CN115183981A - 一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置 - Google Patents

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CN115183981A
CN115183981A CN202210726792.5A CN202210726792A CN115183981A CN 115183981 A CN115183981 A CN 115183981A CN 202210726792 A CN202210726792 A CN 202210726792A CN 115183981 A CN115183981 A CN 115183981A
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祝家浚
卢今吉
宋佳乐
张铭凯
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Abstract

本发明公开一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置，该方法包括：建立世界坐标系；建立试验模型坐标系，确定其各反光标记点坐标；确定世界坐标系下反光标记点坐标，根据模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准，确定模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；建立坐标转换板坐标系，确定其各编码标记点坐标；确定世界坐标系下编码标记点坐标，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；采用坐标转换板坐标系计算模型位姿和位移；确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而计算风洞坐标系下模型位姿和位移。本发明提高了标定方法的现场适应性和通用性。

Description

一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置
技术领域
本发明涉及航空风洞试验光学测量领域，特别是涉及一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置。
背景技术
随着我国风洞群的建立和飞行试验技术的发展，飞行器模型风洞试验对模拟真实化和试验精细化提出了更高的要求，传统的方法越来越难以胜任，采用光学非接触式测量手段已逐渐成为航空航天飞行器模型试验的一种趋势。光学非接触测量方法可以精确跟踪飞行器模型试验过程中的运动信息，如连续变攻角试验的攻角测量，自由飞试验中飞行轨迹和姿态跟踪等。
试验过程存在一个关键环节，即需要将模型坐标系和风洞坐标系进行精确对齐，从而保证测量数据在统一的坐标系下，去除中间的相对关系，获得绝对的轨迹、姿态信息。从原理层面来讲，该环节通过对存在于两个坐标系中的模型点云进行配准，获得配准得到的刚体转换矩阵即可。模型坐标系可根据模型的设计尺寸及实际形貌定位几何中心，根据几何中心确定模型本体坐标系。然而，如何精确的标定风洞坐标系则是一个令人困扰的问题。传统的标定方式如立体阶梯式标定块等，存在体积重量大、安装维护困难、标记点制造精度要求高等问题，导致其适用性差，应用场合受限。另外，国内的风洞坐标系标定一般依靠模型支撑机构，但该方法不适用于无模型支撑机构的风洞试验，如模型自由飞等。
发明内容
为了弥补上述背景技术的不足，本发明提出一种一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法和标定装置，以解决风洞坐标轴系标定方法适应性低、安装维护困难的问题。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
本发明公开了一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，包括以下步骤：
S1、建立世界坐标系；
S2、建立风洞试验模型坐标系，确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标Pm；
S3、确定世界坐标系下反光标记点坐标Pw，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
S4、建立坐标转换板坐标系，确定坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标Pt；
S5、确定世界坐标系下编码标记点坐标Pwc，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
S6、采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿和位移；
S7、根据所述试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移，确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而实现计算风洞坐标系下试验模型位姿和位移。
在一些实施例中，步骤S1中，所述建立世界坐标系的步骤为：进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。
在一些实施例中，步骤S2中，所述建立风洞试验模型坐标系包括如下步骤：
S21、采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置；
S22、采用手持扫描设备扫描带有反光标记点的试验模型，得到其三维点云，所述三维点云包括试验模型点云和反光标记点点云；
S23、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，确定试验模型坐标系各坐标轴方向。
在一些实施例中，步骤S3具体包括：
S31、拍摄试验模型图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标；
S32、根据所述试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标系下反光标记点坐标，进行点云配准，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pw＝wRm×Pm+wTm
其中，wRm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系旋转变换，wTm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系平移变换。
