一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，包括如下步驟：布置視頻觀測相機；建立像點投影觀測方程；建立剛體和極線約束方程；構(gòu)建迭代方程；迭代求取方程組最優(yōu)解；重構(gòu)當前相機姿態(tài)和模型姿態(tài)。本發(fā)明的積極效果是：既利用了試驗?zāi)Ｐ蜋C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，進一步地增加了試驗?zāi)Ｐ蜋C翼特征點在多視測量幾何中的共線約束條件，創(chuàng)造性地將所有的約束條件變?yōu)榻y(tǒng)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?zāi)Ｐ偷奈恢煤妥藨B(tài)等優(yōu)點。
【專利說明】一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機視覺及攝影測量學領(lǐng)域，尤其涉及一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，是機器視覺測量技術(shù)在高速風洞試驗中的工程應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]風洞試驗過程中，試驗?zāi)Ｐ蜋C翼受氣動載荷作用而發(fā)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(shè)計需要，必須要對試驗數(shù)據(jù)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?zāi)Ｐ偷淖冃瘟看笮　６梅墙佑|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?zāi)Ｐ偷膸缀瓮庑?，是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃螠y量方法。
[0003]在風洞中應(yīng)用光學測量技術(shù)，特別是在高速風洞中應(yīng)用視頻測量技術(shù)，一個必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何處理風洞現(xiàn)場振動導致相機姿態(tài)發(fā)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(shù)據(jù)的準確可靠，必須對試驗過程中的每一中貞圖像都進行振動修正。文獻“Demonstration of Optical Wing DeformationMeasurements at the Arnold Engineering Development Center，，(WimRuyten, MarvinSellers.47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forumand Aerospace Exposition.2009.)中闡述了一種利用立體視覺測量技術(shù)測量風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃瘟康姆椒ǎ瑸榱诵拚L洞試驗段振動造成的相機姿態(tài)變化，該方法在吹風過程中將試驗?zāi)Ｐ偷臋C身視為理想剛體，因此，當試驗?zāi)Ｐ偷淖藨B(tài)發(fā)生變化時，模型機身上的特征標記點空間相對位置應(yīng)該保持固定不變，利用這種不變的約束關(guān)系以及模型在靜止狀態(tài)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(tài)，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?zāi)Ｐ偷漠斍白藨B(tài)和位置。同時，由于試驗?zāi)Ｐ偷臋C身只占有效測量區(qū)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(nèi)部參數(shù)十分敏感，任何微小的相機內(nèi)部參數(shù)偏差都將導致修正結(jié)果產(chǎn)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(tài)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?zāi)Ｐ椭g的隱含約束關(guān)系，因此在修正相機姿態(tài)的振動偏差后還需要額外的步驟來重構(gòu)試驗?zāi)Ｐ偷奈恢煤妥藨B(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，既利用了試驗?zāi)Ｐ蜋C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?zāi)Ｐ蜋C翼特征點在多視測量幾何中的共線約束條件，創(chuàng)造性地將所有的約束條件變?yōu)榻y(tǒng)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?zāi)Ｐ偷奈恢煤妥藨B(tài)等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一、布置視頻觀測相機:
[0007]使用兩臺觀測相機，對試驗?zāi)Ｐ偷臏y量部件進行交匯成像，試驗時兩臺相機同步觸發(fā)采集，兩臺相機能夠同時觀測到預(yù)先布置在風洞試驗段壁板上和試驗?zāi)Ｐ蜕系乃刑卣鳂擞淈c；
[0008]步驟二、建立像點投影觀測方程；
[0009]步驟三、建立剛體和極線約束方程:
[0010]步驟四、構(gòu)建迭代方程；
[0011]步驟五、迭代求取方程組最優(yōu)解；
[0012]步驟六、重構(gòu)當前相機姿態(tài)和模型姿態(tài)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是:
