投影图像法对旋转体空间扫描角和转速的测量研究

汪思国,汤更生 ,杨 辉 ,张 龙,张 俊

(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳 621000)

0 引 言

风洞试验中旋转模型的扫描角和转速定量实时测量一直是比较棘手的问题。国内风洞常规的测量手段有两种：一种是在模型内部安装转速记录仪,这种方式不仅会改变弹体的实际结构和重量,破坏模型的真实性和完整性,而且难以测量模型的瞬态转速和扫描角,测量精度和准确度也不高;另一种是双目图像测量方法,这种测量方式不改变模型整体结构,只需要在模型表面粘贴标记物,但在图像处理过程中高速旋转体的特征点难以提取,且要进行繁琐的坐标变换,测量误差也较大。

投影图像测量方法采用非接触测量方式,风洞试验中不需要在模型内部安装测量器件和在表面粘贴任何标识物,有效保证了试验模型的真实性和完整性,减少了试验过程的繁琐准备工作;图像处理过程方便快捷,有效保证了测量结果的准确度和精度。

根据西安某所风洞试验伞-弹系统结构的特殊性和复杂性,以及试验过程中弹体的快速旋转等特点,使用投影图像处理这种非接触测量方法稳妥可靠。为此,在实验室开展了投影图像法测量研究,对伞-弹模型进行了模拟测量,并首次将这种方法应用于国内立式风洞试验测量上,取得了良好的测量结果,测量精度达到了用户的要求。

1 测量原理

弹体的扫描角β是弹体的轴线与风速方向(或者设备装置轴线)的夹角。在伞-弹系统中,由于弹体是一个回转体,因此,弹体的扫描角实际上就是弹体的母线与风速方向(或者设备装置轴线)的夹角。图1给出了伞-弹系统扫描角的定义。

图1 伞-弹系统扫描角定义Fig.1 Defining for sweep angle of parachute-ball system

由于弹体是一个回转体,因此,弹体的扫描角β实际上就是弹体的母线AC1与设备装置轴线 AA1的夹角。在图 2所示的长方体 ABCD-A1B1C1D1中,假设长方体的对角线 AC1是弹体的母线或母线的一部分,AA1是风速方向或设备装置轴线,则立体角∠A1AC1就是弹体的扫描角。令AA1=1,则有：

弹体的扫描角β可以分解到两个正交平面内,分量分别为β1和β2。只要测量出扫描角在两个正交平面内的角分量β1和β2,很容易计算出弹体的扫描角β。

图2 扫描角分解原理图Fig.2 Principle of analyzing sweep angle

2 测量方法

由于扫描角可以分解到两个正交平面内,所以对弹体的扫描角测量,可以采用光学投影照相测量法,光学投影和照相的目标就是弹体本身,图3所示就是光学投影照相测量法的原理图。具体方法是用两束相互正交的平行光束,分别将β1和β2所在的两个正交平面投影到立式风洞试验段后面一定位置两个正交的投影屏PY和PX上,用两个相互正交的CCD成像系统将投影图像记录下来,通过实时分析处理得到角分量 β1和 β2的投影角 βY和βX。

对于投影角βY和βX的测量,必须在试验前用设备装置的轴线对两个CCD成像系统分别进行定标,以这一轴线作为测量基准,在投影图像的采集过程中必须保持两个CCD在上下和前后位置不动且不产生偏摆。从投影屏PY上的投影图像进行投影角βY的计算时,只需要根据投影屏PY上投影图像中弹体母线上任意两点的坐标计算出投影图像的斜率,根据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。

对弹体旋转角θ的计算：测量出投影屏PX和PY上投影图像中对应的投影角βX和βY后,可以知道扫描角β在两个正交平面内的角分量β1和β2,根据几何关系可以计算出弹体的旋转角θ。在图2所示的长方体ABCD-A1B1C1D1中：

根据两个高速高分辨率CCD记录到的投影图像,可以判断出旋转角θ的象限范围,从而实现对旋转角θ在360°旋转范围内的角度测量。将每一时刻的旋转角θ处理并记录下来,再根据两个高速高分辨率CCD的同步摄像帧频,可以得到相邻两个时刻的旋转角θ1和 θ2的时间间隔 ΔT,并且在每一次试验中的ΔT是固定的,那么伞弹旋转的瞬时角速度为：

图3 扫描角测试系统图Fig.3 Principle of testing sweep angle

3 系统设计和应用

根据上面介绍的扫描角测试方法,设计了投影图像法测量旋转体扫描角的测量系统,在实验厂房进行了模拟测量,该系统由两路正交且相同的测量系统构成,每一路测量系统包括投影系统、投影屏、图像采集系统和运动控制系统等分系统组成。2007年10月采用该系统在西安某所立式风洞中对某旋转弹体实验进行了弹体的扫描角和转速测量,并得到了良好的测试结果。图4给出了系统设计的三维效果图。

图4 扫描角测试系统三维效果图Fig.4 Three-dimensional effect of testing sweep angle

3.1 投影系统

根据系统中高速高分辨率面阵CCD的分辨率(1280×1024)和扫描角测量分辨率(0.1°)的要求,结合现场试验距离,计算出CCD的拍摄范围为893.6mm×714.9mm,于是选定两路光源截面尺寸为900mm×750mm的矩形投影平行光束作为投影光源。