在一些实施例中，步骤S4中，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行，步骤S4具体包括：
S41、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例，以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度；
S42、根据编码标记点位置及方向，计量各坐标之间相对位置关系，确定坐标转换板坐标系，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标。
在一些实施例中，步骤S5具体包括：
S51、拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标Pwc。
S52、根据所述坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与世界坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pwc＝wcRt×Pt+wcTt
其中，wcRt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系旋转变换，wcTt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系平移变换。
在一些实施例中，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿的方法为：
假设在试验过程中的某个时刻，试验模型上任意的一个标记点P在风洞坐标系Swind下坐标为Pwind，试验模型坐标系Smodle的坐标Pmodle_c，在坐标转换板坐标系Stemp下的位置是Ptemp，则风洞坐标系到试验模型坐标系、坐标转换板坐标系到模型坐标系存在如下转换关系：
Figure BDA0003711220040000031
其中，windRtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系旋转变换，windTtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系平移变换，tempRmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，tempTmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
根据上述两式，各坐标系转换关系存在如下转换关系：
Pwind＝windRtemp×tempRmodle×Pmodle_c-windRtemp×tempTmodle+windTtemp
因而：
Figure BDA0003711220040000041
其中，windRmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，windTmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
由于风洞坐标系与坐标转换板坐标系各坐标轴平行，即windRtemp＝I3×3，其中I3×3表示3×3单位矩阵，
Figure BDA0003711220040000042
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿。
在一些实施例中，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移的方法为：
假设在t0和t1时刻分别测得试验模型上反光标记点在风洞坐标系Swind中点云
Figure BDA0003711220040000043
和
Figure BDA0003711220040000044
模型坐标系Smodle中反光标记点点云为Pmodle，则存在如下关系：
Figure BDA0003711220040000045
其中，R0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，R1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，T0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换，T1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换；
此时，试验模型位移计算公式：
T0-1＝T1-T0
假设用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系，在t0和t1时刻分别测得试验模型上标记点在风洞坐标系中点云
Figure BDA0003711220040000046
和
Figure BDA0003711220040000047
则存在如下点云坐标转换关系：
Figure BDA0003711220040000051
其中，
Figure BDA0003711220040000052
表示t0时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标，
Figure BDA0003711220040000053
表示t1时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标；
模型位移计算公式：
Figure BDA0003711220040000054
根据上述公式，可得：
Figure BDA0003711220040000055
其中，windT0 temp表示t0时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换，windT1 temp表示t1时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换；
推导可得：
Figure BDA0003711220040000056
由于
Figure BDA0003711220040000057
则：
Figure BDA0003711220040000058
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移。
本发明还公开了一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定装置，包括：
安装卡座；
竖直导轨，所述竖直导轨的两端通过所述安装卡座固定于风洞上；
方管转接头，设置于所述竖直导轨上，所述方管转接头与竖直导轨之间采用过盈配合；
