立式風(fēng)洞全視場尾旋姿態(tài)測量技術(shù)研究

馬 軍，宋 晉，劉 蓓，秦三春，熊建軍，蔣 敏

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000；2.重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400044）

立式風(fēng)洞全視場尾旋姿態(tài)測量技術(shù)研究

馬 軍1，＊，宋 晉1，2，劉 蓓1，秦三春1，熊建軍1，蔣 敏1

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000；2.重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400044）

尾旋運動是飛機的一種非正常的極限飛行狀態(tài)，復(fù)雜并且危險，極易造成飛行事故。在立式風(fēng)洞中開展尾旋實驗是研究尾旋現(xiàn)象的主要技術(shù)手段之一，目的是為了獲取實驗過程中模型飛機的姿態(tài)角，用于對其尾旋特性進行分析。針對尾旋實驗運動狀態(tài)的特點，以及雙目測量系統(tǒng)在以往實驗應(yīng)用中的缺陷，設(shè)計了一種全視場測量方案，并圍繞其關(guān)鍵技術(shù)問題開展了研究，使用編碼標(biāo)記識別技術(shù)實現(xiàn)特征標(biāo)記的自動識別，通過基于剛體的三維重建技術(shù)實現(xiàn)模型姿態(tài)的測量，采用基于共同基準(zhǔn)平面的數(shù)據(jù)標(biāo)定方法實現(xiàn)多視角姿態(tài)數(shù)據(jù)的有效融合。通過立式風(fēng)洞尾旋實驗驗證了該技術(shù)的有效性及可靠性，實驗結(jié)果曲線完整，圖像利用率達到了95%，為尾旋運動特性分析提供了更加豐富的數(shù)據(jù)支撐。

尾旋；立式風(fēng)洞；編碼標(biāo)記；全視場

0 引 言

在立式風(fēng)洞中開展尾旋自由飛實驗是研究失速尾旋現(xiàn)象的一種重要的手段，實驗主要獲取的參數(shù)是尾旋過程中模型飛機的姿態(tài)角，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)大多數(shù)采用基于機器視覺的技術(shù)進行研究［1－8］?；跈C器視覺的尾旋姿態(tài)測量方法通過在模型機身上粘貼圓、十字等特征標(biāo)記，識別并計算這些標(biāo)記點的三維坐標(biāo)，通過坐標(biāo)值來擬合模型的橫軸和縱軸，再應(yīng)用三角函數(shù)關(guān)系來計算尾旋姿態(tài)參數(shù)。但由于尾旋實驗屬于動態(tài)實驗，一方面，模型運動范圍較大，標(biāo)記的位置會隨著模型的運動出現(xiàn)大幅度的移動，標(biāo)記匹配難度大，無法使用位置信息進行判別。雖然可以通過多個標(biāo)記之間的幾何位置關(guān)系來作為判別條件，對于一些典型姿態(tài)該方法能起到一定的作用，但尾旋實驗中模型的姿態(tài)是時刻變化的，該判別條件在大多數(shù)非典型姿態(tài)下都是失效的，而對于立體視覺技術(shù)而言，標(biāo)記區(qū)分錯誤會導(dǎo)致圖像的匹配錯誤，進而解算出錯誤的姿態(tài)角。另一方面，標(biāo)記容易被遮擋，測量視場存在盲區(qū)。雙目測量系統(tǒng)的2部相機固定安裝在某一位置，而實驗過程中模型處于旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，模型表面粘貼的標(biāo)記容易被遮擋，使得采集圖像中缺少用于姿態(tài)解算的標(biāo)記位置信息。此外，當(dāng)模型運動幅度較大時，尤其是尾旋改出的時候，模型往往會飛出測量相機的視場范圍，雖然調(diào)整鏡頭放大視場可以將整個尾旋過程限定在視場之內(nèi)，但這會使模型上的標(biāo)記在圖像中所占像素太少，不能準(zhǔn)確識別標(biāo)記。

