專利名稱：風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)洞模型測(cè)量技術(shù)，具體地講是一種風(fēng)洞模型冰形在線測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，已開展的傳統(tǒng)冰形測(cè)量方法有以下幾種一種是冰形拍照技術(shù)，這種方法一般只能獲得對(duì)于冰形和結(jié)構(gòu)的定性認(rèn)識(shí)，不能精確測(cè)量冰形輪廓形狀數(shù)據(jù)；二是石膏澆注技術(shù)用于冰形測(cè)量，通過從模型上取下冰塊進(jìn)行石膏澆模來獲得冰形，但是這種方法的勞動(dòng)強(qiáng)度高，直接破壞冰形，并且測(cè)量不精確；三是手工描繪，這是比較常用到的冰形測(cè)量方法，但也存在中斷試驗(yàn)、破壞冰形、測(cè)量隨機(jī)誤差大等缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)問題，提供一種可精確在線測(cè)量冰形而不破壞冰形的風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法及裝置。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是一種風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將激光片光投射到模型冰層的橫截面上，在該截面形成冰形輪廓造影激光條帶；(2)用圖像記錄采集器采集冰形輪廓造影激光條帶數(shù)據(jù)；(3)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到圖像處理系統(tǒng)；(4)經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得所需的冰形測(cè)量數(shù)據(jù)；(5)數(shù)據(jù)處理分析，獲取冰形輪廓尺寸。
步驟(1)所述激光片光可以為兩條以上，從不同角度投射到模型冰層同一橫截面上，形成的各冰形輪廓造影激光條帶連接成一整體。
該方法還可以包括步驟(6)，所述激光片光沿模型冰層縱向掃描，獲得連續(xù)的模型冰層表面輪廓數(shù)據(jù)。
該方法也可以包括步驟(6)，所述激光片光在模型冰層同一位置不動(dòng)，分時(shí)段采集數(shù)據(jù)，獲得模型冰層生長(zhǎng)輪廓數(shù)據(jù)。
上述方法還包括對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的步驟，選取棋盤格平面標(biāo)定靶，提供場(chǎng)景與圖像之間的多個(gè)坐標(biāo)對(duì)，場(chǎng)景上的坐標(biāo)點(diǎn)從標(biāo)定靶上獲得，圖像上的點(diǎn)從影像上獲??；一種使用上述方法的風(fēng)洞模型冰形測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括(1)安裝在試驗(yàn)段頂部的攝像機(jī)箱，包括攝像機(jī)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；攝像機(jī)對(duì)結(jié)冰體上的激光條帶進(jìn)行記錄并傳送到圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行處理；俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的俯仰角度；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)；(2)安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段側(cè)面的激光器箱，包括片光激光器、二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；片光激光器產(chǎn)生激光片光，投射到模型上在被測(cè)位置形成激光條帶；二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)激光器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，以確保多個(gè)角度出射的激光片光在一個(gè)測(cè)量平面上；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證激光片光準(zhǔn)確照射到結(jié)冰體的被測(cè)截面上；(3)片光高度調(diào)節(jié)裝置，由安裝在結(jié)冰風(fēng)洞駐室中的精密直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)；采用閉環(huán)控制保證各方向激光片光的升降同步、定位精確；(4)圖像采集系統(tǒng)，完成攝像機(jī)圖像采集，測(cè)量系統(tǒng)以多個(gè)攝像機(jī)圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)造冰形輪廓，保證各攝像機(jī)獲取圖像以及圖像的采集的一致性；在硬件上，采用一塊多通道的圖像采集卡，使攝像機(jī)過來的圖像在硬件處理上具有一致性；在軟件上，從硬件捕獲的圖像合成一幅圖像進(jìn)行處理，保證所有軟件處理過程的一致性；(5)圖像處理系統(tǒng)，準(zhǔn)確提取物體激光特征線，主要包括特征區(qū)域設(shè)定、復(fù)合增強(qiáng)、閾值分割、平滑去噪、直方圖均衡、邊界算法；(6)數(shù)據(jù)處理分析顯示系統(tǒng)，從計(jì)算機(jī)像素坐標(biāo)系中的某一像素點(diǎn)，反向映射成世界坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)，獲取物體輪廓尺寸，并進(jìn)行圖像顯示。
該測(cè)量裝置還包括對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的裝置，為了避免非對(duì)稱投影帶來的標(biāo)識(shí)點(diǎn)變形影響，采用棋盤格平面靶標(biāo)作為標(biāo)定靶，提取格點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。