[0014](I)同時利用了試驗?zāi)Ｐ蜋C身點剛體約束、試驗?zāi)Ｐ蜋C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(chuàng)造性地將其變換為統(tǒng)一形式的多變量方程，以便于后續(xù)的迭代優(yōu)化求解計算過程。可充分利用風洞試驗段和試驗?zāi)Ｐ偷母鞣N隱含約束條件，約束方程和求解參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇；在實際工程應(yīng)用過程中，可以根據(jù)風洞現(xiàn)場的情況和試驗?zāi)Ｐ偷膸缀瓮庑戊`活選擇約束條件，簡化迭代方程和計算過程。
[0015](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?zāi)Ｐ驮谠囼灦巫鴺讼抵械膶崟r姿態(tài)和位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0017]圖1是觀測相機在試驗段上的位姿布置示意圖；
[0018]圖2是風洞吹風時觀測相機在試驗段中的振動情況示意圖，圖2中的符號:C1、C2為觀測相機坐標系、定義Cl與相機坐標系重合、W為試驗段坐標系、M為試驗?zāi)Ｐ妥鴺讼怠?br> 【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0020]第一、根據(jù)立體視覺的測量原理對風洞試驗?zāi)Ｐ瓦M行交匯成像；試驗前對系統(tǒng)進行標定；在試驗過程中，假定相機的焦距、畸變、圖像主點等內(nèi)部參數(shù)保持固定不變；同時假定受現(xiàn)場氣流和振動影響，觀測相機和試驗?zāi)Ｐ偷淖藨B(tài)均相對試驗段坐標系發(fā)生偏移變化。
[0021]第二、以靜態(tài)時試驗?zāi)Ｐ土銧顟B(tài)下所有特征標記點的三維初始坐標作為參考，將試驗?zāi)Ｐ蜋C身和試驗段壁板視為兩個獨立剛體，試驗過程中其特征標記點的三維相對位置坐標保持固定不變；將試驗?zāi)Ｐ蜋C翼視為一個彈性體，根據(jù)立體視覺測量原理，試驗過程中其特征點的圖像坐標將始終滿足極線約束條件。
[0022]第三、對試驗過程中的每一幀圖像，以攝影測量共線方程作為觀測方程，以模型機身剛體約束、試驗段壁板剛體約束以及模型機翼極線約束作為約束條件，以相機實時姿態(tài)和模型實時姿態(tài)作為未知變量，以零狀態(tài)全部標記點三維坐標和相機初始姿態(tài)作為初值，用光束平差的方法求解上述方程的最優(yōu)解。
[0023]如圖1和圖2所示，一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，具體包括如下步驟:
[0024]步驟一、布置視頻觀測相機:
[0025]使用兩臺觀測相機(記為1#相機和2#相機)，對試驗?zāi)Ｐ偷臏y量部件進行交匯成像，試驗時兩臺相機同步觸發(fā)采集，要求兩臺相機能夠同時觀測到預(yù)先布置在風洞試驗段壁板上和試驗?zāi)Ｐ蜕系乃刑卣鳂擞淈c。特征標記點的布置方法如下:
[0026]使用圓形特征標記點，將試驗?zāi)Ｐ偷臋C身視為一個剛體，在其上布置3個以上的特征標記點，標記點的位置分布不能全部在同一條直線上；將試驗?zāi)Ｐ偷臋C翼視為一個彈性體，在每個測量截面上成直線布置2個以上的特征標記點；將試驗段壁板底部也視為一個剛體，在其上布置3個以上的特征標記點，標記點的位置分布位置也不能全部在同一條直線上。
[0027]步驟二、建立像點投影觀測方程:
[0028]在風洞試驗?zāi)Ｐ偷牧銧顟B(tài)，采集并計算所有特征點的初值圖像坐標和三維坐標，設(shè)特征點對應(yīng)試驗段坐標系下的三維坐標初值為Pf%兩臺相機之間的相對位姿關(guān)系矩陣
為颼、t，定義相機坐標系為1#相機坐標系，特征點在相機坐標系下的三維坐標初值為
C 風洞試驗過程中由于現(xiàn)場振動影響，相機在試驗段中的位置已經(jīng)偏離了初始值，設(shè)第
η幀圖像相機之間新的位姿關(guān)系為、T"，特征點在相機坐標系下的三維坐標為K ,對
應(yīng)試驗段坐標系下的三維坐標為K。
[0029]對任一特征點P，設(shè)其在1#相機和2#相機坐標系下的三維坐標分別為P1=K1 Y1Z1Jt和P2=[X2 Y2 2]τ,其滿足關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，其特征在于: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?zāi)Ｐ偷臏y量部件進行交匯成像，試驗時兩臺相機同步觸發(fā)采集，兩臺相機能夠同時觀測到預(yù)先布置在風洞試驗段壁板上和試驗?zāi)Ｐ蜕系乃刑卣鳂擞淈c； 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(gòu)建迭代方程； 步驟五、迭代求取方程組最優(yōu)解； 步驟六、重構(gòu)當前相機姿態(tài)和模型姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，其特征在于:所述特征標記點的布置方法為:使用圓形特征標記點，在試驗?zāi)Ｐ偷臋C身上布置3個以上的特征標記點，標記點的位置分布不能全部在同一條直線上；在試驗?zāi)Ｐ偷臋C翼的每個測量截面上成直線布置2個以上的特征標記點；在試驗段壁板底部布置3個以上的特征標記點，標記點的位置分布位置不能全部在同一條直線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多約束的風洞試驗?zāi)Ｐ妥冃我曨l測量振動修正方法，其特征在于:步驟三所述的約束方程包括試驗?zāi)Ｐ蜋C身剛體約束方程、試驗段壁板剛體約束方程和試驗?zāi)Ｐ蜋C翼極線約束方程。
【文檔編號】G01C11/00GK103697863SQ201310697880
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】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
申請人:中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所