正是由于標(biāo)記遮擋、視場盲區(qū)和多標(biāo)記區(qū)分匹配難度大等問題，導(dǎo)致尾旋運動姿態(tài)測量數(shù)據(jù)不連續(xù)、不完整，影響尾旋特性的分析，需要設(shè)計更加有效的方法，對該項測量技術(shù)進行改進和完善。

圖1 系統(tǒng)相機布局設(shè)計Fig.1 System cameras arrangement

1 總體方案設(shè)計

針對上述尾旋姿態(tài)測量方法中存在的問題，在雙目測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計提出了全視場風(fēng)洞尾旋姿態(tài)測量方案。全視場測量是指覆蓋尾旋運動全過程全范圍的姿態(tài)測量。由于尾旋實驗中模型運動范圍較大，一組雙目測量系統(tǒng)的視場范圍有限，只能側(cè)重于穩(wěn)定尾旋或尾旋改出階段，無法兼顧兩者，且從單一的測量視角采集到的圖像有時會出現(xiàn)標(biāo)記遮擋現(xiàn)象，造成了數(shù)據(jù)丟失。因此提出了一種采用2組雙目測量系統(tǒng)協(xié)同工作的方案，使2組系統(tǒng)的視場分別側(cè)重于穩(wěn)定尾旋和尾旋改出階段，同時又有一定程度的交叉，全視場測量系統(tǒng)的視場覆蓋尾旋運動的全過程，且從2個視角采集圖像，可以消除采集角度不佳及標(biāo)記被遮擋的所帶來的影響。

1.1 測量視場布局

系統(tǒng)布局采用4部CCD相機，分為A、B 2組，每組各2部相機，分別進行相機標(biāo)定，形成2組雙目測量子系統(tǒng)，4部相機通過外部TTL同步信號實現(xiàn)同步觸發(fā)采集。其中A組主要測量穩(wěn)定尾旋階段，將視場聚焦在實驗段中心。B組主要測量尾旋改出階段，與A組相機大致呈90°夾角，視場聚焦在實驗段邊緣處，如圖1所示。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)硬件采用PXI－E總線平臺，機箱為NI公司的PXI－E 1082，嵌入式控制器為PXI－E 8133，圖像采集卡接口采用Camera Link標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可提供最高為680Mb／s的帶寬，滿足采集頻率為20 Hz時圖像的實時傳輸存儲需求。4塊NI PXI－1428分別對4部CCD相機進行采集控制，CCD相機采用JAI公司的CV－M4＋CL單色相機，最大分辨率1380 pixel×1040 pixel，采集頻率24 Hz（全幅面）。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)的軟件主要包括圖像采集模塊、參數(shù)標(biāo)定模塊、標(biāo)記識別模塊、三維重構(gòu)模塊和數(shù)據(jù)融合模塊。圖像采集模塊包括單幀抓取及連續(xù)采集的功能，單幀抓取模式主要用于測量系統(tǒng)標(biāo)定，連續(xù)采集模式主要用于實驗圖像的采集與存貯。參數(shù)標(biāo)定模塊用于確定測量系統(tǒng)基準(zhǔn)，標(biāo)記識別模塊用于編碼標(biāo)記的自動識別，三維重構(gòu)模塊用于模型姿態(tài)解算，數(shù)據(jù)融合模塊用于測量結(jié)果的銜接融合。

2 關(guān)鍵技術(shù)

圖2 編碼標(biāo)記Fig.2 Coded marker

2.1 編碼標(biāo)記識別算法

為實現(xiàn)人工標(biāo)記的自動準(zhǔn)確匹配，本文采用了一種編碼標(biāo)記作為識別目標(biāo)。編碼標(biāo)記如圖2所示。編碼標(biāo)記中心為圓形目標(biāo)點，周圍是與其同心的分段環(huán)狀，用來對標(biāo)記進行編碼稱為編碼環(huán)帶。圓環(huán)等分為8份，每份45°，作為一個二進制位。

