[发明专利]用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，特别是对风洞模型三自由度的三维模型姿态角视频测量系统。

二、背景技术

为了提高风洞模型角度实时测量的精准度，国内外风洞工作者、研究机构开发了多种角度测量系统。风洞模型角度实时测量技术的发展历史是和风洞试验中对角度测量误差的要求分不开的，它是科学技术发展的结果。从20世纪40年代后期开始研制的第一代加速度迎角传感器到目前的视频测量模型姿态角，经过了几十年。已经发展出多种角度测量方法，到目前为止，国内外的发展大致经历了以下几个阶段：40年代后期发展了惯性加速度迎角传感器，80年代发展了激光角度传感器，90年代发展了视频方法测量模型角度。惯性加速度迎角传感器是20世纪40年代后期开发出来的，传感器的角度测量准确度为0.1°，它们的缺点是漏油和气泡问题。在1970年，模型角度测量准确度指标已经达到了新的高度为0.01°，在1971～1978年间使用了II型伺服加速度计，它采用了悬吊金属线挠性设计方案，阻尼类型为油阻尼。III型伺服加速度计采用了悬吊熔融石英线挠性设计方案，阻尼类型为空气阻尼，由于采用了石英这种脆性材料，III型伺服加速度计非常容易被损坏，在使用过程中要格外的小心以免被损坏。从1983年开始在波音跨声速风洞中使用数据控制伺服加速度计测量模型的角度。

激光角度传感器是在80年代初利用激光干涉特性建立起来的角度测量装置，1980年研制出第一台激光测角仪，目前，激光测角仪分别在风洞使用。

视频方法测量模型角度是基于图像处理技术的一种测量方法，在1995年角度测量系统已经广泛应用风洞试验中，能测量出模型的一个角度，在实际的风洞试验中模型角度测量的准确程度已经达到了0.01°。

这些系统的共同点是：①设备具备单角度测量的能力；②设备不能测量模型的侧滑角；③设备不具备实时性需要事后处理。

三、发明内容

为了克服上述系统存在的共同问题，本发明给出一种用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统，达到设备实时测量、实时处理，三个自由度的三维模型姿态角测量能力的目的。

本发明的技术方案是：用于风洞模型试验的三维模型姿态角视频测量系统由数字摄像机、变焦镜头、变焦镜头控制器、主动发光标记点、高速计算机、采集控制测量软件组成，若干个主动发光标记点[4]安装布置在模型上，发出固定波长的光波，2台数字摄像机[6]固定安装，形成立体视觉视频测量，变焦镜头控制器[2]与高速计算机[3]连接，并控制变焦镜头[1]，变焦镜头[1]加装可通过特定波长的滤光镜，滤光镜可以通过主动发光标记点[4]的固定波长光波，2台数字摄像机[6]实时记录采集测量，采集图像送到高速计算机[3]中，通过采集控制测量软件[5]进行图像数据处理，采集控制测量软件[5]通过调用在校准块[7]上的主动发光标记点[4]标定好的数字摄像机[6]内外参数，把2台数字摄像机[6]送入的2幅二维图像还原到三维图像，得到主动发标记点[4]的空间坐标，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

与现有技术相比，本发明的技术方案有突出的实质性特点和显著进步在于，采用2台数字摄像机组成一套立体视觉测量，2台数字摄像机记录模型实时运动状态，专用于风洞试验中的角度测量，采集图像送到高速计算机中，通过采集控制测量软件进行图像数据处理，还原两幅二维图像到三维图像得到标记点的空间坐标，可实时测量出模型的迎角、侧滑角、滚转角，再通过刚体计算得到模型的实际三维姿态角即：迎角、侧滑角、滚转角。

在模型机身上布置若干个主动发光标记点，标记点由可发出一定波长光波的发光管构成，可通过特定波长的滤光镜可以通过主动发光标记点的光波，进行标记点的识别，而滤掉其余的环境光和其它的干扰光，从而极大提高原始标记点图像的信噪比，减少图像处理的时间从而可以实现角度的实时采集测量而不需要事后处理。

主动发光标记点为一个可独立发光源，具有一定扩散角的独立单元，可作为摄像机校准目标点，摄像机内外参数校准方法采用校核校准块上的主动发光标记点，提高摄像机内外参数的校准精度。

采集控制测量软件采用VC++6.0编程语言编写，独特的界面环境可以让使用人员通过极少的步骤就可以实现角度的测量，操作简单方便，实用化程度高，采集控制测量软件调用使用校准块的主动发光标记点标定好的摄像机内外参数。

四、附图说明