該測(cè)量裝置還包括設(shè)備的低溫防凍保護(hù)裝置，裝置中采用保溫套對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行低溫防凍保護(hù)，該保溫套采用耐低溫保溫材料；由內(nèi)襯、中間保溫層、外保護(hù)層三層組成，根據(jù)設(shè)備的具體形狀設(shè)計(jì)，具有一定的表面強(qiáng)度，不易損壞；儀器箱內(nèi)部采用加熱板進(jìn)行內(nèi)部加熱，溫度控制儀控制加熱板的加熱；并將內(nèi)部溫度加熱狀況在控制箱面板上進(jìn)行同步顯7J\ O
本發(fā)明的有益效果是1、用于冰形和結(jié)構(gòu)的定量認(rèn)識(shí)，精度高；2、使用方便、測(cè)量速度快，測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度低；3、不會(huì)中斷試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量；4、不會(huì)破壞冰形，測(cè)量隨機(jī)誤差小，能夠應(yīng)用于冰生長(zhǎng)試驗(yàn)測(cè)量。
5、不需要在模型或結(jié)冰體上做任何標(biāo)記，而且通過多方向投影記錄，結(jié)冰體的外形輪廓盲區(qū)率低。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖； 圖2為本發(fā)明的攝像機(jī)箱示意圖；圖3為本發(fā)明的激光器箱示意圖；圖中標(biāo)號(hào)1 一被測(cè)冰形，2—片光激光器，3—激光片光，4一攝像機(jī)，5—圖像采集系統(tǒng)， 6—圖像處理系統(tǒng)，7 —圖像顯示器，8—激光條帶，9一偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，10—二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)， 11一精密直線導(dǎo)軌，12—俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合各附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實(shí)施方案光學(xué)測(cè)量方法是目前三維幾何形狀測(cè)量中最廣泛使用的，同時(shí)也是相對(duì)測(cè)量速度最快的非接觸式精確獲取外形輪廓尺寸的方法。采用這種方法可以逐點(diǎn)、逐線掃描測(cè)量，也可以進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量，這些都取決于投射到被側(cè)物體上的光信號(hào)的形狀，如光點(diǎn)、光線或光柵。在結(jié)冰體外形輪廓尺寸測(cè)量中，要求能夠快速地反映被測(cè)結(jié)冰體截面特征，因此選擇了基于激光片光與機(jī)器視覺的光切法。該方法的測(cè)量速度比點(diǎn)掃描法快，測(cè)量精度比投影光柵或雙目測(cè)量方法全場(chǎng)測(cè)量高，同時(shí)不需要在模型或結(jié)冰體上做任何標(biāo)記，而且通過多方向投影記錄，結(jié)冰體的外形輪廓盲區(qū)率低。
對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，一般必須提供場(chǎng)景與圖像之間的多個(gè)坐標(biāo)對(duì)。場(chǎng)景上的坐標(biāo)點(diǎn)就從標(biāo)定靶上獲得，而圖像上的點(diǎn)則從影像上獲取。為了便于提取標(biāo)識(shí)點(diǎn)，必須選取合適的標(biāo)定靶。本發(fā)明為了避免非對(duì)稱投影帶來的標(biāo)識(shí)點(diǎn)變形影響，采用棋盤格平面靶標(biāo)作為標(biāo)定靶，提取格點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。裝置中棋盤格靶標(biāo)方便適用，精度高，并且有利于惡劣風(fēng)洞環(huán)境中的標(biāo)定。
將已標(biāo)定好的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)及待測(cè)激光平面參數(shù)作為約束條件直接求解出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。利用機(jī)器視覺技術(shù)將光切法進(jìn)行了優(yōu)化，強(qiáng)化了裝置在結(jié)冰風(fēng)洞中應(yīng)用的適用性，綜合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。激光光源發(fā)射出的激光片光在空間截切被測(cè)物體，在被測(cè)截面上形成一條激光亮帶，攝像機(jī)成像后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到單像素的邊緣線條，這種邊緣線條包含了被測(cè)截面的外形輪廓信息，通過一定的算法可以將這些信息分離重構(gòu)，從而獲得被測(cè)截面輪廓的特性和精確尺寸數(shù)據(jù)。
如圖1、圖2、圖3所示，測(cè)量裝置由C⑶攝像機(jī)箱、激光器箱、片光高度調(diào)整裝置、 圖像采集系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6組成。
CXD攝像機(jī)箱安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段頂部，正對(duì)頂部觀察窗，包括CXD攝像機(jī)4、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9。CXD攝像機(jī)4可以對(duì)被測(cè)冰形1上的激光條帶8進(jìn)行記錄并傳送到圖像采集系統(tǒng)5進(jìn)行處理；俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12可以在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)CCD攝像機(jī) 4的俯仰角度；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9可以在360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)CCD攝像機(jī)4的偏轉(zhuǎn)角度，同俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12配合保證攝像機(jī)4對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)。