圖像識別算法分為3步：

（1）二值化與邊緣檢測。標(biāo)記圖像的灰度直方圖具有雙峰的特征，使用自適應(yīng)的最大類間方差法（OTSU法）［910］，把圖像的灰度數(shù)按灰度級分成目標(biāo)和背景2個部分，根據(jù)計算所得方差來尋求一個適當(dāng)?shù)幕叶戎颠M行劃分，可實現(xiàn)自動選取閾值進行二值化。再通過Canny算子進行邊緣檢測，通過一階微分的極大值確定邊緣點［11］。

（2）基于二次曲線的橢圓中心定位。編碼標(biāo)記點的內(nèi)部圓形經(jīng)CCD成像后變?yōu)闄E圓，因此對圓心的定位操作也就是檢測橢圓中心點的操作［12］。設(shè)橢圓方程為：

獲得參數(shù)向量矩陣β＝［A，B，C，D，E，F(xiàn)］，進而計算中間參數(shù)：

獲取橢圓中心在圖像上的二維坐標(biāo)Cu、Cv如下：

（3）編碼環(huán)帶解碼。找到圓心在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，對中心橢圓進行逆仿射變換，使其成為單位圓。并根據(jù)圓心角計算該編碼環(huán)帶上所包含的0或1的個數(shù)，記錄成8位的二進制，移位取最小數(shù)值作為編碼值。

通過以上3個步驟可以完成編碼標(biāo)記的識別，識別效果如圖3所示。

圖3 編碼標(biāo)記識別效果Fig.3 Coded marker recognition effect

2.2 特征點三維重建

雙目測量系統(tǒng)利用立體視差的原理，使用已經(jīng)標(biāo)定過的2部相機獲得同一場景點P的2幅左右不同的圖像I1、I2，通過尋找P點在左右2幅圖像上的匹配像點P1（U1，V1）和P2（U2，V2），再通過標(biāo)定參數(shù)來獲取該點的空間三維坐標(biāo)信息。

空間點P在雙目測量系統(tǒng)中的成像關(guān)系如圖4所示。OwXwYwZw為空間世界坐標(biāo)；C1、C2表示左右2部相機；O1、O2分別為2部相機對應(yīng)的光心位置?？臻g點P點在相機C1上成像的圖像點為p1，圖像的二維坐標(biāo)為（ul，vl），P點在相機C2上成像點為p2，圖像的二維坐標(biāo)為（ur，vr）。當(dāng)世界坐標(biāo)系建立在左相機C1上，以針孔模型為攝像機成像模型，則根據(jù)空間幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出空間點P（x，y，z）的三維坐標(biāo)。

圖4 雙目測量系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of binocular stereo vision

2.3 基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的姿態(tài)角算法

模型飛機的姿態(tài)角可以通過體軸系和風(fēng)軸系的坐標(biāo)軸和平面之間的關(guān)系來描述。俯仰角α為體軸系縱軸OpXp與風(fēng)軸系平面XwOwYw的夾角，可以轉(zhuǎn)化為體軸系縱軸OpXp與風(fēng)軸系豎軸OwZw之間夾角；偏航角β為體軸系縱軸OpXp在風(fēng)軸系XwOwYw面的投影與OwXw之間的夾角；滾轉(zhuǎn)角為體軸系橫軸OpYp與風(fēng)軸系平面XwOwYw的夾角γ，可以轉(zhuǎn)化為體軸系橫軸OpYp與風(fēng)軸系豎軸OwZw之間的夾角。

在實驗準(zhǔn)備階段，首先利用三坐標(biāo)測量機獲得體軸系中粘貼在飛機上編碼標(biāo)記圓心三維坐標(biāo)，記為（xi，yi，zi）（i＝1，2…n）。在風(fēng)洞實驗中通過雙目測量系統(tǒng)獲取風(fēng)軸系下飛機上編碼點三維坐標(biāo)，記為（Xi，Yi，Zi）（i＝1，2…n）。對于2個坐標(biāo)系的關(guān)系，只需要找到2個坐標(biāo)系下3個以上公共三維點就可以計算出2個坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系。設(shè)體軸系到風(fēng)軸系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（4）所示：

