投影圖像法對旋轉體空間掃描角和轉速的測量研究

汪思國,湯更生 ,楊 輝 ,張 龍,張 俊

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

風洞試驗中旋轉模型的掃描角和轉速定量實時測量一直是比較棘手的問題。國內風洞常規的測量手段有兩種：一種是在模型內部安裝轉速記錄儀,這種方式不僅會改變彈體的實際結構和重量,破壞模型的真實性和完整性,而且難以測量模型的瞬態轉速和掃描角,測量精度和準確度也不高;另一種是雙目圖像測量方法,這種測量方式不改變模型整體結構,只需要在模型表面粘貼標記物,但在圖像處理過程中高速旋轉體的特征點難以提取,且要進行繁瑣的坐標變換,測量誤差也較大。

投影圖像測量方法采用非接觸測量方式,風洞試驗中不需要在模型內部安裝測量器件和在表面粘貼任何標識物,有效保證了試驗模型的真實性和完整性,減少了試驗過程的繁瑣準備工作;圖像處理過程方便快捷,有效保證了測量結果的準確度和精度。

根據西安某所風洞試驗傘-彈系統結構的特殊性和復雜性,以及試驗過程中彈體的快速旋轉等特點,使用投影圖像處理這種非接觸測量方法穩妥可靠。為此,在實驗室開展了投影圖像法測量研究,對傘-彈模型進行了模擬測量,并首次將這種方法應用于國內立式風洞試驗測量上,取得了良好的測量結果,測量精度達到了用戶的要求。

1 測量原理

彈體的掃描角β是彈體的軸線與風速方向(或者設備裝置軸線)的夾角。在傘-彈系統中,由于彈體是一個回轉體,因此,彈體的掃描角實際上就是彈體的母線與風速方向(或者設備裝置軸線)的夾角。圖1給出了傘-彈系統掃描角的定義。

圖1 傘-彈系統掃描角定義Fig.1 Defining for sweep angle of parachute-ball system

由于彈體是一個回轉體,因此,彈體的掃描角β實際上就是彈體的母線AC1與設備裝置軸線 AA1的夾角。在圖 2所示的長方體 ABCD-A1B1C1D1中,假設長方體的對角線 AC1是彈體的母線或母線的一部分,AA1是風速方向或設備裝置軸線,則立體角∠A1AC1就是彈體的掃描角。令AA1=1,則有：

彈體的掃描角β可以分解到兩個正交平面內,分量分別為β1和β2。只要測量出掃描角在兩個正交平面內的角分量β1和β2,很容易計算出彈體的掃描角β。

圖2 掃描角分解原理圖Fig.2 Principle of analyzing sweep angle

2 測量方法

由于掃描角可以分解到兩個正交平面內,所以對彈體的掃描角測量,可以采用光學投影照相測量法,光學投影和照相的目標就是彈體本身,圖3所示就是光學投影照相測量法的原理圖。具體方法是用兩束相互正交的平行光束,分別將β1和β2所在的兩個正交平面投影到立式風洞試驗段后面一定位置兩個正交的投影屏PY和PX上,用兩個相互正交的CCD成像系統將投影圖像記錄下來,通過實時分析處理得到角分量 β1和 β2的投影角 βY和βX。

對于投影角βY和βX的測量,必須在試驗前用設備裝置的軸線對兩個CCD成像系統分別進行定標,以這一軸線作為測量基準,在投影圖像的采集過程中必須保持兩個CCD在上下和前后位置不動且不產生偏擺。從投影屏PY上的投影圖像進行投影角βY的計算時,只需要根據投影屏PY上投影圖像中彈體母線上任意兩點的坐標計算出投影圖像的斜率,根據斜率取余角就可以得到投影角βY,同理也可以得到投影角 βX。

