CN102175416B - 风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，该方法针对风洞试验段的运行温差，建立已知坐标点的三维坐标与风洞试验段温度变化间的关系，据此得出风洞试验段的运行温度对应的已知坐标点的三维坐标，使得标定相机拍摄每张相片的位置与姿态时，考虑了风洞试验段的热胀冷缩；针对高速风洞振动环境中多相机摄影测量因振动不同步所导致的误差问题，在动态标定相机拍摄每张相片的位置与姿态时，采用的基准为粘印在风洞试验段上的已知坐标点，即考虑了高速风洞试验段运行时的振动，使得动态标定得到的相机位置与姿态同属于同一个风洞坐标系。本发明的方法可以提高模型姿态角的测量精度。

Description

风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法

技术领域

本发明涉及用于风洞试验中试验模型的运动姿态（攻角、侧滑角和滚转角）实时测量的方法。

背景技术

风洞试验模型在吹风试验过程中的姿态———模型攻角、侧滑角和滚转角是风洞试验的基础数据,实时、精确获得风洞试验中的模型运动姿态数据,对于风洞试验具有重要意义。但以往利用加速度传感器测量模型姿态却只能测量攻角,而侧滑角由于无重力信息,无法测量。另外,利用加速度传感器测量模型攻角需要在制作模型时预留安装加速度传感器的空间,应用也比较麻烦。

利用多目相机从不同视角拍摄模型上2 个以上特征点的像空间几何信息,利用摄影测量学的共线方程，可以实现风洞试验模型姿态的非接触测量。国外在这方面进行了深入研究,技术成熟；国内研究相对薄弱。

国外现行的标定方法采用高精度的台阶标定块，该标定方法包含了确定相机位置与姿态的最小二乘法和确定相机畸变与焦距等内方位元素的最优化方法。其不足之处在于：不能在风洞运行中对相机的位置与姿态进行标定；制造成本高，这类台阶标定板要求其上标志点的坐标都要非常精确。

为此，本发明提出风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，在风洞试验工程中，利用粘印在风洞试验段上的已知坐标点，动态标定相机拍摄每张相片时的位置与姿态。

发明内容

本发明的目的是提供一种风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，该方法可以在风洞试验工程中，利用粘印在风洞试验段上的已知坐标点（即已知点的三维坐标为风洞坐标系下的测量值），动态标定相机拍摄每张相片时的位置与姿态。

本发明的技术方案如下：

一种风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，包括如下步骤：

1)将风洞试验中模型姿态角测量的相机安装在风洞试验段上壁面上，在风洞模型上粘印特征点，沿着风洞模型在风洞试验段下壁面上的正投影区域外粘印已知点；

2)在风洞试验未运行时，测量粘印的已知点在风洞坐标系下的三维坐标值；

3)确定风洞试验段下壁面上粘印的已知点在不同试验温度下坐标的变化模型；

4)在风洞试验中采集图像的同时，得到风洞试验段的温度，利用步骤3）的结果计算出该温度下已知点的坐标三维值；

5)利用已知点在相机中成像的像空间坐标与其三维坐标值，按照摄影测量学的共线方程，计算拍摄每张照片的相机的位置与姿态角，以及内方位元素；

6)对同一时刻，不同相机采集的照片，按照摄影测量学的共线方程计算出该时刻风洞模型上粘印的特征点的三维坐标，进而利用特征点间的连线与风洞坐标系间的关系，计算出模型姿态角。

本发明的附加技术方案如下：

优选地，已知点的数量大于等于五个。

本发明的方法针对风洞试验段的运行温差，建立已知坐标点的三维坐标与风洞试验段温度变化间的关系，据此得出风洞试验段的运行温度对应的已知坐标点的三维坐标，使得标定相机拍摄每张相片的位置与姿态时，考虑了风洞试验段的热胀冷缩，提高测量精度；针对高速风洞振动环境中多相机摄影测量因振动不同步所导致的误差问题，在动态标定相机拍摄每张相片的位置与姿态时，采用的基准为粘印在风洞试验段上的已知坐标点，即考虑了高速风洞试验段运行时的振动，使得动态标定得到的相机位置与姿态同属于同一个风洞坐标系。

本发明的有益效果如下：与基于高精度台阶标定块的现行静态标定技术相比，本发明通过利用风洞试验段壁面已知点，动态标定每张照片的内方位元素，以及相机的位置与姿态角，可在高速风洞振动环境中，准确获得的模型相对于风洞坐标系的姿态角，即去除安装在风洞试验段驻室中的相机间因振动不同步所导致的测量误差。通过建立已知坐标点的三维坐标与风洞试验段温度变化间的关系，使得动态标定相机拍摄每张相片的位置与姿态时，考虑了风洞试验段的热胀冷缩，提高模型姿态角的测量精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例的原理图;

图2是图1中的A-A视图。

具体实施方式

本发明的具体实施例如图1和图2所示，一种风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，该方法包括以下步骤：

1) 将风洞试验中模型姿态角测量的相机1，安装在风洞试验段上壁面5上；在风洞模型2上粘印特征点7，沿着风洞模型2在风洞试验段下壁面4上的正投影区域外，粘印已知点6。为了获得较好的测量效果，已知点的数量应大于等于五个。

2) 在风洞试验未运行时，测量粘印的已知点6在风洞坐标系下的三维坐标值。

3) 按照热胀冷缩原理，确定风洞试验段下壁面4上粘印的已知点6，在不同试验温度下坐标的变化模型。

4) 在风洞试验中采集图像的同时，得到风洞试验段的温度，利用步骤3）的结果计算出该温度下已知点6的坐标三维值。

5) 利用已知点6在相机中成像的的像空间坐标与其三维坐标值，按照摄影测量学的共线方程，计算拍摄每张照片的相机的位置与姿态角，以及内方位元素。

6) 对同一时刻，不同相机采集的照片，按照摄影测量学的共线方程（前方交会）计算出该时刻风洞模型2上粘印特征点7的三维坐标，进而利用特征点7间的连线与风洞坐标系间的关系，计算出模型姿态角。

具体的计算方法可以参见文献“何　海. 双目立体视觉在模型姿态监测中的应用研究[J]. 计算机技术与发展, 第16 卷第11 期, 2006 年11 月, P238-P 240”。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将风洞试验中模型姿态角测量的相机安装在风洞试验段上壁面上，在风洞模型上粘印特征点，沿着风洞模型在风洞试验段下壁面上的正投影区域外粘印已知点；

2)在风洞试验未运行时，测量粘印的已知点在风洞坐标系下的三维坐标值；

3)确定风洞试验段下壁面上粘印的已知点在不同试验温度下坐标的变化模型；

4)在风洞试验中采集图像的同时，得到风洞试验段的温度，根据步骤3）的结果计算出该温度下已知点的三维坐标值；

5)利用已知点在相机中成像的像空间坐标与其三维坐标值，按照摄影测量学的共线方程，计算拍摄每张照片的相机的位置与姿态角，以及每张照片的内方位元素；

6)对同一时刻，不同相机采集的照片，按照摄影测量学的共线方程计算出该时刻风洞模型上粘印的特征点的三维坐标，进而利用特征点间的连线与风洞坐标系间的关系，计算出模型姿态角。

2.根据权利要求1所述的风洞试验中模型姿态角测量的多相机动态标定方法，其特征在于：所述已知点的数量大于等于五个。

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