水平导轨，所述水平导轨与竖直导轨通过方管连接头连接，所述水平导轨与方管转接头之间采用过盈配合，所述安装卡座固定后，水平导轨的轴线与风洞喷管轴线平行；
圆管转接头，设置于所述水平导轨上；
双轴水平仪，设置于所述水平导轨上；
坐标转换板，所述坐标转换板与双轴水平仪通过所述圆管转接头连接，所述双轴水平仪所在平面与所述坐标转换板所在平面垂直，所述坐标转换板处于竖直平面内；所述坐标转换板用于建立坐标转换板坐标系，并通过调节所述双轴水平仪使所述坐标转换板坐标系与风洞坐标系各坐标轴方向相同。
在一些实施例中，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行；所述坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明提供的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，通过有限的标记点在风洞坐标系空间确定了坐标转换板坐标系，并可通过将坐标转换板坐标转换至风洞坐标系完成风洞坐标轴系标定，从而适用于各种复杂工况大视场风洞的坐标轴系标定，克服了传统方式灵活性不足等缺点。本发明的风洞坐标轴系标定方法现场适应性更好、通用性更强。
本发明提供的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定装置，只需加工高精度坐标转换板，同时搭配少量的辅助安装工装即可。现场安装、调试操作简单方便，在保证精度的前提下，降低了制造成本，极大地便利了试验现场作业。
附图说明
图1为本发明实施例的风洞坐标轴系标定方法流程图；
图2为本发明实施例的圆锥试验模型的二维设计图；
图3为本发明实施例的圆锥试验模型的手持扫描设备扫描点云结果；
图4为本发明实施例的坐标转换板的设计图；
图5为本发明实施例的风洞坐标轴系标定装置示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
针对现有高精度立体阶梯式标定块标定技术进行风洞坐标轴系标定时，存在标定块体积重量大、安装维护困难、标定块上标记点制造精度要求高等问题，本发明实施例提供一种适用性高的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，通过坐标转换板坐标系代替风洞坐标系完成风洞坐标轴系标定。本发明实施例的标定方法采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系，完成风洞坐标轴系标定，实现风洞试验模型位姿与位移测量。本发明实施例适用于各种复杂工况大视场风洞的坐标轴系标定，如连续变攻角实验风洞的风洞坐标轴系标定、自由飞实验风洞的风洞坐标轴系标定，具有低成本、快速、高精度等优点，因此有很大的工程应用价值。
如图1所示，本发明实施例的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法包括如下步骤：
S1、建立世界坐标系。视频测量***进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。
S2、建立风洞试验模型坐标系，采用手持扫描设备扫描粘贴标记点的试验模型，得到其三维点云，并确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标Pm。根据试验模型点云几何特性确定试验模型坐标系。
其中，建立风洞试验模型坐标系包括如下步骤：
S21、采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置。
S22、采用手持扫描设备扫描带有反光标记点的试验模型，得到其三维点云，三维点云包括试验模型点云和反光标记点点云。
S23、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，确定试验模型坐标系各坐标轴方向。
S3、确定世界坐标系下反光标记点坐标Pw，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系。
具体地，步骤S3包括：
S31、视频测量***拍摄坐标转换板图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标；
S32、根据试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标系下反光标记点坐标，进行点云配准，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pw＝wRm×Pm+wTm
其中，wRm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系旋转变换，wTm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系平移变换。
S4、建立坐标转换板坐标系，确定坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标Pt。坐标转换板上设有两排三列编码标记点，根据编码点位置及方向确定坐标转换板坐标系。坐标转换板为高平面度的矩形标定板，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行。
具体地，步骤S4包括：
S41、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例，以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度；
S42、根据编码标记点位置及方向，计量各坐标之间相对位置关系，确定坐标转换板坐标系，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标。
S5、确定世界坐标系下编码标记点坐标Pwc，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系。
具体地，步骤S5包括：
S51、拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标Pwc。
S52、根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与世界坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pwc＝wcRt×Pt+wcTt
其中，wcRt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系旋转变换，wcTt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系平移变换。
