风洞试验中的视频测量技术现状与应用综述

视频测量（Videogrammetric Measurement,VM）技术因其对试验模型的设计制造无要求,受到国内外风洞试验机构的青睐,本文综述了国外航空航天强国的风洞试验机构所掌握的 VM 技术,并分析了 VM 技术在我国高速暂冲风洞试验中应用所面临的问题,据此中国空气动力研究与发展中心（CARDC）提出了多相机动态标定与基于运动估计的序列图像匹配技术,在暂冲高速风洞高噪声（130 dB 左右）振动环境下,建立了高精度的模型位姿光学测量技术,2米量级高速风洞中的多个应用表明：视频测量的精度高,已用于高速试验模型的姿态与变形测量;另一方面,通过 VM 测量偏折位移场得到光束从摄影中心出发穿过扰流区的光程差,为气动光学效应的研究与测量以及试验模型的壁面流动显示提供新的途径,其光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,因此具有巨大应用前景。     

高速风洞试验模型姿态角的视频测量及不确定度研究

高速风洞测力试验中,阻力系数精度σc x的先进指标为0.0001,按误差分配原理,要求试验模型迎角的测量精度σα≤0.01°。为此,研究风洞试验中模型姿态角视频测量及其不确定度,给出其系统误差的补偿方法。实测数据（马赫数为1.5、2.0、3.0和4.0）表明：在2m暂冲式超声速风洞试验中,各阶梯迎角测量数据的标准差（含风洞气流脉动致模型姿态角振动产生的误差）在0.0018°和0.0094°之间,迎角实测估计值的标准不确定度≤0.003°,由此可知,姿态角视频测量系统的σα≤0.0094°。本方法既不破坏模型的外形,又不改变模型的刚度与强度,具有实用价值。     

基于PSD的模型姿态角和振动测量技术原理性研究

为了适应风洞发展的需要,满足风洞测量技术精细化、多样化的要求,开展了基于位置敏感器件（PSD）技术的模型姿态角测量系统的原理性研究。对PSD探测头进行了详细设计,完成了姿态角测量试验平台和数据采集处理系统,并开展了初步的测量试验。通过原理性试验证明,测量系统的测量范围为-10°～10°,测量准确度为0.036°,测量精度为0.016°。还对系统应用于振动的测量进行了原理性的研究,获得了初步的研究数据。随着进一步的细化和精确度的进一步提高,基于PSD技术的模型姿态角测量系统在风洞模型的姿态和振动测量、姿态角测量机构的标定和检定、视频测量系统的相互验证等领域具有非常大的应用潜力。     

2．4m跨声速风洞的模型位移视频测量精度研究

风洞试验中模型的位置和变形测量对试验数据精准度至关重要。为此,创建2．4m跨声速风洞的模型位移视频测量系统,提出度量其测量误差的方法,并实验研究其测量精度。研究发现,试验中的振动对测量精度影响极大,采用振动环境中相机位、姿解算方法后,试验段底部的编码标记点的测量误差从22．80-48．48mm降至0．03～0．64mm。     

风洞模型位移视频测量的相机标定

相机的制造和装配误差难以完全消除,导致相机的光学系统存在不同程度的非线性光学畸变现象,故相机标定对确保风洞模型位移视频测量的精度至关重要。针对1m。以上的台阶标定块制造成本高、维护困难,提出基于距离标尺的相机标定方法,推导包含非线性畸变模型的共线方程,建立适应中国大尺寸风洞的低成本相机标定系统,确保模型位移视频测量相机的自校正精度。2m超声速风洞的某跨大气层飞机测力试验中,采用该方法校正DALSAe相机后,各阶梯迎角测量精度以≤0．00772。（达到高速风洞测力试验迎角精度的先进指标）,因此具有实用价值。     

线阵CCD在风洞轨迹测量试验技术中的应用研究

针对风洞试验中轨迹测量问题,设计了由3个一维线阵CCD成像单元组成的实时空间位移测量系统。提出了一种基于特征边缘提取的组合特征定位WBT算法,可以有效提高系统精确度和抗振动干扰能力。应用该系统在风洞中测量了覆冰导线的舞动轨迹,完成了导线舞动规律研究。     