對彈體旋轉角θ的計算：測量出投影屏PX和PY上投影圖像中對應的投影角βX和βY后,可以知道掃描角β在兩個正交平面內的角分量β1和β2,根據幾何關系可以計算出彈體的旋轉角θ。在圖2所示的長方體ABCD-A1B1C1D1中：

根據兩個高速高分辨率CCD記錄到的投影圖像,可以判斷出旋轉角θ的象限范圍,從而實現對旋轉角θ在360°旋轉范圍內的角度測量。將每一時刻的旋轉角θ處理并記錄下來,再根據兩個高速高分辨率CCD的同步攝像幀頻,可以得到相鄰兩個時刻的旋轉角θ1和 θ2的時間間隔 ΔT,并且在每一次試驗中的ΔT是固定的,那么傘彈旋轉的瞬時角速度為：

圖3 掃描角測試系統圖Fig.3 Principle of testing sweep angle

3 系統設計和應用

根據上面介紹的掃描角測試方法,設計了投影圖像法測量旋轉體掃描角的測量系統,在實驗廠房進行了模擬測量,該系統由兩路正交且相同的測量系統構成,每一路測量系統包括投影系統、投影屏、圖像采集系統和運動控制系統等分系統組成。2007年10月采用該系統在西安某所立式風洞中對某旋轉彈體實驗進行了彈體的掃描角和轉速測量,并得到了良好的測試結果。圖4給出了系統設計的三維效果圖。

圖4 掃描角測試系統三維效果圖Fig.4 Three-dimensional effect of testing sweep angle

3.1 投影系統

根據系統中高速高分辨率面陣CCD的分辨率(1280×1024)和掃描角測量分辨率(0.1°)的要求,結合現場試驗距離,計算出CCD的拍攝范圍為893.6mm×714.9mm,于是選定兩路光源截面尺寸為900mm×750mm的矩形投影平行光束作為投影光源。

3.2 圖像采集處理系統

采用2路高分辨率CCD(1280×1024)對傘-彈系統彈體在投影屏上的投影圖像進行正交同步圖像拍攝,兩個水平方向上的拍攝區域大小為893.6mm左右,確保角度測量精度達到規定要求,CCD所拍攝的圖像經支持64位總線、采集速度能達到74幀/秒的圖像采集卡采集,存放于當地計算機內存(8G)中,采集結束后兩路圖像數據經光纖網絡傳輸到高速圖像處理服務器上進行保存并進行圖像處理,給出掃描角和角速度計算結果。掃描角測量必須由同一時刻兩個正交方向的圖像數據計算得出,這對兩路CCD采集同步要求較高,同步觸發采集采用美國Epix公司T TL同步調理模塊控制(同步時間達到50ns),達到兩路圖像采集系統采集精確同步要求。

3.3 運動控制系統

由于CCD在兩個水平方向上所拍攝的有效范圍為893.6mm,當傘-彈系統完全飄離CCD視場時,高分辨率CCD、投影光源必須移動相應位置,確保圖像在CCD視場范圍內。系統采用兩路低分辨率面陣CCD在兩個方向3.2m范圍進行圖像拍攝,從而可確定傘-彈系統的當前位置,位置工控機可以通過電機控制卡控制安裝在軌道上的圖像采集CCD、投影光源在水平方向左右同步平移適當位置,使傘-彈系統進入CCD拍攝視場范圍內以及確保投影光源能在拍攝位置進行投影。

3.4 應用與測試結果

采用該系統在西安某所立式風洞對某傘彈系統進行了彈體的掃描角和轉速測量。圖像采集方式為外同步觸發方式,采集容量為500幅圖像,曝光時間為0.8ms,試驗大廳兩臺圖像采集機數據通過光纖網絡存儲到測控間服務器的硬盤上,利用圖像處理和角度計算軟件,對兩路圖像分別進行角度序列計算,然后進行兩路角度合成,得到彈體的掃描角和轉速曲線。以100幅圖像(1.3513s)為計算時長,得到的轉速測試結果和掃描角測試結果(圖5,6)。測試結果表明：圖像處理系統具備轉速和掃描角測量功能,能夠可靠地給出穩態掃描試驗過程中傘彈系統的掃描角曲線和彈體旋轉的角速度。

