基于立体视觉的风洞模型三维变形与姿态测量技术研究

发布时间：2020-08-14 19:32

【摘要】：随着航空航天、军工装备等领域的不断发展,飞行器设计的精细度和复杂度不断提高,飞行器表面的气动特性也更加复杂。在目前先进飞行器的设计过程中,风洞试验是研究和验证飞行器表面气动特性和设计性能的主要方法。而在风洞试验中,对飞行器模型的三维变形与姿态进行精确测量,能为飞行器设计过程中的气动分析提供重要基础数据。立体视觉测量技术由于具有非接触、不干扰风洞流场、无需改变模型设计、系统配置灵活、结构简单、测量精度高等优点,已经成为风洞试验中模型变形与姿态测量的重点发展方向。然而,由于国内风洞测量环境复杂,在大范围、振动和高速等测量环境下,现有的立体视觉测量技术还存在着测量精度低、稳定性差等问题。为此,本论文针对立体视觉技术在国内风洞试验中所面临的应用问题,主要开展大视场立体视觉测量系统标定、相机外部参数自校准和基于低速相机阵列的高速三维测量等三个方面的研究,进而开发出一套适用于复杂风洞测量环境的模型三维变形与姿态测量系统,用于国内风洞试验中模型的三维变形与姿态测量,并在其他具有复杂测量环境下的应用中进行推广使用。具体研究工作如下。针对大范围测量场景下,大型高精度标靶制造、维护困难且不适合用于风洞试验段现场标定的问题,提出了一种柔性的大视场立体视觉测量系统标定方法。为了实现未标定相机的图像对应点自动匹配,设计了一种定位精度高、易于识别的环状编码标志点,并开发了环状编码标志点识别算法。根据编码标志点建立的图像特征点对应关系,利用经典的八点算法计算不同图像间的初始姿态关系,并重构出标靶上标志点的初始三维坐标,通过构建逆向投影误差最小的目标函数,采用最小二乘法同时优化求解标靶上标志点的三维坐标和相机的内部参数,进一步构建多相机图像特征点逆向投影误差最小的目标方程,优化立体视觉测量系统的外部参数,实现无标靶上标志点三维数据时立体视觉测量系统的精确标定。精度实验证明相比于传统的标定方法,所提的大视场立体视觉测量系统标定方法不依赖标靶的制造精度、对标靶形状无限制,可以实现灵活、精确的大视场立体视觉测量系统标定,为实现大范围场景下立体视觉测量系统的高精度测量提供了保障,具有重要的应用价值。针对振动环境下,立体视觉测量系统测量稳定性差的应用难题,提出了一种基于非约束优化的相机外部参数自校准算法。利用非单位四元数参数化表示旋转矩阵,并推导相机外部参数求解的目标方程,根据一阶最优条件,将目标方程最小化问题转换为具有双重对称性的多项式方程组求解问题,采用Gr?bner基技术,实现了相机外部参数的快速、精确求解。实验结果表明本文所提出的相机外部参数自校准算法,与现有的其他算法相比,能够在不同的参考点分布情况下、不同的参考点数量和图像噪声条件下实现精确的相机外部参数自校准,且该算法的计算速度不随参考点数量的增加而减慢,保证了振动环境下立体视觉测量系统的稳定、精确测量。针对高速测量时立体视觉测量系统测量精度差的问题,提出了基于低速相机阵列的高速三维测量方法。发展了低速相机阵列时序触发拍摄的高速图像采集方法,解决了高速相机在进行高速图像采集时图像分辨率低的问题,结合多视几何测量原理,提出了基于低速相机阵列的高速三维测量方法,对于基于低速相机阵列的高速三维测量系统中测量误差分布不均的问题,提出了基于平差优化的系统参数优化求解方法,实现了基于低速相机阵列的高速、高精度三维测量。实验结果表明使用低速相机阵列可以实现高精度的高速三维测量,高速测量时在成本、系统配置、测量时长、测量精度等方面独具优势。针对风洞试验中模型的三维变形与姿态测量需求,在前述的理论与技术研究基础上,开发了基于立体视觉的风洞模型三维变形与姿态测量系统,并对其进行推广应用。所开发的系统成功应用于中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamics Research and Development Center,CARDC)低速风洞中模型的变形与姿态测量,风洞现场的精度实验结果表明:在测量视场为2m(宽)×1.5m(高)×1m(深度),相机分辨率为1380×1040像素时,所开发的测量系统的变形测量精度为0.15mm,角度测量精度为0.015°,满足低速风洞模型变形与姿态测量需求;在CARDC的超高声速风洞试验中,将立体视觉测量系统放置在试验段内部,完成了模型的振动测量,测量结果表明在测量范围为1200mm(长)×600mm(宽),相机分辨率为1020×600像素时,系统的变形测量精度为0.06mm;所开发的系统也在其他大范围、强振动和高速测量环境下进行了推广应用,在中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司成功完成了100吨米对击锤的打击速度测量,实验结果表明在测量范围为3000mm(宽)×2400mm(高)×1000mm(深),相机分辨率为1280×1024像素时,位移测量精度为0.15mm,且利用相机外部参数自校准算法可以有效的消除振动对立体视觉测量系统的影响。最后,针对大型桶状构件自动化对接需求,结合本文相机外部参数自校准算法,提出了基于单目视觉的大型桶状结构自动化对接方案,实验结果表明所提的方案可以满足大型桶状构件自动化对接需求。综上所述,本文面向风洞试验中模型三维变形与姿态测量的重大需求,对基于立体视觉的风洞模型三维变形与姿态测量技术进行了深入研究。发展柔性的大视场立体视觉测量系统标定方法和全局优化的相机外部参数自校准算法,探索基于低速相机阵列的高速三维测量方法。在此基础上,开发基于立体视觉的风洞模型三维变形与姿态测量系统,并进行推广应用。本文研究内容为风洞试验中模型的三维变形与姿态测量提供了一种全面有效的方法,具有巨大的应用推广价值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211.74
【图文】：