光学头罩超声速绕流流场光学传输效应风洞试验研究

在Ma=3连续超声速风洞中,开展了光学头罩绕流流场光学传输效应的风洞模拟试验方法研究,进行了现场振动测量与隔离,研制了专用试验装置,采用哈特曼传感器和剪切干涉仪两种手段进行了光学传输效应的试验测量。试验中,针对试验装置各部分的不同组合状态,进行了大量的测试,研究了试验装置有效性以及试验数据重复性,着重分析了探测光束的PV值与RMS值。结果表明：导流板可明显抑制风洞洞壁边界层干扰,试验装置与方法可行,对于连续式风洞中模型绕流流场光学传输效应测试有一定参考价值。     

飞机螺旋运动测量技术的发展

立式风洞是研究飞机尾旋与尾旋改出的特种设施。由于尾旋试验模型的大小受限于风洞的试验段尺寸和流场的边界条件,较难在模型内部安装测量系统,早期均采用外部系统对处于螺旋运动状态的飞机模型姿态进行捕捉、辨识,进而分析飞机的尾旋特性与改出特性。随着材料科学、智能加工技术和信号传输技术的发展进步,测量系统向模块化、微型化和超微型化发展,使得测量机构能够安置于飞机模型的内部,这样不仅可以实时测量数据并记录,不需要到试验后才进行判读和辨识,而且所测量的数据更加完整。     

关于提高低速风洞实验准精度问题

本文给出了DBM-01标模在DFVLR Gttingen 3米×3米低速风洞和CAE HARI 2.5米×3.5米 低速风洞对比实验的主要结果,并与国内规定的“标准参考曲线”和NACA TN 4041-4042的结果作了比较;分析了影响低速风洞实验数据准精度的主要因素;针对国内低速风洞现状,提出了提高低速风洞实验数据准精度的主要措施。 本文认为,应该立足于发展实验设备和测试技术,采取如下措施:即使用尾撑系统、盒式应变天平、实时测量的模型姿态角度仪和精良的数据采集和处理系统,才可能使国内低速风洞实验的准精度有一个实质性的明显提高。     

基于非接触测量技术的低速风洞连续扫描试验技术研究

基于Optotrak非接触光学测量系统,建立了风洞试验模型三维姿态角测量方法,实现了模型姿态角的高精度、实时、外触发时钟同步测量。基于该方法测量模型三维实时姿态角,在FL-14低速风洞开展了张线尾撑下YF-16飞机1∶9标模纵、横向连续扫描测力试验。试验结果表明,在0.3°/s的扫描速率下,连续扫描与步进试验数据比对一致性好,各气动分量同期重复性达到国军标合格或先进指标。连续扫描试验获得了更为详尽完整的气动特性信息,同时显著提升了试验效率。     

Accurate attitude estimation of HB2 standard model based on QNCF in hypersonic wind tunnel test

The accuracy of the HB2 standard model attitude measurement has an important impact on the hypersonic wind tunnel data assessment. The limited size of the model and the existence of external vibrations make it challenging to obtain real-time reliable attitude measurement. To reduce the influence of attitude errors on test results, this paper proposes a Quaternion Nonlinear Complementary Filter (QNCF) attitude determination algorithm based on Microelectromechanical Inertial Measurement Unit (MEMS-IMU). Firstly, the threshold-based PI control strategy is adopted to eliminate noise effect according to the Acceleration Magnitude Detector (AMD). Then, the flexible quaternion method is updated to carry out attitude estimation which is operational and easy to be embedded in the Field Programmable Gate Array (FPGA). Finally, a high-precision three-axis turntable test and a hypersonic wind tunnel test are performed. The results show that the pitch-roll attitude errors are within 0.05° and 0.08° in the high-precision three-axis turntable test in a calculation time of 100 s respectively, and the attitude error is within 0.3° after the elastic angle correction in the hypersonic wind tunnel test. The proposed method can provide accurate real-time attitude reference for the analysis of the actual movement of the model, exhibiting certain engineering application value with robustness and simplicity.     

