风洞试验模型位姿视频测量的风轴系自标定方法与流程

本方法涉及基于机器视觉和摄影测量的风洞试验技术领域,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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为克服现有技术不足，本发明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。

本发明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

前述本发明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，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(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发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：与现有vm测量物方坐标系转换到风轴系方法不同，本发明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。本发明省力省时，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发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例

本发明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，所述坐标系标定方法至少包括如下步骤：

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。采用成熟的机器视觉和摄影测量方法，得到相机光学系统的畸变参数，完成相机校正。

优选地，于风洞试验空间建立风洞三维坐标系。令所风洞气流方向为x轴方向，且试验模型的机身轴线与x轴方向相同。试验模型的翼展方向为y轴方向。垂直于x轴与y轴所构成平面的方向为z轴方向。

步骤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。

步骤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其中，试验模型处于基态时，即是，模型姿态为(0，0，0)时。

步骤s4：获得翼展方向在物方空间坐标系中的单位向量

优选地，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

步骤s51：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

优选地，所述步骤s51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

步骤s52：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

优选地，所述步骤s52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

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

综上，与现有vm测量物方坐标系转换到风轴系方法不同，本发明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。本发明省力省时，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。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。