3.2 图像采集处理系统

采用2路高分辨率CCD(1280×1024)对伞-弹系统弹体在投影屏上的投影图像进行正交同步图像拍摄,两个水平方向上的拍摄区域大小为893.6mm左右,确保角度测量精度达到规定要求,CCD所拍摄的图像经支持64位总线、采集速度能达到74帧/秒的图像采集卡采集,存放于当地计算机内存(8G)中,采集结束后两路图像数据经光纤网络传输到高速图像处理服务器上进行保存并进行图像处理,给出扫描角和角速度计算结果。扫描角测量必须由同一时刻两个正交方向的图像数据计算得出,这对两路CCD采集同步要求较高,同步触发采集采用美国Epix公司T TL同步调理模块控制(同步时间达到50ns),达到两路图像采集系统采集精确同步要求。

3.3 运动控制系统

由于CCD在两个水平方向上所拍摄的有效范围为893.6mm,当伞-弹系统完全飘离CCD视场时,高分辨率CCD、投影光源必须移动相应位置,确保图像在CCD视场范围内。系统采用两路低分辨率面阵CCD在两个方向3.2m范围进行图像拍摄,从而可确定伞-弹系统的当前位置,位置工控机可以通过电机控制卡控制安装在轨道上的图像采集CCD、投影光源在水平方向左右同步平移适当位置,使伞-弹系统进入CCD拍摄视场范围内以及确保投影光源能在拍摄位置进行投影。

3.4 应用与测试结果

采用该系统在西安某所立式风洞对某伞弹系统进行了弹体的扫描角和转速测量。图像采集方式为外同步触发方式,采集容量为500幅图像,曝光时间为0.8ms,试验大厅两台图像采集机数据通过光纤网络存储到测控间服务器的硬盘上,利用图像处理和角度计算软件,对两路图像分别进行角度序列计算,然后进行两路角度合成,得到弹体的扫描角和转速曲线。以100幅图像(1.3513s)为计算时长,得到的转速测试结果和扫描角测试结果(图5,6)。测试结果表明：图像处理系统具备转速和扫描角测量功能,能够可靠地给出稳态扫描试验过程中伞弹系统的扫描角曲线和弹体旋转的角速度。

图5 稳态扫描试验中伞弹转速随时间变化曲线Fig.5 Parachute-ball rotator rotating speed-time curve

图6 稳态扫描试验中伞弹扫描角随时间变化曲线Fig.6 Parachute-ball rotator sweep angle-time curve

3.5 误差分析

该系统误差主要来源于系统的安装误差和图像边缘判读误差。系统的安装误差包括两路正交系统的夹角误差、各光源的偏心差以及CCD的安装误差。对于夹角误差,在对两路扫描角分量进行扫描角合成时,对系统的夹角误差进行了修正;对于各光源的偏心差和CCD的安装误差,采用零角度悬挂静态模型试验,对每一个小口径光源引起的变形误差和CCD安装进行了补偿修正;对于图像边缘判读误差,判读过程中图像边缘放宽到2个像素点(判读误差0.12°),有效克服了投影图像边缘模糊对特征点提取的影响。

风洞试验中测量伞弹的转速时,必须要获得相邻两个时刻的模型旋转角,而模型的旋转角直接由该时刻的两个扫描角分量决定,所以扫描角测量误差直接导致了伞弹的转速计算误差。计算转速时取的两个时刻的时间间隔越长,转速计算误差就越小,这时的转速就是该时间段内的平均转速。一般而言,转速计算误差的直接来源是由于某一时刻扫描角分量的误差导致该时刻模型旋转角的计算误差,所以采用较长时段计算转速的误差很小,计算时段太短引起的计算误差相对稍大一些。

3.6 难点和关键技术问题解决

(1)半导体激光器安装过程中采用准值镜校准方法,减小了矩形光源中各半导体激光器的光轴偏差,从而使模型投影图像变形得到了较大程度的改善;

(2)通过在试验段位置悬挂0°模型,分别对各方格光源进行了角度测量修正。处理过程中软件自动调用相应方格的修正值,消除了由于CCD的安装误差、光源安装误差及模型投影图像变形带来的角度测量误差;

(3)图像处理过程中,通过弹体边界特征点 x,y的坐标,判断出角度符号的正负;利用每一时刻两个扫描角分量的角度的符号变化,判断出每一时刻扫描角的象限角度,从而准确测量出了伞弹系统一定周期内的平均转速和瞬态转速;

(4)图像处理过程中,采用线性回归算法,大大提高了投影图像弹体边界特征点提取的准确性,排除弹体分段后以及因为各投影矩形光源不平行引起的模型变形对边界特征点提取的干扰,大大提高了扫描角计算的精度;

(5)图像处理软件通过灰度阈值动态调节,有效解决了图像采集过程中外界光对投影图像的干扰,确保弹体边界特征点的有效提取;通过对模型尺寸的动态定义,配合图像放大倍数,可以计算不同尺寸不同型号弹体的扫描角度和转速。

4 结 论

投影图像法测量系统采用了非接触测量方式,提高了测量精度和准确度,并将其应用在西安某所立式风洞进行伞弹风洞试验。经对多种型号的旋转弹体进行了扫描角和转速的动态测量的试验验证,结果表明：对于风洞试验中快速旋转模型的转速和角度测量来说,投影图像法测量手段先进,稳妥可靠,有效的保证了试验模型的完整性和真实性;图像处理系统具备转速和扫描角测量功能,能够可靠地给出稳态扫描试验过程中伞弹系统的扫描角曲线和弹体旋转的角速度。

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