S6、采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿和位移。
具体地，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿的方法为：
假设在试验过程中的某个时刻，试验模型上任意的一个标记点P在风洞坐标系Swind下坐标为Pwind，试验模型坐标系Smodle的坐标Pmodle_c，在坐标转换板坐标系Stemp下的位置是Ptemp，则风洞坐标系到试验模型坐标系、坐标转换板坐标系到模型坐标系存在如下转换关系：
Figure BDA0003711220040000091
其中，windRtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系旋转变换，windTtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系平移变换，tempRmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，tempTmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
根据上述两式，各坐标系转换关系存在如下转换关系：
Pwind＝windRtemp×tempRmodle×Pmodle_c-windRtemp×tempTmodle+windTtemp
因而：
Figure BDA0003711220040000092
其中，windRmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，windTmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
由于风洞坐标系与坐标转换板坐标系各坐标轴平行，即windRtemp＝I3×3，其中I3×3表示3×3单位矩阵，
Figure BDA0003711220040000093
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿。
具体地，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移的方法为：
假设在t0和t1时刻分别测得试验模型上反光标记点在风洞坐标系Swind中点云
Figure BDA0003711220040000094
和
Figure BDA0003711220040000095
模型坐标系Smodle中反光标记点点云为Pmodle，则存在如下关系：
Figure BDA0003711220040000096
其中，R0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，R1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，T0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换，T1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换；
此时，试验模型位移计算公式：
T0-1＝T1-T0
假设用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系，在t0和t1时刻分别测得试验模型上标记点在风洞坐标系中点云
Figure BDA0003711220040000101
和
Figure BDA0003711220040000102
则存在如下点云坐标转换关系：
Figure BDA0003711220040000103
其中，
Figure BDA0003711220040000104
表示t0时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标，
Figure BDA0003711220040000105
表示t1时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标；
模型位移计算公式：
Figure BDA0003711220040000106
根据上述公式，可得：
Figure BDA0003711220040000107
其中，windT0 temp表示t0时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换，windT1 temp表示t1时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换；
推导可得：
Figure BDA0003711220040000108
由于
Figure BDA0003711220040000109
则：
Figure BDA00037112200400001010
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移。
S7、根据试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移，确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而实现计算风洞坐标系下试验模型位姿和位移。
本发明还公开了一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定装置，包括：
安装卡座；
竖直导轨，竖直导轨的两端通过安装卡座固定于风洞上；
方管转接头，设置于竖直导轨上，方管转接头与竖直导轨之间采用过盈配合；
水平导轨，水平导轨与竖直导轨通过方管连接头连接，水平导轨与方管转接头之间采用过盈配合，安装卡座固定后，水平导轨的轴线与风洞喷管轴线平行；
圆管转接头，设置于水平导轨上；
双轴水平仪，设置于水平导轨上；
坐标转换板，坐标转换板与双轴水平仪通过圆管转接头连接，双轴水平仪所在平面与坐标转换板所在平面垂直，坐标转换板处于竖直平面内；坐标转换板用于建立坐标转换板坐标系，并通过调节双轴水平仪使坐标转换板坐标系与风洞坐标系各坐标轴方向相同。
其中，坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行；坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例。
以下结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例及其工作原理。
以圆锥体试验模型9为例，本实施例的一种基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法具体步骤包括：
1)、调整风洞视频测量***1中各相机的位姿和焦距，使其成像清晰，并覆盖试验模型运动范围。