激光器箱安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段側(cè)面頂部，正對(duì)側(cè)面觀察窗，包括片光激光器2、二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9。片光激光器2波長(zhǎng)為635nm，可以在細(xì)的工作距離上產(chǎn)生厚度為Imm的激光片光3，投射到模型上在被測(cè)位置形成激光條帶8 ；二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10可以對(duì)激光器2的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，以確保多個(gè)角度出射的激光片光3在一個(gè)測(cè)量平面上；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9可以在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)CCD攝像機(jī)4的偏轉(zhuǎn)角度，同二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10配合保證激光片光3準(zhǔn)確照射到結(jié)冰體的被測(cè)截面上。
片光高度調(diào)節(jié)是由安裝在結(jié)冰風(fēng)洞駐室中的精密直線導(dǎo)軌11實(shí)現(xiàn)。多角度測(cè)量時(shí)，采用閉環(huán)控制保證各方向激光片光3的升降同步、定位精確。
圖像采集系統(tǒng)5和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6完成CXD攝像機(jī)4圖像采集和冰形數(shù)據(jù)處理和顯示的功能。測(cè)量系統(tǒng)以多個(gè)攝像機(jī)圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)造冰形輪廓，因而需要保證各攝像機(jī)獲取圖像以及圖像的采集、處理的一致性。在硬件上，采用一塊多通道的圖像采集卡，使CCD 攝像機(jī)4過來的圖像在硬件處理上具有一致性；在軟件上，從硬件捕獲的圖像合成一幅圖像進(jìn)行處理，保證所有軟件處理過程的一致性。
圖像處理系統(tǒng)6準(zhǔn)確提取物體激光特征線，主要包括特征區(qū)域設(shè)定、復(fù)合增強(qiáng)、閾值分割、平滑去噪、直方圖均衡、邊界算法；是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分；數(shù)據(jù)處理分析是成像的逆過程，從計(jì)算機(jī)像素坐標(biāo)系中的某一像素點(diǎn)，反向映射成世界坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)， 獲取物體輪廓尺寸，并進(jìn)行圖像顯示。 由于激光器2與工業(yè)攝像機(jī)4的工作溫度一般在10°C以上，而安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段駐室的環(huán)境溫度在-20°C左右，因此，設(shè)備的低溫防凍保護(hù)措施尤為重要，裝置中采用保溫套對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行低溫防凍保護(hù)，該保溫套采用耐低溫保溫材料；由內(nèi)襯、中間保溫層、外保護(hù)層三層組成，根據(jù)設(shè)備的具體形狀設(shè)計(jì)，具有一定的表面強(qiáng)度，不易損壞。另外儀器箱內(nèi)部采用兩塊功率為250W的加熱板進(jìn)行內(nèi)部加熱，溫度控制儀根據(jù)內(nèi)部的PtlOO熱電阻測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)控制加熱板的加熱。當(dāng)儀器箱內(nèi)部溫度低于設(shè)定值(一般為20°C)時(shí)，開始加熱；當(dāng)內(nèi)部溫度高于設(shè)定值時(shí)，停止加熱。內(nèi)部溫度可加熱狀況可以在控制箱面板上進(jìn)行同步顯示，溫度控制范圍為-100°C 100°C。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將激光片光投射到模型冰層的橫截面上，在該截面形成冰形輪廓造影激光條帶；(2)用圖像記錄采集器采集冰形輪廓造影激光條帶數(shù)據(jù)；(3)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到圖像處理系統(tǒng)；(4)經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得所需的冰形測(cè)量數(shù)據(jù)；(5)數(shù)據(jù)處理分析，獲取冰形輪廓尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于步驟(1)所述激光片光為兩條以上，從不同角度投射到模型冰層同一橫截面上，形成的各冰形輪廓造影激光條帶連接成一整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于該方法還包括步驟 (6 )，所述激光片光沿模型冰層縱向掃描，獲得連續(xù)的模型冰層表面輪廓數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于該方法還包括步驟 (6)，所述激光片光在模型冰層同一位置不動(dòng)，分時(shí)段采集數(shù)據(jù)，獲得模型冰層生長(zhǎng)輪廓數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法，其特征在于還包括對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的步驟，選取棋盤格平面標(biāo)定靶，提供場(chǎng)景與圖像之間的多個(gè)坐標(biāo)對(duì)，場(chǎng)景上的坐標(biāo)點(diǎn)從標(biāo)定靶上獲得，圖像上的點(diǎn)從影像上獲取。
