[發明專利]基于立體視覺的風洞模型外形監測方法

無效

• 申請號: 200710048668.3
• 申請日: 2007-03-20
• 公開（公告）號: CN101270982A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 鄧小剛;路波;徐來武;張征宇;宋麗梅
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00;G01M9/02
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司
• 代理人: 吳彥峰

技術領域

本發明屬航空航天工業的風洞試驗技術領域，涉及一種用立體視覺技術監測風洞試驗過程中模型外形的方法。

背景技術

為更逼真地表達風洞試驗對象的外形細節，采用大尺寸風洞(如2.4m跨聲速風洞等)進行試驗成為發展趨勢。但在大尺寸風洞中，即使試驗模型采用合金鋼制作，因高速壓導致的試驗模型變形量，仍然超出國家規范對變形量的限制，造成試驗數據的質量急劇下降。特別是具有先進氣動特性的翼型(如尖峰翼型，超臨界翼型等)模型、大展弦比機翼、大后掠機翼的飛機模型以及細長的飛行器模型，幾何外形的偏差將極大降低風洞試驗結果的準確度。

為了得到淮確的實驗數據，通常都要測量模型的變形以便對試驗數據做修正。國外有的風洞為提高試驗數據的淮確度，即使在未超過變形限制時，依然測量(或計算)模型變形，對試驗數據做修正。

獲得風洞試驗模型變形量的方法分為理論計算與動態測量兩類。其中，前者主要根據鋼制試驗模型的載荷分布，推算相應的變形，如美國的AEDC4.88米跨聲速風洞就是根據鋼制試驗模型沿機翼展向的載荷分布，推算出沿翼展的扭轉變形，據此修正試驗數據，其缺點是推算出的變形精度不高，尤其是變形量較大時推算誤差將迅速增加。

目前，常用的動態測量方法如下：

1)基于應變片監測模型外形的技術雖已相當成熟，但不足之處在于：測量點數量有限，并且布線繁雜，不易組網，易受電磁干擾、測量精度粗糙等。

2)基于光學儀器的模型二維空間變形監測方法，如歐洲的DNW-HST風洞就是這種方法實現模型變形的非接觸測量，缺點是不能監測模型的三維空間變形量。

發明內容

本發明為了克服以上技術所存在問題，解決風洞試驗過程中模型外形的監測難題，本發明提出基于立體視覺的風洞模型外形監測方法。

本發明的技術方案是：利用可編程光源，向風洞試驗模型投射結構光，通過數量在2臺及以上不同位置的攝像機拍攝模型的圖像，根據圖像上的視差信息解算出表達模型外形的三維坐標點集合，簡稱三維點云；找出三維點云中幾何特征變化幅度大的點，作為特征點，并在模型上的對應位置作標記；然后在風洞試驗過程中，用2臺及以上不同位置的攝像機，獲取不同時刻特征點的圖像，利用圖像視差算出特征點相應的三維坐標；最后，基于三維點云和各特征點的幾何拓撲關系不變這一條件，根據不同時刻特征點的三維坐標，利用成熟插值方法(如代數法、迭代法等)得到風洞試驗過程中模型在不同時刻的外形。

本發明的特點與優點為：

(1)在風洞試驗過程中，實現非接觸、無損的模型外形監測，對風洞試驗沒有任何干擾。

(2)幾秒鐘范圍內，就可采集到模型外形的稠密三維點云，常用視覺系統可以達到0.02mm的精度，高精度的攝像系統，可以達到0.1微米的精度，顯微視覺系統則可達到更高的精度。

(3)對于復雜外形，特征點數量過低會降低外形監測的精度，但特征點數量過多又會導致插值計算負荷增大。

(4)所需的硬件為計算機、可編程光源、攝像機、圖像采集卡，硬件的技術成熟、可靠，成本低。

因此，本發明具有成本低、運行可靠等特點，特別適用于在風洞試驗中監測試驗模型的外形變化，也可用于其他處于彈性變形范圍內的產品外形監測。

附圖說明

圖1：基于立體視覺的風洞模型外形監測方法原理圖。

其中，附圖標記：1-3是攝像機；4為可編程光源，指能產生計算機可控的光斑、網格或條紋等結構光的光學投影裝置；5為圖像采集卡；6為計算機；7為立體視覺圖像處理軟件，指“基于同一試驗模型的多幅圖像，計算模型外形的空間點在兩幅圖像中的視差，以此確定空間點的深度信息，進而構建模型的三維坐標點”的計算機軟件；8為三維點云特征點提取軟件，指“能從模型外形三維坐標點中提取斜率或曲率變化大的坐標點”的計算機軟件；9為外形重構軟件，指“能確定模型的三維坐標點間的幾何拓撲關系，并據此根據特征點的變化插值擬合出模型其他三維坐標點的變化”；10為模型外形三維坐標點的顯示軟件，指“基于OpenGL或Direct3D等3D圖形庫”開發的模型外形三維坐標點的顯示軟件。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

如圖1所示，應用本發明基于立體視覺的風洞模型外形監測方法的系統組成如下：