2)、建立世界坐标系，视频测量***进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。
3)、建立风洞试验模型坐标系，采用手持扫描设备扫描粘贴标记点的试验模型，得到其三维点云，并确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标。根据试验模型点云几何特性确定试验模型坐标系。建立风洞试验模型坐标系的方法包括：
3.1)、三维扫描前，采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置，质心位于旋转轴上距离圆锥顶点148.36mm处。如图2所示。
3.2)、手持扫描仪扫描带有反光标记点的试验模型，得到试验模型点云和反光标记点点云，如图3所示，将两幅点云导入Gemogic Studio软件(逆向工程和三维检测软件)。
3.3)、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，以圆锥旋转轴为X轴，Y、Z保持相互垂直。
3.4)、在Gemogic Studio软件中确定试验模型坐标系下反光标记点坐标Pm：
Figure BDA0003711220040000121
4)、视频测量***拍摄试验模型图片，反光标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，得到试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系。
确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系的方法包括：
4.1)、视频测量***拍摄试验模型图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点的坐标Pw：
Figure BDA0003711220040000122
4.2)、根据试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标下反光标记点坐标，进行点云配准，确定两坐标系刚体变换关系：
Pw＝wRm×Pm+wTm
wTm＝[-731.86490 -30.20354 1201.30456]
Figure BDA0003711220040000131
5)、设计坐标转换板，坐标转换板上设计两排三列编码标记点，根据编码标记点位置及方向确定坐标转换板坐标系。
设计坐标转换板的方法包括：
5.1)、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例。以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度。
5.2)、坐标转换板须经加工为矩形标定板，平面度高，编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，保持水平编码标记点、竖直编码标记点连线与矩形边平行。
5.3)、设计加工后，需计量各坐标之间相对位置关系，如图4所示，坐标转换板坐标系建立在编码标记点17的中心处，X轴从编码标记点17指向编码标记点15，Y轴从编码标记点17指向编码标记点13，Z轴遵循右手定则，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标Pt：
Figure BDA0003711220040000132
6)、视频测量***拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点坐标，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，点云配准，计算坐标转换板与世界坐标系刚体变换关系。
确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系的方法包括：
6.1)、视频测量***拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标Pw。
6.2)、根据步骤S53中坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与步骤S61中世界坐标下编码标记点坐标，进行点云配准，确定两坐标系刚体变换关系。
Pw＝wRt×Pt+wTt
wTt＝[273.88990 335.20322 578.30622]
Figure BDA0003711220040000141
7)、坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿及位移。
坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算模型位姿和位移的方法包括：
7.1)、坐标转换板坐标系可代替风洞坐标系计算模型姿态。
假设在试验过程中的某个时刻，模型上任意的一个标志点P在风洞坐标系Swind下坐标为Pwind，模型坐标系Smodle的坐标Pmodle，在坐标转换板坐标系Stemp下的位置是Ptemp，则风洞坐标系到模型坐标系、坐标转换板坐标系到模型坐标系存在如下转换关系：
Figure BDA0003711220040000142
根据上述两式所述各坐标系转换关系，存在如下转换关系：
Pwind＝windRtemp×tempRmodle×Pmodle-windRtemp×tempTmodle+windTtemp
因而：
Figure BDA0003711220040000143
由于风洞坐标系与坐标转换板坐标系各坐标轴平行，即windRtemp＝I3×3，
Figure BDA0003711220040000144
因此可直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算模型位姿。
7.2)、坐标转换板坐标系可代替风洞坐标系计算模型位移
假设在t0和t1时刻用视频测量***分别测得模型上反光标记点在风洞坐标系Swind中点云
Figure BDA0003711220040000151
和
Figure BDA0003711220040000152
模型坐标系Smodle中反光标记点点云为Pmodle，则存在如下关系：
Figure BDA0003711220040000153
此时，试验模型位移计算公式：
T0-1＝T1-T0
假设用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系，在t0和t1时刻用视频测量***分别测得模型上标记点在风洞坐标系中点云
Figure BDA0003711220040000154
和
Figure BDA0003711220040000155