6.一種使用權(quán)利要求1所述方法的風(fēng)洞模型冰形測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括(1)安裝在試驗(yàn)段頂部的攝像機(jī)箱，包括攝像機(jī)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；攝像機(jī)對(duì)結(jié)冰體上的激光條帶進(jìn)行記錄并傳送到圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行處理；俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的俯仰角度；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)；(2)安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段側(cè)面的激光器箱，包括片光激光器、二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；片光激光器產(chǎn)生激光片光，投射到模型上在被測(cè)位置形成激光條帶；二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)激光器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，以確保多個(gè)角度出射的激光片光在一個(gè)測(cè)量平面上；偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，同二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證激光片光準(zhǔn)確照射到結(jié)冰體的被測(cè)截面上；(3)片光高度調(diào)節(jié)裝置，由安裝在結(jié)冰風(fēng)洞駐室中的精密直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)；采用閉環(huán)控制保證各方向激光片光的升降同步，定位精確；(4)圖像采集系統(tǒng)，完成攝像機(jī)圖像采集，測(cè)量系統(tǒng)以多個(gè)攝像機(jī)圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)造冰形輪廓，保證各攝像機(jī)獲取圖像以及圖像的采集的一致性；在硬件上，采用一塊多通道的圖像采集卡，使攝像機(jī)過來的圖像在硬件處理上具有一致性；在軟件上，從硬件捕獲的圖像合成一幅圖像進(jìn)行處理，保證所有軟件處理過程的一致性；(5)圖像處理系統(tǒng)，準(zhǔn)確提取物體激光特征線，主要包括特征區(qū)域設(shè)定、復(fù)合增強(qiáng)、閾值分割、平滑去噪、直方圖均衡、邊界算法；(6 )數(shù)據(jù)處理分析顯示系統(tǒng)，從計(jì)算機(jī)像素坐標(biāo)系中的某一像素點(diǎn)，反向映射成世界坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)，獲取物體輪廓尺寸，并進(jìn)行圖像顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量裝置，其特征在于還包括對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的裝置，為了避免非對(duì)稱投影帶來的標(biāo)識(shí)點(diǎn)變形影響，采用棋盤格平面靶標(biāo)作為標(biāo)定靶，提取格點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述風(fēng)洞模型冰形測(cè)量裝置，其特征在于還包括設(shè)備的低溫防凍保護(hù)裝置，裝置中采用保溫套對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行低溫防凍保護(hù)，該保溫套采用耐低溫保溫材料；由內(nèi)襯、中間保溫層、外保護(hù)層三層組成，根據(jù)設(shè)備的具體形狀設(shè)計(jì)，具有一定的表面強(qiáng)度，不易損壞；儀器箱內(nèi)部采用加熱板進(jìn)行內(nèi)部加熱，溫度控制儀控制加熱板的加熱；并將內(nèi)部溫度加熱狀況在控制箱面板上進(jìn)行同步顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)洞模型冰形測(cè)量方法及裝置，其特征在于所述方法包括將激光片光投射到模型冰層的橫截面上形成冰形輪廓造影激光條帶、用圖像記錄采集器采集冰形輪廓造影激光條帶數(shù)據(jù)、將采集到的數(shù)據(jù)傳送到圖像處理系統(tǒng)、經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得所需的冰形測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理分析，獲取冰形輪廓尺寸等步驟，并可以進(jìn)行圖像顯示。所述測(cè)量裝置由攝像機(jī)箱、激光器箱、片光高度調(diào)整裝置、圖像采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。具有對(duì)冰形測(cè)量精度高，使用方便、測(cè)量速度快，測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102494635SQ20111041425
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者吳運(yùn)剛, 張俊, 張龍, 楊建軍, 郭隆德 申請(qǐng)人:中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所