[发明专利]一种高速风洞模型姿态视频测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速风洞模型姿态视频测量系统及测量方法，主要是将视频测量系统相机置于高速风洞外部，经过玻璃观察窗测量风洞内部模型相对于风洞的空间姿态。

背景技术

随着现代飞行器对飞行品质、稳定性和机动性等要求的不断提高，其各个设计环节的精细化要求也越来越严格。飞行器设计大致可分为气动、载荷、强度和结构设计等环节，其中气动设计是整个飞行器设计的基础。

风洞试验是获取气动数据的主要途径。在风洞试验中，姿态角是基础数据，直接决定着风洞试验模拟的精度。传统的姿态角测量主要借助于加速度传感器、激光传感器和伺服加速度计等，这些方法都存在一定的缺陷，诸如测量角度单一、精度不高、易于损坏及实时性差等。因此，迫切需要一种精度高、实时性好的姿态角测量方法以满足日益精细化的风洞试验要求。

基于立体视觉原理的视频测量技术具有精度高、实时性好、处理灵活方便的优点，自上世纪90年代开始在风洞试验中推广应用。风洞试验过程中，系统通过测量模型上标识点的空间位置实时计算模型的姿态角。视频测量系统获取的标识点三维坐标值是以相机坐标系为基准，因此风洞试验要求在满足相机的观测视场的同时保证其安装基准不发生振动。对于低速风洞，其试验段结构尺寸大、来流速度低，将相机置于风洞内部即可直接测量模型姿态。而对大部分的高速风洞，受试验段结构尺寸的限制及高速来流对相机安装基准冲击的影响，必须将相机放在风洞外部，通过玻璃观察窗测量模型的空间姿态。为了满足风洞试验段结构和玻璃窗的强度及加工要求，观察窗直径有限（通常在1米以内），且跨音速试验段有双层观察窗。再者，光线通过玻璃观察窗时存在折射现象，而视频测量系统的成像模型是以光线沿直线传播为前提。综上，相机观测视场的限制与光线经过玻璃时的折射问题限制了视频测量系统在高速风洞模型姿态测量中的应用。

发明内容

本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，提供了一种高速风洞模型姿态视频测量系统及测量方法，利用置于风洞外部的视频测量系统测量模型上标识点在风洞坐标系下的三维坐标，再通过刚体计算得到模型的空间姿态。

本发明的技术解决方案为：

一种高速风洞模型姿态视频测量系统，包括：风洞标定靶、玻璃观察窗、风洞、飞行器模型、观察窗标定靶、像机支架和视频测量系统像机；

飞行器模型位于风洞内部，通过相机支架调整视频测量系统相机的位置，使得高速风洞吹风过程中飞行器模型上标识点始终处于视频测量系统相机的观测视场内，观察窗标定靶固定在风洞的玻璃观察窗上，风洞标定靶固定在风洞内壁上。

根据权利要求1所述的一种高速风洞模型姿态视频测量系统，其特征在于：所述观察窗标定靶和风洞标定靶均位于视频测量系统相机的观测视场内。

根据权利要求1所述的一种高速风洞模型姿态视频测量系统，其特征在于：所述相机支架包括万向接头、上支臂、锁紧螺钉、下支臂和底盘，其中，万向接头又包括旋转球头、挡环、销子、压紧螺钉和支座；

视频测量系统相机与万向接头之间通过旋转球头上的内螺纹连接，旋转球头的球头部分置于支座的球窝内，挡环在球窝口卡住旋转球头，销子将挡环和支座固定在一起；旋转球头通过压紧螺钉锁定在固定的位置；上支臂的一端与支座螺纹连接，上支臂在下支臂中上下滑动和旋转，通过锁紧螺钉固定，底盘为所述相机支架的支撑平台。

根据权利要求3所述的一种高速风洞模型姿态视频测量系统，其特征在于：视频测量系统相机的重心通过上支臂调整到下支臂的轴线上。

一种基于权利要求1所述高速风洞模型姿态视频测量系统实现的测量方法，包括如下步骤：

（1）将观察窗标定靶固定在所述高速风洞的观察窗玻璃平面上，将视频测量系统相机置于观察窗外部对所述观察窗标定靶成像，得到观察窗标定靶上标识点在测量系统相机坐标系下的三维坐标；

（2）根据步骤（1）中得到的所述三维坐标计算出视频测量系统相机坐标系与所述高速风洞的观察窗玻璃平面所在坐标系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵；

（3）确定光线经玻璃折射后的折射偏移量；

（4）令视频测量系统相机直接对所述高速风洞内部的飞行器模型进行成像，得到该飞行器模型上标识点在测量系统相机坐标系下的三维坐标；

（5）将步骤（3）中得到的折射偏移量叠加到步骤（4）中得到的飞行器模型上标识点的三维坐标上，得到校正后的飞行器模型上标识点的三维坐标值；

（6）令在视频测量系统相机对风洞标定靶进行成像，得到风洞标定靶上标识点在测量系统相机坐标系下的三维坐标；