高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量

测量高超声速风洞试验中模型颤振数据对飞行器安全设计至关重要,接触式传感器测量存在精度低、使用不便等缺点。本文采用非接触式立体视觉三维测量技术,测量试验过程中模型表面关键点的振动变形,为模型颤振分析提供基础数据。为了克服试验过程中试验段内的气压从真空到常压交替变化引起的强烈振动,通过设计视觉测量系统密封装置与气浮减振器,将视觉三维测量装备放置到Φ1 m高超声速风洞试验段内,并提出基于模型关键点与系统参数同时求解的系统参数自校准算法,消除试验段环境振动引起的测量误差。试验结果表明:在测量范围为1 m×1 m×1 m、相机分辨率为1 000×1 000 pixel时,系统的测量精度优于0.1 mm,满足高超声速风洞试验模型颤振的测量需求。     

高超声速风洞试验段优化设计

为提升高超声速气动试验模拟能力,建设了大型高超声速风洞。高超声速风洞的试验段为喷管、模型姿态控制机构、光学测量仪器提供结构平台,针对其隔震性能差、安全性差、安装繁琐的缺点进行优化设计。新试验段采用充气密封装置、安全门、液压顶盖,提高了风洞生产率和工作人员的安全保障,降低了劳动强度。     

高超声速风洞进气道流量系数测量精度影响因素研究

进气道是飞行器动力装置的重要组成部分,准确测量进气道流量系数是进气道风洞试验的重要内容。对来流马赫数Ma=4.5,5.0和6.0状态下皮托管进气道开展流量系数测量研究,通过对比理论值和实测值,获取各状态流量系数修正系数。试验结果表明,随着来流马赫数增加,进气道流量系数与理论值偏差较明显,并逐渐增大。超声速风洞试验通常认为测量截面总温与来流总温相等,通过对测量截面总温与来流总温偏差以及测量截面流场畸变情况的分析,判断测量偏差主要是由测量截面总温等于来流总温的假设导致的。在高超声速风洞试验中,由于模型壁面热交换的存在,测量截面总温低于来流总温,进气道流量系数测量时需要进行总温修正,以提高流量测量精度。      

面向激光跟踪测量的大范围高精度姿态测量

针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求,提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计,并建立了姿态测量数学模型;其次,分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性,基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型,动态校正特征点像素坐标模型,提升了特征点的提取精度;之后,结合合作靶标几何特性、EPnP算法、Soft-POSIT算法提出一种改进的姿态测量方法,建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制,实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后,利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明：在3～10 m,方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内,适配有14个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.049°;适配有10个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强,对合作靶标特征点布局约束较小,可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。     

航天高超声速颤振试验填补国内技术空白

正近日,由中国航天科技集团公司十一院1所设计的高超声速颤振试验完成了首次吹风试验。这是我国首次开展的高超声速风洞颤振试验,填补了国内相关技术的空白,结束了国外对此类试验技术长达60多年的垄断。高超声速飞行器受到高超声速流场特性、气动加热、控制等影响,其气动弹性问题比较复杂,国外从上世纪五六十年代开始就进行了大量的气动弹性试验研究,研究了几何外形、结构形式、气动参数、热等因素对舵翼面颤振特性的影响。     

一种新的图像测量镜头成像几何畸变校正方法

在高精度图像测量系统中,镜头成像几何畸变使得目标在CCD上的实际成像位置偏离理想的成像位置,从而造成测量误差。为了减小测量误差,提高系统的检测精度,利用一个具有10个不同直径的阶梯轴作为标准件,将10个直径从小到大排列,并分成5组。利用畸变校正模型建立5个方程组,求出5组畸变系数。利用畸变系数对相应的边缘进行校正。实验表明该方法简单可行,提高了系统的检测精度。     

风洞模型电动推杆Y机构运动同步控制系统建模与仿真性能分析

某高超声速风洞模型中,需要对电动推杆Y机构的运动进行同步控制,同步运动控制精度或控制性能直接影响风洞的运行品质。基于输出位移的偏差耦合机理,设计了风洞模型电动推杆Y机构运动同步控制系统,分别建立了风洞模型电动推杆Y机构运动同步控制系统的机械系统、电流控制环、速度控制环以及位置控制环等动力学模型;对同步控制系统电流环PI调节器、速度环PI调节器以及位置环PID调节器进行了参数仿真整定,设计了同步闭环三环控制系统,并对系统进行了三环仿真性能分析,其结果表明:系统同步响应速度快,同步位移和同步速度控制精度均达到了系统提出的设计性能指标要求,且系统具有较强的鲁棒性。     

