[發明專利]一種多約束的風洞試驗模型變形視頻測量振動修正方法

有效

• 申請號: 201310697880.8
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103697863A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 陳德華;楊振華;易凡;唐立新;何嶺松;唐亮;陳海峰;陳俊明;毛代勇;高川;杜林
• 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;G01M9/08
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 鄧世燕

技術領域

本發明涉及計算機視覺及攝影測量學領域，尤其涉及一種多約束的風洞試驗模型變形視頻測量振動修正方法，是機器視覺測量技術在高速風洞試驗中的工程應用。?

背景技術

風洞試驗過程中，試驗模型機翼受氣動載荷作用而發生彈性變形。對大展弦比機翼來說，這種變形將嚴重影響飛行器的氣動特性，偏離設計需要，必須要對試驗數據加以修正，因此需要在風洞試驗的過程中準確地測量出試驗模型的變形量大小。而利用非接觸式的光學測量方法，對風洞流場干擾小、測量精度高，不改變試驗模型的幾何外形，是目前國際上應用最為廣泛的風洞試驗模型變形測量方法。?

在風洞中應用光學測量技術，特別是在高速風洞中應用視頻測量技術，一個必須解決的關鍵技術問題是如何處理風洞現場振動導致相機姿態發生變化致使測量精度嚴重下降的問題。為了保證在整個風洞試驗過程中測量數據的準確可靠，必須對試驗過程中的每一幀圖像都進行振動修正。文獻“Demonstration?of?Optical?Wing?Deformation?Measurements?at?the?Arnold?Engineering?Development?Center”（WimRuyten,Marvin?Sellers.47th?AIAA?Aerospace?Sciences?Meeting?including?The?New?Horizons?Forum?and?Aerospace?Exposition.2009.）中闡述了一種利用立體視覺測量技術測量風洞?試驗模型變形量的方法，為了修正風洞試驗段振動造成的相機姿態變化，該方法在吹風過程中將試驗模型的機身視為理想剛體，因此，當試驗模型的姿態發生變化時，模型機身上的特征標記點空間相對位置應該保持固定不變，利用這種不變的約束關系以及模型在靜止狀態下標記點相對位置的初值，即可計算出振動導致的相機之間的位姿變化偏差。然而，僅僅利用模型機身的剛體約束條件，只能修正兩臺相機間的相對位置姿態，不能修正相機坐標系在試驗段世界坐標系中的整體偏移，因而無法得到試驗模型的當前姿態和位置。同時，由于試驗模型的機身只占有效測量區域的一小部分，該方法并沒有充分利用全部測量特征，且該方法對相機的內部參數十分敏感，任何微小的相機內部參數偏差都將導致修正結果產生較大的差異。文獻“模型變形視頻測量的相機位置坐標與姿態角確定”（羅川,張征宇,孫巖等.實驗流體力學.2010,(6):88-91）闡述了使用角錐法來修正單個相機相對于風洞試驗段世界坐標系的偏移量，該方法利用試驗段壁板上特征標記點的圖像坐標單獨修正每個相機的振動偏差，但該方法并沒有有效地利用各個相機和試驗模型之間的隱含約束關系，因此在修正相機姿態的振動偏差后還需要額外的步驟來重構試驗模型的位置和姿態。?

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種多約束的風洞試驗模型變形視頻測量振動修正方法，既利用了試驗模型機身特征點的剛體約束條件、又利用了風洞試驗段壁板特征點的剛體約束條件，更進一步地增加了試驗模型機翼特征點在多視測量幾何中的共線約?束條件，創造性地將所有的約束條件變為統一形式的迭代方程，具有求解迭代收斂快、求解精度高，可以同時求解得到試驗模型的位置和姿態等優點。?

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種多約束的風洞試驗模型變形視頻測量振動修正方法，包括如下步驟：?

步驟一、布置視頻觀測相機：?

使用兩臺觀測相機，對試驗模型的測量部件進行交匯成像，試驗時兩臺相機同步觸發采集，兩臺相機能夠同時觀測到預先布置在風洞試驗段壁板上和試驗模型上的所有特征標記點；?

步驟二、建立像點投影觀測方程；?

步驟三、建立剛體和極線約束方程：?

步驟四、構建迭代方程；?

步驟五、迭代求取方程組最優解；?

步驟六、重構當前相機姿態和模型姿態。?

與現有技術相比，本發明的積極效果是：?

（1）同時利用了試驗模型機身點剛體約束、試驗模型機翼點極線約束和試驗段壁板點剛體約束三個約束條件，并創造性地將其變換為統一形式的多變量方程，以便于后續的迭代優化求解計算過程。可充分利用風洞試驗段和試驗模型的各種隱含約束條件，約束方程和求解參數可根據現場情況靈活選擇；在實際工程應用過程中，可以根據風洞現場的情況和試驗模型的幾何外形靈活選擇約束條件，簡化迭代方程和計算過程。?

（2）可用于修正相機坐標系在風洞試驗段坐標系中的振動偏差和兩臺相機相互之間的振動偏差，并可以同時計算得到試驗模型在試驗段坐標系中的實時姿態和位置。?