2.4m跨声速风洞试验质量影响因素分析及改进措施研究

影响风洞试验质量的因素很多,如流场品质、测量系统误差、支撑干扰以及洞壁干扰等。主要对模型姿态角、马赫数、模型支撑系统等影响因素进行了改进研究。通过改进使模型迎角测量精度达到0.03°、Ma数控制精度达到0.003,并有效降低了支撑干扰影响,提高了2.4m跨声速风洞的试验质量。     

基于彩色编码的副油箱风洞模型位姿测量方法

高速飞行器副油箱分离位姿参数是飞行器以及副油箱设计的重要基础数据。位姿参数测量工作多在高度模拟飞行器飞行状态的风洞环境下进行,对缩比模型实施高速非接触测量。受风洞试验段观察视窗限制以及副油箱模型形状影响,副油箱模型位姿测量十分困难。首先针对风洞观察视窗以及风洞复杂环境对图像采集效果的影响,提出了基于自发光单元的副油箱运动序列图像采集方法,采用双目视觉系统高速采集获得目标物的清晰序列图像;其次,提出基于环绕式彩色编码的自发光标记点匹配方法,实现风洞复杂环境内标记点的高精度匹配;最后,根据副油箱表面合作标记点的三维坐标获取副油箱模型的位姿信息。试验结果表明:所提出的位姿测量方法满足测量要求,其最大位移误差不超过0.102mm、最大角度误差不超过0.201°。     

双目视觉绳系支撑飞行器模型位姿动态测量

绳牵引并联机器人（WDPR）为风洞试验提供了一种新型支撑方式，可用于多/六自由度风洞复杂动态试验。针对该支撑下飞行器模型的大范围运动，发展了一种基于双目视觉的模型位姿动态测量方法。首先，设计了一种编码合作标志点，合理布置于模型表面，通过图像处理消除绳对标志点成像干扰，进行标志点三维重构；然后，利用绝对定姿算法求解相对位姿初值，且给出了理论误差分析，并基于双目相机重投影误差构建李代数下的无约束最小二乘优化问题，采用L-M算法进行位姿优化；最后，采用该测量系统分别进行了静态和动态精度验证试验，以及大迎角俯仰振荡等3种单/多自由度典型运动轨迹测量。试验数据显示，静态角度和位移测量精度分别优于0.02°/0.02 mm；动态测量时角度精度可达到0.1°量级，位移平均误差为0.4 mm。研究结果表明：设计的双目视觉测量系统是有效可行的，可为后续风洞试验的实际应用提供支持。     

Installation error calibration for MEMS angular measurement system in hypersonic wind tunnel

The accuracy of model attitude measurement has an important impact on wind tunnel test results. Microelectromechanical System Inertial Measurement Unit (MEMS IMU) provides a feasible way to measure model attitudes with high accuracy. However, the installation error between MEMS IMU coordinate system and the body coordinate system of test models can make the accuracy of the model attitude measurement decrease. In wind tunnel tests, the installation error depends on the relationship between the IMU and the model mechanism before tests. Therefore, in-field calibration in wind tunnel tests is necessary to reduce installation errors. To improve attitude measurement accuracy, the least squares quaternion calibration method based on MEMS IMU and six-position calibration procedure are proposed. High-precision three-axis turntable tests are performed. The pitch accuracy after calibration is higher than that before calibration in the angle of attack sweeping tests. The Root-Mean-Square Errors (RMSE) in the roll and yaw are within 0.01°, which are smaller than those before calibration. In the roll sweeping tests, RMSE of three attitude angles decrease significantly. In hypersonic wind tunnel tests, the pitch errors before and after calibration are within 0.05° and 0.02° in the angle of attack sweeping tests without wind. In five angle of attack sweeping tests with wind, the deviation between the mean of the pitch and the pitch after the elastic angle correction is within 0.03° and the standard deviation of five tests is within 0.01°. The proposed method is confirmed to enhance the accuracy of attitude measurement effectively, which is convenient for engineering applications.