一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法

针对球姿态视觉检测中图像的“近大远小”透视畸变问题,提出了一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法。基于相机成像模型分析了透视畸变的特点及产生原因,根据已知的球体特征模型、相机标定技术和逆透视变换原理构建了图像透视畸变校正模型,进而实现球体任意姿态图像的透视畸变校正。实验结果表明,利用该方法测量直径60 mm以内的球体姿态时平均绝对误差低于0.6°,且该方法适用于工业生产中球体的其他视觉测量。     

航空变焦距斜视成像几何畸变的自动校正

针对变焦距航空摄像机斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正方法。根据直线透视投影不变性原理,利用单参数除式模型通过变步长优化搜索方法得到不同焦距对应的镜头畸变系数和畸变中心坐标;研究了焦距变化对畸变的影响规律,校正了镜头畸变使其满足针孔成像模型;引入飞机位置、姿态和摄像机视轴指向方位等因素,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。对不同焦距和位置姿态下拍摄的地面靶标畸变图像和实际航空变焦距斜视图像进行了校正。结果表明,该方法能够有效准确地校正图像的几何变形,当飞行高度为2 500m时,在文中给定的位置姿态精度下的图像几何校正均方误差约为2m,较好地满足了后续图像拼接需求。该方法效率高,便于自动化实现,对提高图像拼接精度和实现目标精确定位与实时稳定跟踪具有重要意义。     

扫描仪测量镜头畸变误差的软件校正

介绍CCD拼接扫描仪精度高于0.2mm时,测量镜头畸变带来的扫描误差情况.针对该项误差,进行测量、分析、计算,得到镜头畸变的规律和函数曲线,给出利用函数进行软件校正的思路和方法及基本流程.通过试验证明,此方法较好的改善了测量镜头畸变带来的成像误差,并使之满足精度要求.     

Flow and deposition measurement of foam beads in a closed re-circulating wind tunnel for snowdrift modelling

A facility was created for flow and deposition measurement of foam beads (Expanded Polystyrene) in a closed re-circulating wind tunnel to model the snowdrift experimentally. The geometrical and flow similarities between the model (foam beads) and prototype (snow) particles were established for the wind tunnel experiments. The wind tunnel was instrumented with the electronic regulator, anemometer and newly developed flux measuring sensors along with a data logger to carry out the experiments for different simulated terrain conditions. An array of optical sensors for measurement of foam beads flux was calibrated with the known quantity of the material and used to find the flux variation with wind speed inside the tunnel. All three modes of drifting transportation namely creeping, saltation and suspension could be observed through the transparent acrylic wall for data collection. The threshold velocity of foam bead movement was 4.05 m/s in the horizontal section and same was 2.7 m/s in the inclined section at an angle of 30° downward (a critical angle of avalanche starting zone). The process of snow deposition by the snow fence was simulated with the foam beads deposition around the scaled model (1:50) of a snow fence in the wind tunnel. The experiments helped to find a flow measuring technique for light drifting material like foam beads and the modelling of drifting snow.     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

A new design of a support force measuring system for hypersonic vehicle aerodynamic measurement

In order to simulate the flight state of the aerocraft better, the aerodynamic parameters are obtained by integrating the airframe and propulsion system in a highly integrated configuration and ignition of the engine during the wind tunnel test. At present, the commonly used internal balance scheme forms a system composed of the model, internal balance and the support. However, most hypersonic vehicle models are flat or slender, which makes it difficult to provide installation space for internal balance, improves the difficulty of model design. This note proposes a support force measuring system. By integrating the balance into the structure of the support, it no longer occupies functional space in the cavity of the model, and its special structure can ensure that the additional torque generated by thrust/drag cannot act on the torque measuring element. This study provides a new way of thinking for the integrated model test with propulsion system.     