要獲取參數(shù)R和T，只需要3個編碼標(biāo)記點分別體軸系和風(fēng)軸系下的坐標(biāo)值便可計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算過程詳見文獻［13］。將體軸系下的OpXp和OpYp向量轉(zhuǎn)換到風(fēng)軸系OwXwYwZw下，即：

取單位向量，OpXp＝［1，0，0］，OpYp＝［0，1，0］；OpXp′與OpYp′為轉(zhuǎn)換到風(fēng)軸系下的向量；OpXp″為OpXp′在XwOwYw平面上的投影，R，T為OpXpYpZp到OwXwYwZw的轉(zhuǎn)換參數(shù)。設(shè)OwZw＝［0，0，1］，則3個角度可以通過式（6）獲得：

2.4 模型姿態(tài)數(shù)據(jù)融合方法

A、B 2組立體視覺系統(tǒng)雖然是分別標(biāo)定，但采用的方法均為張正友提出的平板標(biāo)定法［14］，該算法建立的測量坐標(biāo)系軸向取決于第一張標(biāo)定圖片。因此只要2組立體視覺系統(tǒng)共用第一張標(biāo)定圖像，那么2組測量系統(tǒng)的標(biāo)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系就是統(tǒng)一的，雖然經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的測量坐標(biāo)系原點分別落在2組雙目系統(tǒng)的左相機處，但坐標(biāo)軸系還是方向一致的。尾旋實驗過程中的3個姿態(tài)角都是相對于坐標(biāo)軸方向解算出的角度，因此在2組相機的公共視場內(nèi)獲取的結(jié)果數(shù)據(jù)是一致的。A、B 2組系統(tǒng)同步采集圖像，獲取2組數(shù)據(jù)，由于2組系統(tǒng)的相機視場既有交匯又各有側(cè)重點，因此除公共視場內(nèi)的相同點外，2組數(shù)據(jù)中的斷點大致可形成互補的形態(tài)，通過2組數(shù)據(jù)的拼接組合，就形成了一條新的數(shù)據(jù)曲線，消除了斷點，提高了數(shù)據(jù)完整性。

具體方法為：2組CCD相機所獲取的數(shù)據(jù)是相互獨立的，當(dāng)只有其中一組相機獲取的圖像能夠識別計算出姿態(tài)數(shù)據(jù)時，則選取該組數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)；當(dāng)2組相機都獲取到姿態(tài)數(shù)據(jù)時，則需要依據(jù)測量誤差量值，選取誤差較小的數(shù)據(jù)點作為有效數(shù)據(jù)。姿態(tài)角計算精度取決于三維坐標(biāo)重建的精度，因此，在判定姿態(tài)角測量精度時，將風(fēng)洞坐標(biāo)系下重建的三維特征點坐標(biāo)對齊到機身坐標(biāo)系下的三維特征點坐標(biāo)，然后比較同一坐標(biāo)系下對應(yīng)三維點的點距，即：

式中：ei表示坐標(biāo)重建的誤差，代表了姿態(tài)角的測量誤差。選擇誤差值較小的點作為有效數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的有效融合。

3 實 驗

3.1 實驗設(shè)備

在Φ5m立式風(fēng)洞開展尾旋驗證實驗，所采用的實驗設(shè)備主要如下：

（1）CCD相機：用于采集原始實驗圖像。

（2）PXI控制系統(tǒng)：用于控制相機，計算數(shù)據(jù)。

（3）三坐標(biāo)測量儀：測量編碼標(biāo)記在機體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

