一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置，该方法包括：建立世界坐标系；建立试验模型坐标系，确定其各反光标记点坐标；确定世界坐标系下反光标记点坐标，根据模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准，确定模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；建立坐标转换板坐标系，确定其各编码标记点坐标；确定世界坐标系下编码标记点坐标，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；采用坐标转换板坐标系计算模型位姿和位移；确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而计算风洞坐标系下模型位姿和位移。本发明专利技术提高了标定方法的现场适应性和通用性。通用性。通用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置


[0001]本专利技术涉及航空风洞试验光学测量领域，特别是涉及一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置。

技术介绍

[0002]随着我国风洞群的建立和飞行试验技术的发展，飞行器模型风洞试验对模拟真实化和试验精细化提出了更高的要求，传统的方法越来越难以胜任，采用光学非接触式测量手段已逐渐成为航空航天飞行器模型试验的一种趋势。光学非接触测量方法可以精确跟踪飞行器模型试验过程中的运动信息，如连续变攻角试验的攻角测量，自由飞试验中飞行轨迹和姿态跟踪等。
[0003]试验过程存在一个关键环节，即需要将模型坐标系和风洞坐标系进行精确对齐，从而保证测量数据在统一的坐标系下，去除中间的相对关系，获得绝对的轨迹、姿态信息。从原理层面来讲，该环节通过对存在于两个坐标系中的模型点云进行配准，获得配准得到的刚体转换矩阵即可。模型坐标系可根据模型的设计尺寸及实际形貌定位几何中心，根据几何中心确定模型本体坐标系。然而，如何精确的标定风洞坐标系则是一个令人困扰的问题。传统的标定方式如立体阶梯式标定块等，存在体积重量大、安装维护困难、标记点制造精度要求高等问题，导致其适用性差，应用场合受限。另外，国内的风洞坐标系标定一般依靠模型支撑机构，但该方法不适用于无模型支撑机构的风洞试验，如模型自由飞等。

技术实现思路

[0004]为了弥补上述
技术介绍
的不足，本专利技术提出一种一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置，以解决风洞坐标轴系标定方法适应性低、安装维护困难的问题。
[0005]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0006]本专利技术公开了一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，包括以下步骤：
[0007]S1、建立世界坐标系；
[0008]S2、建立风洞试验模型坐标系，确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标P
m
；
[0009]S3、确定世界坐标系下反光标记点坐标P
w
，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
[0010]S4、建立坐标转换板坐标系，确定坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标P
t
；
[0011]S5、确定世界坐标系下编码标记点坐标P
wc
，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
[0012]S6、采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿和位移；
[0013]S7、根据所述试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移，确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而实现计算风洞坐标系下试验模型位姿和位移。
[0014]在一些实施例中，步骤S1中，所述建立世界坐标系的步骤为：进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。
[0015]在一些实施例中，步骤S2中，所述建立风洞试验模型坐标系包括如下步骤：
[0016]S21、采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置；
[0017]S22、采用手持扫描设备扫描带有反光标记点的试验模型，得到其三维点云，所述三维点云包括试验模型点云和反光标记点点云；
[0018]S23、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，确定试验模型坐标系各坐标轴方向。
[0019]在一些实施例中，步骤S3具体包括：
[0020]S31、拍摄试验模型图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标；
[0021]S32、根据所述试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标系下反光标记点坐标，进行点云配准，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
[0022]P
w
＝
w
R
m
×
P
m
+
w
T
m
[0023]其中，
w
R
m
表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系旋转变换，
w
T
m
表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系平移变换。
[0024]在一些实施例中，步骤S4中，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行，步骤S4具体包括：
[0025]S41、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例，以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度；
[0026]S42、根据编码标记点位置及方向，计量各坐标之间相对位置关系，确定坐标转换板坐标系，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标。
[0027]在一些实施例中，步骤S5具体包括：
[0028]S51、拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标P
wc
。
[0029]S52、根据所述坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与世界坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
[0030]P
wc
＝
wc
R
t
×
P
t
+
wc
T
t
[0031]其中，
wc
R
t
表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系旋转变换，
wc
T
t
表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系平移变换。
[0032]在一些实施例中，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿的方法为：
[0033]假设在试验过程中的某个时刻，试验模型上任意的一个标记点P在风洞坐标系S
wind
下坐标为P
wind
，试验模型坐标系S
modle
的坐标P
modle_c
，在坐标转换板坐标系S
temp
下的位置是P
temp
，则风洞坐标系到试验模型坐标系、坐标转换板坐标系到模型坐标系存在如下转换关系：
[0034][0035]其中，
wind
R
temp
表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系旋转变换，
wind
T
temp
表
示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系平移变换，
temp
R
modle
表示标记点从试验模型坐标系到坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立世界坐标系；S2、建立风洞试验模型坐标系，确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标P
m
；S3、确定世界坐标系下反光标记点坐标P
w
，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；S4、建立坐标转换板坐标系，确定坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标P
t
；S5、确定世界坐标系下编码标记点坐标P
wc
，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；S6、采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿和位移；S7、根据所述试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移，确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而实现计算风洞坐标系下试验模型位姿和位移。2.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S1中，所述建立世界坐标系的步骤为：进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。3.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S2中，所述建立风洞试验模型坐标系包括如下步骤：S21、采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置；S22、采用手持扫描设备扫描带有反光标记点的试验模型，得到其三维点云，所述三维点云包括试验模型点云和反光标记点点云；S23、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，确定试验模型坐标系各坐标轴方向。4.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S3具体包括：S31、拍摄试验模型图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标；S32、根据所述试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标系下反光标记点坐标，进行点云配准，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系：P
w
＝
w
R
m
×
P
m
+
w
T
m
其中，
w
R
m
表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系旋转变换，
w
T
m
表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系平移变换。5.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S4中，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行，步骤S4具体包括：S41、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例，以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度；S42、根据编码标记点位置及方向，计量各坐标之间相对位置关系，确定坐标转换板坐标系，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标。
6.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S5具体包括：S51、拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标P
wc
。S52、根据所述坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与世界坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系：P
wc
＝
wc
R
t
×
P
t
+
wc
T
t
其中，
wc
R
t
表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系旋转变换，
wc
T
t
表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系平移变换。7.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿的方法为：假设在试验过程中的某个时刻，试验模型上任意的一个标记点P在风洞坐标系S
wind
下坐标为P
wind
，试验模型坐标系S
modle
的坐标P
modle_c
，在坐标转换板坐标系S

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊刚，祝家浚，卢今吉，宋佳乐，张铭凯，
申请(专利权)人：新拓三维技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：