[发明专利]一种风洞模型三维姿态角测量方法

权利要求书

1.一种风洞模型三维姿态角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.立体视觉系统布置

在试验前根据试验模型条件状态与风洞现场安装条件，将相机布置在试验段光学窗口外侧，使得立体视觉系统中相机具有公共视场，且公共视场对准模型的刚体部位；

步骤2. 进行立体视觉系统与风洞坐标系的标定

采用张正友标定法，使用风洞角度机构带动光学标定板实现对立体视觉系统中相机的内外参数、相机间的几何参数、风洞轴向量进行标定，具体是：获得一系列0°俯仰角时滚转姿态下光学标定板光学标在相机坐标系下的三维坐标，令滚转状态、时光学标定板光学标在相机坐标系下的三维坐标分别为和，由于光学标定板表面的光学标记点不存在相对运动，符合刚体假设，因此和满足：

其中，为和之间变换的旋转矩阵，为和之间变换的平移向量，采用广义逆矩阵的计算或奇异值分解的方式求解[，]，将旋转矩阵表示为轴角形式如下：

其中，表示矩阵R的秩，为俯仰角，、、分别为向量的在坐标系x、y、z三个方向的分量；

根据各个滚转姿态下的光学标定板光学标三维坐标，解算获得相机坐标系下的平均滚转轴向量作为风洞滚转轴向量，同理根据各个俯仰姿态下的光学标定板光学标三维坐标，解算获得相机坐标系下的平均俯仰轴向量作为风洞俯仰轴向量，基于右手定则以及向量正交关系，建立相机坐标系下侧滑轴向量，由此得到风洞坐标系向量矩阵；

步骤3.模型姿态测量

安装试验模型，在模型表面布置若干标记点，标记点要求布置在模型表面符合刚体假设的部位，调节模型至0°俯仰、0°滚转的基准状态，基于已标定的立体视觉系统记录当前模型图像，获得当前状态下模型表面标记点在相机坐标系下的空间坐标，作为基准标记点坐标；试验过程中，根据试验计划采集试验所需名义姿态下的模型图像，获得试验状态下模型表面标记点在相机坐标系下的空间坐标，将与通过旋转关系转换至风洞坐标系下得到新的坐标与，解算与的刚体变换旋转关系R1得到试验过程中，受气动载荷作用时，模型相对0°俯仰、0°滚转基准状态在风洞坐标系下的真实试验三维欧拉角——俯仰角、偏航角和滚转角：

再将欧拉角转换至模型姿态角——攻角和侧滑角，公式如下：

。

2.根据权利要求1所述的一种风洞模型三维姿态角测量方法，其特征在于：在步骤1中，为了使立体视觉系统中相机具有公共视场，确保光学标定板在立体视觉相机中能够无遮挡成像，在试验前，使用轻质靶标安装件（1）辅助光学标定板（2）的安装，具体是：轻质靶标安装件（1）为方形框架，轻质靶标安装件（1）上固定安置有光学标定板（2），轻质靶标安装件（1）上具有与轻质靶标安装件（1）轴线平行的用于放置倾角测量仪的高精度平面台（3），安置有光学标定板（2）的轻质靶标安装件（1）与安装在风洞弯刀机构上的支杆通过法兰或锥套（4）方式进行转接配装，使得在弯刀机构带动支杆进行运动时，轻质靶标安装件（1）与支杆间无相对运动。

3.根据权利要求1所述的一种风洞模型三维姿态角测量方法，其特征在于：在步骤3中，获得和的刚体变换旋转关系R1的具体方法是，将基准状态下模型表面标记点在风洞坐标系下的三维空间坐标作为源点云，试验状态下模型表面标记点在风洞坐标系下的三维空间点坐标作为目标点云，采用基于最大似然估计的CPD算法，使用高斯混合模型搜寻概率密度最大似然函数对应的模型参数，寻找到邻近点对之后计算出两片点云模型的转换参数，获得与的刚体变换旋转关系R1。