振动位移,相机,帧率,位移测量

华中科技大学博士学位论文觉测量技术跟踪特征点的三维坐标，该技术更强调动态测试性能，用于测量风气动力参数，包括变形、振动、姿态等。SPT 系统主要采用两种相机进行测量率 1200 万像素，采集帧率 25fps，主要用于静态高精度的姿态测量；2）分辨率素，采集帧率 386fps，主要用于振动测量。该系统的位移测量精度为 0.1mm，精度为 0.1°，如图 1.8 所示，为 SPT 系统测量机翼振动位移实验。法国国家航空航天局也开发了基于立体视觉技术的模型变形与姿态测量系统，用的相机有图像分辨率 1000 万像素和 400 万像素的两种相机，其位移测量精m，角度测量精度为 0.03°[39,40]。

柔性翼,航空航天,测量实验,德国

华中科技大学博士学位论文根据现有的公开文献，美国空军研究实验室（AirForceResearchLaboratory,AFRL）从 20 世纪 90 年代开始进行基于数字图像相关的机翼模型变形测量研究[92]，Marks 等[93]对 R-19 高速风洞中，数字图像相关法在模型全场变形测量的应用进行了探索，利用德国 GOM 公司的 ARAMIS 测量系统，在风速为 2 马赫的条件下对金属板试样的变形进行了测试，其实验结果显示使用数字图像相关法测量金属板试样的变形与应变片的测量结果一致。如图 1.12 所示，为美国空军实验室在立式风洞中使用数字图像相关技术测量可变曲面柔性翼的全场变形，该系统使用的相机分辨率为 2448×2050 像素，柔性翼模型长 1.82 米，宽 0.61 米，变形测量精度约为 0.04mm。2003 年，德国航空航天太空中心（German Aerospace Center, DLR）在 ETW 风洞中首次将数字图像相关测量技术应用于测量飞机模型机翼的变形[94]，该研究也指出由于在低温风洞中在模型表面喷涂散斑图像比较困难，因此该方法不适合低温风洞的变形测量实验。

路线图,总体技术,路线图,三维变形

14Fig. 1.13 The technology roadmap of this dissertation图 1.13 本文的研究总体技术路线图论文的主要研究内容如下：第一章，介绍风洞模型三维变形与姿态测量的背景与意义，并对现有的测量方法，及其国内外研究现状进行了概述，通过比较确定了使用立体视觉测量技术来实现风洞模型三维变形与姿态测量的研究路线。同时指出将立体视觉测量技术应用于我国风洞试验中模型的三维变形与姿态测量还存在着诸多问题，通过攻克上述问题，针对大范围、振动、高速测量场景，开发一套高适应的风洞模型三维变形与姿态测量系统。最后，提出本文的研究思路，并引出了本文的研究内容。第二章，本章首先对现有的大视场立体视觉测量系统标定方法进行简单的梳理，然

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