圖5 穩態掃描試驗中傘彈轉速隨時間變化曲線Fig.5 Parachute-ball rotator rotating speed-time curve

圖6 穩態掃描試驗中傘彈掃描角隨時間變化曲線Fig.6 Parachute-ball rotator sweep angle-time curve

3.5 誤差分析

該系統誤差主要來源于系統的安裝誤差和圖像邊緣判讀誤差。系統的安裝誤差包括兩路正交系統的夾角誤差、各光源的偏心差以及CCD的安裝誤差。對于夾角誤差,在對兩路掃描角分量進行掃描角合成時,對系統的夾角誤差進行了修正;對于各光源的偏心差和CCD的安裝誤差,采用零角度懸掛靜態模型試驗,對每一個小口徑光源引起的變形誤差和CCD安裝進行了補償修正;對于圖像邊緣判讀誤差,判讀過程中圖像邊緣放寬到2個像素點(判讀誤差0.12°),有效克服了投影圖像邊緣模糊對特征點提取的影響。

風洞試驗中測量傘彈的轉速時,必須要獲得相鄰兩個時刻的模型旋轉角,而模型的旋轉角直接由該時刻的兩個掃描角分量決定,所以掃描角測量誤差直接導致了傘彈的轉速計算誤差。計算轉速時取的兩個時刻的時間間隔越長,轉速計算誤差就越小,這時的轉速就是該時間段內的平均轉速。一般而言,轉速計算誤差的直接來源是由于某一時刻掃描角分量的誤差導致該時刻模型旋轉角的計算誤差,所以采用較長時段計算轉速的誤差很小,計算時段太短引起的計算誤差相對稍大一些。

3.6 難點和關鍵技術問題解決

(1)半導體激光器安裝過程中采用準值鏡校準方法,減小了矩形光源中各半導體激光器的光軸偏差,從而使模型投影圖像變形得到了較大程度的改善;

(2)通過在試驗段位置懸掛0°模型,分別對各方格光源進行了角度測量修正。處理過程中軟件自動調用相應方格的修正值,消除了由于CCD的安裝誤差、光源安裝誤差及模型投影圖像變形帶來的角度測量誤差;

(3)圖像處理過程中,通過彈體邊界特征點 x,y的坐標,判斷出角度符號的正負;利用每一時刻兩個掃描角分量的角度的符號變化,判斷出每一時刻掃描角的象限角度,從而準確測量出了傘彈系統一定周期內的平均轉速和瞬態轉速;

(4)圖像處理過程中,采用線性回歸算法,大大提高了投影圖像彈體邊界特征點提取的準確性,排除彈體分段后以及因為各投影矩形光源不平行引起的模型變形對邊界特征點提取的干擾,大大提高了掃描角計算的精度;

(5)圖像處理軟件通過灰度閾值動態調節,有效解決了圖像采集過程中外界光對投影圖像的干擾,確保彈體邊界特征點的有效提取;通過對模型尺寸的動態定義,配合圖像放大倍數,可以計算不同尺寸不同型號彈體的掃描角度和轉速。

4 結 論

投影圖像法測量系統采用了非接觸測量方式,提高了測量精度和準確度,并將其應用在西安某所立式風洞進行傘彈風洞試驗。經對多種型號的旋轉彈體進行了掃描角和轉速的動態測量的試驗驗證,結果表明：對于風洞試驗中快速旋轉模型的轉速和角度測量來說,投影圖像法測量手段先進,穩妥可靠,有效的保證了試驗模型的完整性和真實性;圖像處理系統具備轉速和掃描角測量功能,能夠可靠地給出穩態掃描試驗過程中傘彈系統的掃描角曲線和彈體旋轉的角速度。

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