风洞试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法技术

本发明专利技术公开了一种风洞试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法，只需在模型上粘印的三个标记点，基于现有风洞试验流程，在姿态角为零的模型基准安装状态完成后，在无风时，控制模型姿态调整机构支撑模型做给定的姿态运动，即可准确获得风轴系三坐标轴在相机物方空间中的方向矢量，实现试验模型位姿视频测量的风轴系自标定；再基于基准安装状态和吹风试验给定状态下3个标记点，计算平移与旋转矩阵，准确解得吹风试验给定状态下模型体轴系三轴在相机物方空间的方向矢量，即可获得气动力下的模型姿态与变形参数。本发明专利技术省力省时，无需传统高精度、高成本的多自由度旋转台和台阶标定块，因此具有巨大的工程应用前景。

Self calibration method of wind axis system for wind tunnel test model pose video measurement

【技术实现步骤摘要】
风洞试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法
本方法涉及基于机器视觉和摄影测量的风洞试验
,尤其涉及种基于相机的试验模型位姿视频测量风轴系自标定方法。
技术介绍
高速风洞试验对象(即试验模型)，一般通过杆式悬臂梁承载结构与模型的姿态调整机构相连，在气动力作用下因支撑刚度不足，导致姿态调整机构设置的姿态参数与试验模型实际姿态产生差异。如2.4米跨声速风洞试验时模型承受的气动载荷可高达20吨，即使是高强度钢制的支撑机构也会发生明显弹性变形，导致试验模型实际姿态与模型姿态调整机构设置的姿态出现差异。因此，准确测量风洞试验对象(即试验模型)在气动力作用下姿态参数，掌握试验模型机翼的扭转和弯曲变形，得到实测气动数据与其实测姿态及气动外形间的对应关系，是高速风洞试验数据实现模型弹性影响修正的前提，也是基于试验数据验证CFD数值模拟结果的必然要求。虽然视频测量(VideogrammetricMeasurement，VM)技术对试验模型设计无特殊要求，仅需在试验模型上粘印标记点，即可利用共线方程求解标记点的三位坐标，获得机翼风洞试验模型的变形数据，因此，受到国内外风洞试验机构的青睐。现有技术中，国内外风洞试验机构普遍采用的相机标定方法，要求台阶标定块坐标系的三轴与风轴系三轴必须平行(X轴方向反向)，因此，需要利用高精度多自由度旋转台，才能实现台阶标定块在风洞试验段中进行定位，此时三轴与风轴系三轴必须平行(X轴方向反向)，即标定块上的控制点坐标才能将相机标定到风轴系。显然，将VM相机测量的坐标系转换到风轴系，既费力又费事，尤其是对于试验段洞壁存有扩开角(即气流方向与试验段洞壁不平行)时，更为困难。
技术实现思路
为克服现有技术不足，本专利技术提出了试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法，通过在模型上粘印的三个标记点，利用风洞试验前正确安装的模型，做给定的姿态运动，即可准确测得风轴系的三轴在相机物方空间坐标系中的单位矢量，再利用坐标变换方法获得旋转矩阵，将相机测得的物方空间坐标变换到风轴系。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：所述“试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法”至少包括如下步骤：S1：调整风洞观察窗外相机的位姿参数和焦距，使其成像范围覆盖试验模型的运动范围；S2：于所述试验模型的刚性区域表面上粘印三个非共线标记点a,b,c；S3：于试验模型处于基态时，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和S4：获得翼展方向在物方空间坐标系中的单位向量S5：当试验模型能够单独调整侧滑角时，计算获得风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于单位向量和单位向量计算获得风轴系X轴在物方空间坐标系的单位向量当试验模型不能够单独调整侧滑角时，调整试验模型的滚转角，获得风轴系X轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于单位向量和单位向量计算获得风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量S6：计算风洞试验中给定姿态t对应的模型体轴系纵向轴向量与横向轴向量以及旋转矩阵Rt、平移矩阵Tt与变形。试验模型处于基态时，取飞行器质心为模型体轴系原点，纵向轴沿飞行器模型结构纵轴向前与平行(方向相反)，竖向轴与平行，横向轴与平行，则风洞来流向量于风洞试验中给定试验姿态t，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和可得到从和变换到和的旋转矩阵Rt与平移矩阵Tt。即，对于模型上给定的第i个点用上式可得姿态t时的位置则与的坐标之差即为点在姿态t对应的变形；给定试验姿态t，模型体轴系的纵向轴向量和横向轴向量的计算式为S7：计算风洞试验中给定试验姿态t对应的模型迎角αt和侧滑角βt。风洞来流向量在模型体轴系纵向轴和竖向轴所在平面上的投影迎角为与的夹角；侧滑角为与模型体轴系纵向轴和竖向轴所在平面的夹角，计算式为根据一个优选的实施方式，所述步骤S4中，单位向量由如下步骤获得：S41.调整试验模型的迎角到(Δ，0，0)时，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和S42.调整试验模型的迎角到(-Δ，0，0)时，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和S43.基于步骤S41和步骤S42，采用如下计算式计算得a点的S44.基于步骤S43，同理分别计算得到点b和c分别对应的和S45.取和的平均值并单位化获得单位向量根据一个优选的实施方式，所述步骤S5中，当试验模型能够单独调整侧滑角时，调整试验模型迎角到(0，Δ，0)时，利用相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和调试验整模型迎角到(0，-Δ，0)时，利用相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和基于计算得a点的同理分别计算得点b和c分别对应的和取和三者的平均值并单位化得到风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于计算得到风轴系X轴在物方空间坐标系中的单位向量根据一个优选的实施方式，所述步骤S5中，当试验模型不能够单独调整侧滑角时，调整模型迎角到(0，0，Δ)时，利用相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和调整模型迎角到(0，0，-Δ)时，利用相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和基于计算得a点的同理分别计算得点b和c分别对应的和取和三者的平均值并单位化得到风轴系X轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于单位向量和单位向量按计算获得风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量前述本专利技术主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本专利技术可采用并要求保护的方案；且本专利技术，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本专利技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本专利技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。本专利技术的有益效果：与现有VM测量物方坐标系转换到风轴系方法不同，本专利技术无需传统的多自由度旋转台和台阶标定块，只需在模型上粘印的三个标记点，基于现有风洞试验流程，在姿态角为零的模型基准安装状态完成后，在无风时，控制模型姿态调整机构支撑模型做给定的姿态运动，即可准确获得风轴系三坐标轴在相机物方空间中的方向矢量，实现试验模型位姿视频测量的风轴系自标定；再基于基准安装状态和吹风试验给定状态下3个标记点，计算平移与旋转矩阵，准确解得吹风试验给定状态下模型体轴系三轴在相机物方空间的方向矢量，即获得试验模型在气动力下的姿态与变形参数。本专利技术省力省时，无需传统高精度、高成本的多自由度旋转台和台阶标定块(及其昂贵的存储成本)，尤其适于试验段洞壁存有扩开角(即气流方向与试验段洞壁不平行)的工作环境，低成本快速实现试验模型位姿视频测量的风轴系自标定，因此具有巨大的工程应用前景。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法，其特征在于，所述坐标系标定方法至少包括如下步骤：/nS1：调整风洞观察窗外相机的位姿参数和焦距，使其成像范围覆盖试验模型的运动范围；/nS2：于所述试验模型的刚性区域表面上粘印三个非共线标记点a,b,c；/nS3：于试验模型处于基态时(即试验模型的迎角、侧滑角与滚转角都为零)，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为

