一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统，在运动模型的壁面固定设有多个标记光源，每个标记光源的灯心安装方向与纹影光源的光路平行，且面向纹影相机用于标记运动模型的运动轨迹；风洞试验后，获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，基于标记光源在运动模型上相对于运动模型的空间位置坐标及运动模型的质心坐标分析原始纹影图像，获得风洞实验中运动模型的分离运动轨迹以及动力学参数。本发明专利技术在运动模型上安装标记光源，通过简单的坐标对应关系以及几何关系处理获得试验中运动模型的位移、俯仰角变化，解决了现有技术中测量难度大、多相机位受场地限制、标定复杂的问题。定复杂的问题。定复杂的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统


[0001]本专利技术涉及风洞特种试验领域，具体涉及一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统，特别适用于超声速/高超声速风洞多体分离、自由飞试验时，能够获得模型分离轨迹和运动参数的识别方法。

技术介绍

[0002]在航空航天基础研究领域，高超声速风洞动态试验技术为研究高超声速飞行器动态飞行特性、多体分离动态特性做出了很大的贡献。目前在超声速/高超风洞中进行的多体分离试验一般采用CTS轨迹模拟系统进行试验，为一种准静态的分离模拟试验，非真实飞行条件下的动态分离模拟试验。模型自由飞和动态分离试验虽然有CTS系统支撑，但是无法直接获得模型的运动参数以及受力状态等数据信息。而这些试验数据对分析飞行器的动态（分离）气动特性以及流场分析非常重要。
[0003]在风洞动态试验中，一般用于获得飞行器运动参数信息的方式有两种：一是摄影测量法，二是在模型内部安装运动加速度传感器和信号采集器。对于摄像测量法，需要采用多相机或者单相机拍摄，在不同的角度对同一目标点进行多次拍摄。标定好双相机之间几何关系或者单相机不同机位之间的几何关系，可以通过对目标物立体像对的分析获得目标的空间坐标。该方法在应用与超声速/高超声速风洞试验中，测量难度大、设备成本高、标定复杂且测量效率低。一方面需要精心设计多相机位，但是这往往受到风洞试验舱观察窗口以及场地的限制，另一方面需要在风洞试验中给运动模型进行打光，反射足够多的光用于相机镜头捕捉。最后还需要进行复杂的坐标转换以及图像处理方法才能得到目标点的三维空间坐标和随时间的运动轨迹。这种方法的测量精度与相机方位、相机台数以及处理方法密切相关。所以综合来说，这种方法对于风洞动态试验的模型运动参数计算和捕捉来说难度较大，成本过高，实施操作复杂。最后对于在运动模型中安装加速度传感器及其信号采集存储系统的方法来说，由于一般用于风洞动态分离或者自由飞试验的试验模型尺寸较小，无法全部放置其中测量所需的惯性加速度传感器以及信号采集存储系统，而且尽管模型做的足够大用于安装测量设备，但是会增加试验模型重量，影响或者偏离预期动态试验效果，会对试验产生重要影响。另一方面，这会增加试验成本。
[0004]以上这些情况限制下，就需要一种普适性强，实施简单方便、成本低、数据处理简便高效而且对风洞动态试验结果影响小的模型多体分离或自由飞轨迹和运动参数识别方法。针对以上问题，提出一种基于风洞试验纹影图像的多体分离、自由飞轨迹和运动参数识别方法。