飞机结构件运动数据的动态视觉测量系统

基于近景摄影测量理论和立体视觉技术,提出并实现了一种针对机身结构件在飞行状态下的轨迹、姿态、位移、变形等多种运动数据的动态视觉测量方法.研究了基于工业近景摄影测量的多相机快速自标定方法;飞行状态下相机动态定位及抖动消除技术;刚性结构件的运动轨迹及姿态的快速求取和通过多相机(≥3)协作实现非编码标志点阵列的精确匹配等多项关键技术.在模拟飞行环境下的实验结果表明,相机标定的重投影误差小于0.03 pixel,系统的运动轨迹姿态测量精度可达0.01 mm/1 m,关键点位移变形测量精度可达0.05 mm/1 m,基本满足飞机测试行业的精度和可靠性测量标准.     

微型钻针芯厚快速光学自动化测量系统开发

针对微型钻针芯厚测量设备存在着准确性差、成本高、效率低等缺点,利用NI相关产品软件及硬件的整合能力,针对运动控制、逻辑控制、机器视觉、图像处理、数据采集与运算等功能进行系统整合,开发钻针芯厚光学自动化测量系统。该微型钻针芯厚测量系统通过实验验证:测量单一钻针截面所需的时间在30s以内,芯厚测量重现性可达±1μm,测量准确度可达±2μm,该系统能提升钻针芯厚测量的效率与可靠性。     

大视场远距离视觉测量系统的分步标定

为了克服工程大视场标定精度不高、标靶加工难度大以及现场操作繁琐的问题,本文基于工业近景摄影测量基本原理提出一种大视场多相机内、外参数的分步标定方法。首先,根据相机透视投影模型,在近距离采用小幅面标靶和角锥体法完成相机前截面内参数的解算;然后,在远距离被测空间内布置若干编码标志点,利用多片后方交会原理计算得到相机外参数;最后,对相机内、外参数进行整体光束平差优化,实现精确标定。为验证该方法的可行性和精度,进行了大视场视觉测量实验,测量结果表明本文标定方法的重投影误差小于0.08像素;外场试验实测10 m直升机旋翼总距角的相对误差小于0.1°。该方法可实现相机内参数标定实验室进行、外参数标定外场完成的操作分离。     

离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法

介绍了一种离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法和步骤,以及建立标定系统的原理和组成。对三反系统镜头像面畸变进行了分析,建立了畸变的数学模型,应用最小二乘多元回归的方法,求得镜头的成像像面方向的畸变。实际标定结果表明:该方法对像面绝对畸变的标定精度可以优于2μm（1σ）,相对测量精度优于1×10-4（1σ）。该方法可以满足离轴三反镜头高精度畸变标定要求,具有实际应用价值。     

A wind tunnel for anemometer calibration in the range of 0.2-1.25 m/s

In order to calibrate different types of anemometers in a low-speed range (0.2-1.25 m/s) using pressure measurements, a wind tunnel has been built and characterized. The wind tunnel has a low-speed section and a high-speed section. The wind tunnel calibration has been performed by means of comparison of airspeed at the test cross section (low-speed) and at the reference cross section (high-speed). Measurements have been taken with a calibrated hot-wire anemometer and static and total probes respectively. A linear fitting is used to relate reference and test airspeed. A model based on mass conservation law has been developed. Calculations have been made with and without introducing the effect of the speed profile. Uncertainties of the experimental calibration are presented.     

远距离三维坐标测量中双目视觉系统结构参数的优化

针对双目视觉系统对远距离大视场复杂地形环境下目标点三维坐标的测量,研究了优化系统结构,提高双目视觉系统坐标测量精度的方法。分析了系统结构参数对测量精度的影响,通过在监测区域内设置靶标对系统进行标定。测量时,将获取的目标点图像信息代入测量模型进行解算,从而获得目标点的空间三维坐标。仿真分析了系统结构参数中调平传感器精度以及系统布局方式对三维坐标测量精度的影响,得出了其误差影响趋势。在此基础上,提出系统调平传感器精度为±0.1°的要求以及系统合理的布局方式,为构建双目视觉测量系统的布局提供参考。对直径200m的区域进行了监测,结果显示目标点的相对定位误差均小于0.33%,满足系统的精度指标要求,同时使得系统现场架设更加方便快捷,避免了盲目性。