【技术特征摘要】
1.试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法，其特征在于，所述坐标系标定方法至少包括如下步骤：
S1：调整风洞观察窗外相机的位姿参数和焦距，使其成像范围覆盖试验模型的运动范围；
S2：于所述试验模型的刚性区域表面上粘印三个非共线标记点a,b,c；
S3：于试验模型处于基态时(即试验模型的迎角、侧滑角与滚转角都为零)，基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和
S4：获得翼展方向在物方空间坐标系中的单位向量
S5：当试验模型能够单独调整侧滑角时，计算获得风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于单位向量和单位向量计算获得风轴系X轴在物方空间坐标系的单位向量
当试验模型不能够单独调整侧滑角时，调整试验模型的滚转角，获得风轴系X轴在物方空间坐标系中的单位向量并基于单位向量和单位向量计算获得风轴系Z轴在物方空间坐标系中的单位向量
S6：计算风洞试验中给定姿态t对应的模型体轴系纵向轴向量与横向轴向量以及旋转矩阵Rt、平移矩阵Tt与变形；
基于相机测得三个标记点的物方空间坐标分别为和可得



即，对于模型上给定的第i个点用上式可得姿态t时的位置则与的坐标之差即为点在姿态t对应的变形；而



S7：计算风洞试验中给定试验姿态t对应的模型迎角αt和侧滑角βt，风洞来流向量在模型体轴系纵向轴和竖向轴所在平面上的投影则





2.如权利要求1所述的试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法，其特征在于，所述步骤S4中，单位向量由如下步骤获得：
S41.调整试验模型的迎角到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张征宇，王学渊，杨振华，魏锦宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51