[发明专利]一种多约束的风洞试验模型变形视频测量振动修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉及摄影测量学领域，尤其涉及一种多约束的风洞试验模型变形视频测量振动修正方法，是机器视觉测量技术在高速风洞试验中的工程应用。 

背景技术

风洞试验过程中，试验模型机翼受气动载荷作用而发生弹性变形。对大展弦比机翼来说，这种变形将严重影响飞行器的气动特性，偏离设计需要，必须要对试验数据加以修正，因此需要在风洞试验的过程中准确地测量出试验模型的变形量大小。而利用非接触式的光学测量方法，对风洞流场干扰小、测量精度高，不改变试验模型的几何外形，是目前国际上应用最为广泛的风洞试验模型变形测量方法。 

在风洞中应用光学测量技术，特别是在高速风洞中应用视频测量技术，一个必须解决的关键技术问题是如何处理风洞现场振动导致相机姿态发生变化致使测量精度严重下降的问题。为了保证在整个风洞试验过程中测量数据的准确可靠，必须对试验过程中的每一帧图像都进行振动修正。文献“Demonstration of Optical Wing Deformation Measurements at the Arnold Engineering Development Center”（WimRuyten,Marvin Sellers.47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition.2009.）中阐述了一种利用立体视觉测量技术测量风洞 试验模型变形量的方法，为了修正风洞试验段振动造成的相机姿态变化，该方法在吹风过程中将试验模型的机身视为理想刚体，因此，当试验模型的姿态发生变化时，模型机身上的特征标记点空间相对位置应该保持固定不变，利用这种不变的约束关系以及模型在静止状态下标记点相对位置的初值，即可计算出振动导致的相机之间的位姿变化偏差。然而，仅仅利用模型机身的刚体约束条件，只能修正两台相机间的相对位置姿态，不能修正相机坐标系在试验段世界坐标系中的整体偏移，因而无法得到试验模型的当前姿态和位置。同时，由于试验模型的机身只占有效测量区域的一小部分，该方法并没有充分利用全部测量特征，且该方法对相机的内部参数十分敏感，任何微小的相机内部参数偏差都将导致修正结果产生较大的差异。文献“模型变形视频测量的相机位置坐标与姿态角确定”（罗川,张征宇,孙岩等.实验流体力学.2010,(6):88-91）阐述了使用角锥法来修正单个相机相对于风洞试验段世界坐标系的偏移量，该方法利用试验段壁板上特征标记点的图像坐标单独修正每个相机的振动偏差，但该方法并没有有效地利用各个相机和试验模型之间的隐含约束关系，因此在修正相机姿态的振动偏差后还需要额外的步骤来重构试验模型的位置和姿态。 

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种多约束的风洞试验模型变形视频测量振动修正方法，既利用了试验模型机身特征点的刚体约束条件、又利用了风洞试验段壁板特征点的刚体约束条件，更进一步地增加了试验模型机翼特征点在多视测量几何中的共线约 束条件，创造性地将所有的约束条件变为统一形式的迭代方程，具有求解迭代收敛快、求解精度高，可以同时求解得到试验模型的位置和姿态等优点。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多约束的风洞试验模型变形视频测量振动修正方法，包括如下步骤： 

步骤一、布置视频观测相机： 

使用两台观测相机，对试验模型的测量部件进行交汇成像，试验时两台相机同步触发采集，两台相机能够同时观测到预先布置在风洞试验段壁板上和试验模型上的所有特征标记点； 

步骤二、建立像点投影观测方程； 

步骤三、建立刚体和极线约束方程： 

步骤四、构建迭代方程； 

步骤五、迭代求取方程组最优解； 

步骤六、重构当前相机姿态和模型姿态。 

与现有技术相比，本发明的积极效果是： 

（1）同时利用了试验模型机身点刚体约束、试验模型机翼点极线约束和试验段壁板点刚体约束三个约束条件，并创造性地将其变换为统一形式的多变量方程，以便于后续的迭代优化求解计算过程。可充分利用风洞试验段和试验模型的各种隐含约束条件，约束方程和求解参数可根据现场情况灵活选择；在实际工程应用过程中，可以根据风洞现场的情况和试验模型的几何外形灵活选择约束条件，简化迭代方程和计算过程。 

（2）可用于修正相机坐标系在风洞试验段坐标系中的振动偏差和两台相机相互之间的振动偏差，并可以同时计算得到试验模型在试验段坐标系中的实时姿态和位置。