面に平行な基準平面Ａを算出する。さらに、相対距離演算部８２は、算出された基準平面Ａと第２の特定点Ｂ１，Ｂ２との距離Ｌ１，Ｌ２を相対距離としてそれぞれ求め、この距離Ｌ１，Ｌ２が所定距離以内か否かを判定し、所定距離以内である場合には出力装置９にアラームを報知させる。

なお、一直線上にない３点以上の第１の特定点Ｑｍを用い、これらを含む平面を基準平面Ａとして算出してもよいし、１点以上の第１の特定点Ｑｍを用い、これを含み、水平面に平行な平面を基準平面Ａとして算出してもよい。また、複数の第２の特定点Ｂｎを結んだ線分を算出し、この線分と基準平面Ａとの距離を算出することとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

本発明の風洞内相対距離計測システム及び風洞内相対距離計測方法は、風洞測定部内試験に用いられる複数の試験体の相対距離を非接触かつ短時間で計測しつつ、試験体同士の近接判定を高精度かつ定量的に行うために有用である。

１００ 風洞測定部
１０１ 観測窓
１ 第１の試験体
２ 第２の試験体
３ 支持機構
４，５ 撮像装置
６，７ 照明装置
８ 制御装置
９ 出力装置
１０ 外周円
１１，１２，１３ マークの中心部
３１ 固定部材
３２ アーム部材
３３ 支持部材
８０ ＣＰＵ
８１ 画像処理部（画像処理装置）
８２ 相対距離演算部（相対距離演算装置）
８３ 試験体制御部
８４ 記憶部
Ａ１〜Ａ３ 第２の座標変換用マーク
Ａ４〜Ａ６ 座標変換用補助マーク
Ａ１１〜Ａ１３，Ａ２１〜Ａ２３，Ａ３１〜Ａ３３ 座標変換用マーク群の第２の座標変換用マーク
Ｂ１〜Ｂ２ 第２の特定点（第２の試験体特定位置）
Ｌ 相対距離
Ｐ１〜Ｐ３ 第１の座標変換用マーク
Ｑ１〜Ｑ７ 第１の特定点（第１の試験体特定位置）
Ｔ１〜Ｔ３ 座標変換用マーク群

Claims (8)

1. 風洞測定部内に設置された第１の試験体と、
   前記風洞測定部内の前記第１の試験体に対して相対移動可能に設置された第２の試験体と、
   前記第１の試験体の表面に３つ以上設けられ、一又は複数の特定の位置（以下、第１の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第１の座標変換用マークと、
   前記第２の試験体の表面に３つ以上設けられ、一又は複数の特定の位置（以下、第２の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第２の座標変換用マークと、
   前記風洞測定部の外部から前記第１及び第２の座標変換用マークを撮像する複数の光学系を有する撮像装置と、
   前記撮像装置で撮像された前記複数の光学系毎の画像から得られた前記第１及び第２の座標変換用マークの視差に基づいて前記第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算する画像処理装置と、
   前記３つ以上の第１の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第１の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第１の試験体特定位置の３次元座標を演算し、前記３つ以上の第２の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第２の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第２の試験体特定位置の３次元座標を演算し、かつ前記第１の試験体特定位置の３次元座標と前記第２の試験体特定位置の３次元座標とから前記第１の試験体特定位置と前記第２の試験体特定位置との相対距離を演算し、その結果を出力する相対距離演算装置と、を備えた風洞内相対距離計測システム。
2. 前記第２の試験体と一体的に固定され、前記第２の試験体を支持する支持部材と、
   前記支持部材の表面に設けられた３つ以上の座標変換用補助マークとを備え、
   前記画像処理装置は、前記第２の試験体の表面に設けられた前記座標変換用マークの何れかが前記撮像装置で撮像された画像上に写らない場合に、前記座標変換用マークの代わりに前記座標変換用補助マークを用いて演算する、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
3. 前記３次元座標は、前記風洞測定部内に固設された前記第１の試験体の表面上において同一平面状にない６点以上の所定の点から予め定義されている、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
4. 前記撮像装置の光学系にそれぞれ同軸に光を照射可能な照明装置を備え、
   前記第１及び第２の座標変換用マークは、再帰反射材を含む、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
5. 前記第１及び第２の座標変換用マークは、前記第１の試験体及び第２の試験体の表面に対して輝度差の大きい部分を有する、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
6. 前記第１及び第２の座標変換用マークは、互いに異なる形状を有している、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
7. 前記第２の試験体は、長手軸回り回転可能に構成されており、
   前記第２の試験体には、前記第２の座標変換用マークが前記長手軸に直交する面と交差する外周上に３つ以上且つ隣接する前記第２の座標変換用マーク間の中心角が１８０度未満となるように設けられた座標変換用マーク群が３つ以上設けられ、
   前記第２の試験体に設けられた前記第２の座標変換用マークは、前記長手軸に平行な直線上に並ばない、請求項１に記載の風洞内相対距離計測システム。
8. 風洞測定部内に設置された第１の試験体と、
   前記風洞測定部内に前記第１の試験体に対して相対移動可能に設置された第２の試験体との相対距離を計測する風洞内相対距離計測方法であって、
   一又は複数の特定の位置（以下、第１の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第１の座標変換用マークを前記第１の試験体の表面に３つ以上設け、
   一又は複数の特定の位置（以下、第２の試験体特定位置という）に対する相対位置が既知である第２の座標変換用マークを前記第２の試験体の表面に３つ以上設け、
   複数の光学系を有する撮像装置を用いて、前記風洞測定部の外部から前記第１及び第２の座標変換用マークを撮像し、
   前記撮像装置で撮像された前記複数の光学系毎の画像から得られた前記第１及び第２の座標変換用マークの視差に基づいて前記第１及び第２の座標変換用マークの３次元座標を演算し、
   前記３つ以上の第１の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第１の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第１の試験体特定位置の３次元座標を演算し、前記３つ以上の第２の座標変換用マークの３次元座標とそれぞれの前記第２の試験体特定位置に対する相対位置とを用いて前記第２の試験体特定位置の３次元座標を演算し、
   前記第１の試験体特定位置と前記第２の試験体特定位置との相対距離を演算する、風洞内相対距離計測方法。

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