技术实现思路

[0005]为了解决以上方案中的缺陷和不足，本专利技术提出了一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统，该识别方法是针对在超声速/高超声速风洞中开展多体动态分离或者自由飞试验时，通过对纹影图像进行后期处理获得运动模型的运动参数和受力状态等信息，具
有成本低、操作简单高效、对实验影响小等特点，解决了现有技术中测量难度大、多相机位受场地限制、标定复杂的问题。
[0006]在本专利技术的第一个方面，提供一种纹影图像的运动、参数识别方法，包括如下方法步骤：步骤1、在运动模型的壁面固定设有多个标记光源，每个所述标记光源的灯心安装方向与纹影光源的光路平行，且面向纹影相机用于标记运动模型的运动轨迹；步骤2、风洞试验后，获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，识别所述原始纹影图像中的标记光源的位置像素点，获得每张所述原始纹影图像中每个所述标记光源的像素坐标；步骤3、利用步骤2处理后的纹影图像中某一时刻、上一时刻的每个所述标记光源的所述像素坐标和运动模型的质心坐标计算运动模型的俯仰角姿态变化，获得某一时刻相对于所述原始纹影图像的起始时刻的运动模型的姿态角的变化量；步骤4、以步骤2处理后的纹影图片中的某一固定点作为原点，建立参考坐标系，将每个所述标记光源的所述像素坐标转化为物理空间坐标变化，结合步骤3的结果，获得风洞实验中运动模型的分离运动轨迹以及动力学参数。
[0007]在一个可能的实施方式中，步骤1中，每个所述标记光源的中轴线与所述纹影光源的光路平行实现每个所述标记光源的灯心安装方向与纹影光源的光路平行，且每个所述标记光源背向纹影光源安装在所述运动模型的壁面上用于标记运动模型的运动轨迹以及姿态。
[0008]在一个可能的实施方式中，步骤2中所述获得每张纹影图像中每个标记光源的像素坐标的具体内容为：获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，对所有所述原始纹影图像进行批量灰度处理得到灰度图片，以判定出标记光源的位置像素点与背景像素点；继续将所述灰度图片转化为黑白二值图片，以得到每个标记光源的灯心的像素点坐标；获得每张纹影图片中每个标记光源的像素坐标。
[0009]在一个可能的实施方式中，步骤4中所述参考坐标系中，以风洞试验中试验气流的来流方向建立参考坐标系的横轴，垂直来流方向向上为参考坐标系的纵轴，得到每个所述标记光源在所述运动模型的运动过程中在所述参考坐标系中的坐标和所述运动模型的质心在参考坐标系中的坐标。
[0010]在一个可能的实施方式中，在所述参考坐标系中，结合所述运动模型在某一时刻相对于上一时刻的的位移，得到所述运动模型的运动速度、加速度、受力和俯仰力矩。
[0011]在一个可能的实施方式中，步骤4中的所述动力学参数的精度随着标记光源的数量增多而增高。
[0012]在一个可能的实施方式中，步骤1中，所述标记光源的数量大于等于3个。
[0013]在本专利技术的第二个方面，提供一种应用了上述方法的纹影图像的运动、参数识别系统，包括：用于风洞试验的运动模型、纹影光源和纹影相机，在运动模型的壁面上固定设有3个及以上光线方向背对纹影光源且面向纹影相机镜头的标记光源，每个所述标记光源的中轴线与纹影光源的光路平行用于标记运动模型的运动轨迹，在运动模型的空腔内部固定有连接标记光源的供电电路；
风洞试验后，获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，基于标记光源在运动模型上相对于运动模型的空间位置坐标及运动模型的质心坐标分析所述原始纹影图像。
[0014]在一个可能的实施方式中，每个所述标记光源固定在运动模型壁面的一个贯穿孔内。
[0015]在一个可能的实施方式中，所述标记光源是LED灯、小电珠或小灯泡中的一种。
[0016]本专利技术和现有技术相比具有如下有益效果：本专利技术提供了一种纹影图像的运动、参数识别方法及系统，该方法系统在运动模型上安装了标记光源，通过简单的坐标对应关系以及几何关系处理获得试验中运动模型的位移、俯仰角变化，进而获得加速度以及受力状态，该方法操作简单，方便快捷、精度可靠，而且成本很低，对风洞试验效果几乎没有影响。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0018]图1为本专利技术实施例中风洞试验纹影图像的运动、参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纹影图像的运动、参数识别方法，其特征在于，包括如下方法步骤：步骤1、在运动模型的壁面固定设有多个标记光源，每个所述标记光源的灯心安装方向与纹影光源的光路平行，且面向纹影相机用于标记运动模型的运动轨迹；步骤2、风洞试验后，获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，识别所述原始纹影图像中的标记光源的位置像素点，获得每张所述原始纹影图像中每个所述标记光源的像素坐标；步骤3、利用步骤2处理后的纹影图像中某一时刻、上一时刻的每个所述标记光源的所述像素坐标和运动模型的质心坐标计算运动模型的俯仰角姿态变化，获得某一时刻相对于所述原始纹影图像的起始时刻的运动模型的姿态角的变化量；步骤4、以步骤2处理后的纹影图片中的某一固定点作为原点，建立参考坐标系，将每个所述标记光源的所述像素坐标转化为物理空间坐标变化，结合步骤3的结果，获得风洞实验中运动模型的分离运动轨迹以及动力学参数。2.根据权利要求1所述的一种纹影图像的运动、参数识别方法，其特征在于，步骤1中，每个所述标记光源的中轴线与所述纹影光源的光路平行实现每个所述标记光源的灯心安装方向与纹影光源的光路平行，且每个所述标记光源背向纹影光源安装在所述运动模型的壁面上用于标记运动模型的运动轨迹以及姿态。3.根据权利要求1所述的一种纹影图像的运动、参数识别方法，其特征在于，步骤2中所述获得每张纹影图像中每个标记光源的像素坐标的具体内容为：获得包含有运动模型和标记光源的原始纹影图像，对所有所述原始纹影图像进行批量灰度处理得到灰度图片，以判定出标记光源的位置像素点与背景像素点；继续将所述灰度图片转化为黑白二值图片，以得到每个标记光源的灯心的像素点坐标；获得每张纹影图片中每个标记光源的像素坐标。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪运鹏，王粤，姜宗林，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：