基于立体视觉的全视场风洞尾旋姿态测量系统设计与实现

发布时间：2017-09-16 11:30

  本文关键词：基于立体视觉的全视场风洞尾旋姿态测量系统设计与实现

  更多相关文章： 尾旋 编码标记 双目立体视觉系统 全视场 运动姿态 风洞实验

【摘要】：尾旋运动是飞机一种非正常的极限飞行状态,复杂并且危险,极易造成飞行事故。开展立式风洞实验是研究尾旋现象的主要技术手段,目前我国自主建设的立式风洞已投入使用,但传统的尾旋姿态测量方法仍存在测量精度较差,数据曲线不完整,并且无法针对所有型号飞机均适用的缺陷,难以满足空气动力学对尾旋现象分析研究的需求。因此,研究新型风洞尾旋姿态测量系统具有重要的理论及工程应用价值。本文针对传统测量方法中存在的问题,设计了基于立体视觉的全视场风洞尾旋姿态测量系统,并围绕尾旋运动姿态测量中的标记识别、三维重建和姿态解算的关键技术展开了研究,最终研发了一套针对不同型号飞机均适用的尾旋姿态测量系统。主要研究内容包括:(1)提出了一种基于两组双目立体视觉系统的全视场测量方案。针对复杂背景下图像识别、匹配难度大的特点,提出了采用8位编码标记作为人工特征点的方法。并且为了获取更加完整有效的实验数据,根据风洞现场工况,采用两组双目立体视觉系统,使其共用同一个测量坐标系,形成全视场互补测量方案,有效解决了测量视角不佳、标记被遮挡和相机视场盲区的问题,提高了实验数据完整性。(2)针对姿态计算需要特征点三维数据的问题,采用了双目立体视觉技术测量编码标记在风洞坐标系中的三维坐标,在风洞大视场中实现了基于移动平板靶标的双目立体视觉系统标定,并通过实验研究了标定图像数量与三维重建精度之间的关系,研究发现当标定图像少于10对的时候,三维重建精度随着图像数量的增多而提高,当标定图像数量多于11对时,其结果趋于稳定。(3)针对复杂外形飞机模型姿态难以测量的问题,提出了一种新型姿态参数解算方法,该方法与被测物外形无关,可将人工标记粘贴在模型表面任意位置,通过三个标记分别在体轴系和风轴系中的坐标值建立两个坐标系的转换关系,并将体轴系中的模型轴线向量转换到风轴系下,进而解算待测模型的运动姿态参数。最后针对设计方案实现了整套测量系统,通过实验结果表明,测量精度优于1°,图像利用率达到了95%。精度和有效性均达到了设计要求,相对于传统方法有了较大改善,并成功在风洞中投入使用,实现了多种类型尾旋实验的姿态测量。
【关键词】：尾旋 编码标记 双目立体视觉系统 全视场 运动姿态 风洞实验
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.74;TP391.41
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 课题的提出及研究意义12-13
• 1.4 论文研究内容及章节安排13-15
• 2 测量系统总体设计方案15-23
• 2.1 传统测量技术中存在的问题分析15-16
• 2.2 基于立体视觉的全视场尾旋测量系统总体设计方案16-19
• 2.2.1 编码标记识别技术17
• 2.2.2 大视场双目立体视觉技术17
• 2.2.3 基于坐标系转换的姿态角解算技术17-18
• 2.2.4 基于两组双目立体视觉系统的全视场测量技术18-19
• 2.3 测量系统硬件选型19-22
• 2.3.1 CCD相机与镜头19-20
• 2.3.2 基于PXI总线的测量系统20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 编码标记检测算法设计23-37
• 3.1 编码标记检测算法23-24
• 3.2 基于OTSU算法的图像二值化24-25
• 3.3 基于CANNY算子的边缘检测25-26
• 3.4 基于二次曲线的圆心定位26-31
• 3.4.1 圆心定位算法26-29
• 3.4.2 圆心定位实验29-31
• 3.5 标记编码与解码规则31-35
• 3.5.1 编码与解码规则31-33
• 3.5.2 编码标记检测实验33-35
• 3.6 本章小结35-37
• 4 大视场立体视觉技术37-51
• 4.1 投影变换坐标系37-38
• 4.2 镜头畸变矫正模型38-39
• 4.3 双目立体视觉系统标定39-44
• 4.3.1 单目相机标定40-43
• 4.3.2 双目相机标定43-44
• 4.4 立体匹配与三维重建44-46
• 4.5 大视场标定及三维重建实验46-49
• 4.6 本章小结49-51
• 5 飞机尾旋姿态参数计算方法51-57
• 5.1 尾旋姿态角定义51
• 5.2 尾旋姿态角计算方法51-53
• 5.3 坐标系转换参数计算方法53-55
• 5.3.1 旋转矩阵计算方法54-55
• 5.3.2 平移向量计算方法55
• 5.4 本章小结55-57
• 6 全视场测量系统实现与风洞实验验证57-79
• 6.1 软件功能模块组成57-63
• 6.1.1 相机控制软件58-59
• 6.1.2 图像采集软件59-60
• 6.1.3 相机标定软件60-61
• 6.1.4 姿态解算软件61-63
• 6.2 测量系统精度考核63-66
• 6.2.1 模型飞机上编码标记的位置63-64
• 6.2.2 调试内容64
• 6.2.3 数据与误差分析64-66
• 6.3 风洞尾旋实验66-78
• 6.3.1 实验环境及内容66-67
• 6.3.2 相机在风洞中的安装方案67-69
• 6.3.3 风洞实验数据69-78
• 6.4 本章小结78-79
• 7 结论与展望79-81
• 7.1 结论79
• 7.2 展望79-81
• 致谢81-83
• 参考文献83-87
• 附录87
• A. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目87

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本文编号：862777