则存在如下点云坐标转换关系：
Figure BDA0003711220040000156
模型位移计算公式：
Figure BDA0003711220040000157
根据上述公式，可得：
Figure BDA0003711220040000158
推导可得：
Figure BDA0003711220040000159
由于
Figure BDA00037112200400001510
则：
Figure BDA00037112200400001511
因此可直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算模型位移。
故坐标转换板与被测物转换关系：
Pt＝tRm×Pm+tTm
tTm＝[-731.86490 -30.20354 1201.30456]
Figure BDA0003711220040000161
其中，tRm表示反光标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系的旋转变换，tTm表示反光标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系的平移变换。
8)、根据试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移可得各坐标系转换关系，得到坐标转换板坐标系与模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与模型坐标系刚性变换关系。从而实现计算风洞坐标系下模型位姿与位移。
如图5所示，本实施例还提供一种基于编码标记点的风洞坐标系标定装置，包括：两个安装卡座2、竖直导轨3、方管转接头4、水平导轨5、两个圆管转接头6、双轴水平仪7和坐标转换板8。
竖直导轨3的两端通过两个安装卡座2固定于风洞上；方管转接头4设置于竖直导轨3上，方管转接头4与竖直导轨3之间采用过盈配合；水平导轨5与竖直导轨3通过方管连接头4连接，水平导轨5与方管转接头4之间采用过盈配合，两个安装卡座2固定后，水平导轨5的轴线与风洞喷管轴线平行(自由流方向与喷管轴线平行)；两个圆管转接头6和双轴水平仪7将设置于水平导轨5上；坐标转换板8与双轴水平仪7通过两个圆管转接头6连接，双轴水平仪7所在平面与坐标转换板8所在平面垂直，坐标转换板8处于竖直平面内；坐标转换板8用于建立坐标转换板坐标系，并通过调节双轴水平仪7使坐标转换板坐标系与风洞坐标系各坐标轴方向相同。
坐标转换板8为高平面度的矩形标定板，坐标转换板8上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行；坐标转换板8尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例。
本发明实施例的基于编码标记的风洞坐标轴系标定方法，仅通过布置在一个平面上的数个编码标记点即可确定风洞坐标轴系，具有稳定性好、适应性强等优点。同时提供了对应的坐标轴系标定装置，通过标定装置的坐标转换板坐标系代替风洞坐标系完成风洞坐标轴系标定，从而能够保证高精度的试验模型位姿测量，为风洞模型光学试验提供可靠的数据。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立世界坐标系；
S2、建立风洞试验模型坐标系，确定试验模型坐标系下各反光标记点坐标Pm；
S3、确定世界坐标系下反光标记点坐标Pw，根据试验模型坐标系下反光标记点坐标，点云配准两幅点云，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
S4、建立坐标转换板坐标系，确定坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标Pt；
S5、确定世界坐标系下编码标记点坐标Pwc，根据坐标转换板坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系；
S6、采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿和位移；
S7、根据所述试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系、坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系及试验模型位姿和位移，确定坐标转换板坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，即风洞坐标系与试验模型坐标系刚性变换关系，从而实现计算风洞坐标系下试验模型位姿和位移。
2.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S1中，所述建立世界坐标系的步骤为：进行相机标定，获得各个相机高精度内外参数，选择指定相机坐标系建立世界坐标系。
3.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S2中，所述建立风洞试验模型坐标系包括如下步骤：
S21、采用转动惯性测量装置对试验模型进行测量，得到试验模型质心位置；
S22、采用手持扫描设备扫描带有反光标记点的试验模型，得到其三维点云，所述三维点云包括试验模型点云和反光标记点点云；
S23、以试验模型质心为模型坐标系原点，根据试验模型对称性，确定试验模型坐标系各坐标轴方向。
4.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、拍摄试验模型图片，标记点识别重建，得到世界坐标系下反光标记点坐标；
S32、根据所述试验模型坐标系下反光标记点坐标与世界坐标系下反光标记点坐标，进行点云配准，确定试验模型坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pw＝wRm×Pm+wTm
其中，wRm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系旋转变换，wTm表示反光标记点坐标从试验模型坐标系到世界坐标系平移变换。
5.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S4中，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行，步骤S4具体包括：
S41、根据不同尺寸风洞，确定坐标转换板尺寸，使坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例，以满足不同视场风洞坐标轴系转换精度；
S42、根据编码标记点位置及方向，计量各坐标之间相对位置关系，确定坐标转换板坐标系，并计算坐标转换板坐标系下各编码标记点坐标。
6.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
S51、拍摄坐标转换板图片，编码标记点识别重建，得到世界坐标系下编码标记点的坐标Pwc。
S52、根据所述坐标转换板坐标系下编码标记点坐标与世界坐标系下编码标记点坐标，进行点云配准，确定坐标转换板坐标系与世界坐标系刚体变换关系：
Pwc＝wcRt×Pt+wcTt
其中，wcRt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系旋转变换，wcTt表示编码标记点从坐标转换板坐标系到世界坐标系平移变换。
7.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿的方法为：
假设在试验过程中的某个时刻，试验模型上任意的一个标记点P在风洞坐标系Swind下坐标为Pwind，试验模型坐标系Smodle的坐标Pmodle_c，在坐标转换板坐标系Stemp下的位置是Ptemp，则风洞坐标系到试验模型坐标系、坐标转换板坐标系到模型坐标系存在如下转换关系：
Figure FDA0003711220030000031
其中，windRtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系旋转变换，windTtemp表示标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系平移变换，tempRmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，tempTmodle表示标记点从试验模型坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
根据上述两式，各坐标系转换关系存在如下转换关系：
Pwind＝windRtemp×tempRmodle×Pmodle_c-windRtemp×tempTmodle+windTtemp
因而：
Figure FDA0003711220030000032
其中，windRmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系旋转变换，windTmodle表示标记点从风洞坐标系到坐标转换板坐标系平移变换；
由于风洞坐标系与坐标转换板坐标系各坐标轴平行，即windRtemp＝I3×3，其中I3×3表示3×3单位矩阵，
Figure FDA0003711220030000033
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位姿。
8.如权利要求1所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定方法，其特征在于，步骤S6中，采用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移的方法为：
假设在t0和t1时刻分别测得试验模型上反光标记点在风洞坐标系Swind中点云
Figure FDA0003711220030000035
和
Figure FDA0003711220030000036
模型坐标系Smodle中反光标记点点云为Pmodle，则存在如下关系：
Figure FDA0003711220030000034
其中，R0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，R1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的旋转变换，T0代表t0时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换，T1代表t1时刻反光标记点从模型坐标系到风洞坐标系的平移变换；
此时，试验模型位移计算公式：
T0-1＝T1-T0
假设用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系，在t0和t1时刻分别测得试验模型上标记点在风洞坐标系中点云
Figure FDA0003711220030000041
和
Figure FDA0003711220030000042
则存在如下点云坐标转换关系：
Figure FDA0003711220030000043
其中，
Figure FDA0003711220030000044
表示t0时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标，
Figure FDA0003711220030000045
表示t1时刻反光标记点在坐标转换板坐标系下的坐标；
模型位移计算公式：
Figure FDA0003711220030000046
根据上述公式，可得：
Figure FDA0003711220030000047
其中，windT0 temp表示t0时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换，windT1 temp表示t1时刻标记点从坐标转换板坐标系到风洞坐标系的平移变换；
推导可得：
Figure FDA0003711220030000048
由于
Figure FDA0003711220030000049
则：
Figure FDA00037112200300000410
因此能直接使用坐标转换板坐标系代替风洞坐标系计算试验模型位移。
9.一种基于编码标记点的风洞坐标轴系标定装置，其特征在于，包括：
安装卡座；
竖直导轨，所述竖直导轨的两端通过所述安装卡座固定于风洞上；
方管转接头，设置于所述竖直导轨上，所述方管转接头与竖直导轨之间采用过盈配合；
水平导轨，所述水平导轨与竖直导轨通过方管连接头连接，所述水平导轨与方管转接头之间采用过盈配合，所述安装卡座固定后，水平导轨的轴线与风洞喷管轴线平行；
圆管转接头，设置于所述水平导轨上；
双轴水平仪，设置于所述水平导轨上；
坐标转换板，所述坐标转换板与双轴水平仪通过所述圆管转接头连接，所述双轴水平仪所在平面与所述坐标转换板所在平面垂直，所述坐标转换板处于竖直平面内；所述坐标转换板用于建立坐标转换板坐标系，并通过调节所述双轴水平仪使所述坐标转换板坐标系与风洞坐标系各坐标轴方向相同。
10.如权利要求9所述的基于编码标记点的风洞坐标轴系标定装置，其特征在于，所述坐标转换板为高平面度的矩形标定板，坐标转换板上设有多个编码标记点，各编码标记点采用不同编码，满足编码唯一性，且保持水平编码标记点连线、竖直编码标记点连线与坐标转换板矩形边平行；所述坐标转换板尺寸与风洞喷管直径尺寸等比例。
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