（4）8位編碼標(biāo)記帖：粘貼在模型表面用于識別的人工標(biāo)記。

3.2 實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析

為保障該技術(shù)針對不同的尾旋狀態(tài)均有較好的實驗效果，通過全視場系統(tǒng)和雙目測量系統(tǒng)開展了不同狀態(tài)的對比實驗，以滿足考核的全面性，具體如下：正飛平尾旋2次；倒飛平尾旋2次；倒飛振蕩尾旋1次。4個CCD攝錄的典型實驗圖像如圖5所示，典型對比數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

圖5 4個CCD攝錄的典型實驗圖像Fig.5 Typicaltest images of 4 CCD cameras

通過圖6的對比曲線可以發(fā)現(xiàn)雙目測量系統(tǒng)缺失的數(shù)據(jù)點較多，圖像利用率在60%左右，而全視場系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)曲線斷點較少，根據(jù)表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在不同的尾旋狀態(tài)下，圖像利用率可達到95%。

圖6 典型對比數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Curves of typical contrastive data

表1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of test data

4 結(jié) 論

針對尾旋運動狀態(tài)的特點，設(shè)計了一種基于編碼標(biāo)記識別技術(shù)和2組雙目測量系統(tǒng)的全視場測量方案，并圍繞其關(guān)鍵技術(shù)問題開展了研究，采用編碼標(biāo)記識別技術(shù)實現(xiàn)特征標(biāo)記的自動識別，采用基于剛體的三維重建技術(shù)實現(xiàn)模型姿態(tài)的準(zhǔn)確測量、采用基于共同基準(zhǔn)平面的數(shù)據(jù)標(biāo)定方法實現(xiàn)多視角姿態(tài)數(shù)據(jù)的有效融合。實驗結(jié)果表明該技術(shù)能夠為尾旋運動特性分析提供更加豐富的數(shù)據(jù)支撐。

［1］羅武勝，李沛，李冠章，等.基于計算機視覺的尾旋運動姿態(tài)測量方法［J］.兵工學(xué)報，2009，30（6）：820－824.Luo W S，Li P，Li G Z，et al.A method of measuring poses of the aircraft model based computer vision［J］.Acta Armamentar，2009，30（6）：820－824.

［2］宋晉，馬軍，蔣敏，等.基于立體視覺系統(tǒng)的風(fēng)洞尾旋試驗測量方法研究［J］.計算機測量與控制，2011，19（11）：2646－2648.Song J，Ma J，Jiang M，et al.Measurement method research of spin test in wind tunnel based on stereo vision system［J］.Computer Measurement ＆Control，2011，19（11）：2646－2648.

［3］黃會明，劉先勇，馬軍，等.飛機尾旋三維測量試驗的改進方法［J］.實驗流體力學(xué)，2013，27（2）：77－81.Huang H M，Liu X Y，Ma J，et al.The improvement method in 3－D measurement of airplane free－spin［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2013，27（2）：77－81.

［4］Yan S.Theoretic research on effective viewing field of spin vision measurement system［J］.ProcSpie，2008，7133：71330N－71330N－6.

［5］Li P，Luo W S，Li G Z，et al.Stereo vision for spin tests in the vertical wind tunnel［C］／／First IEEE International Conference on information Science and Engineering，IEEE Computer Society，2009.

［6］Song J，Ma J，Jiang M，et al.Measurement based on machine vision for spin test in vertical wind tunnel［C］／／Electrical ＆E－lectronics Engineering，2012.

［7］Shorts M R，Snow W L.Videometric tracking of wind tunnel aerospace models at NASA Langley research center［C］／／The Thompson Symposium，University of York，1996：673－689.

［8］Michael Fremaux C.Spin－tunnel investigation of a 1／28－scale model of the NASA F－18 High Alpha Research Vehicle（HARV）with and without vertical tails［R］.NASA contractor report，1997.

［9］胡穎.Otsu算法的研究及改進［J］.棗莊學(xué)院學(xué)報，2009，26（5）：68－72.Hu Y.Study and improve of Otsu algorithm［J］.Journal of Zaozhuang University，2009，26（5）：68－72.

［10］胡敏，李梅，汪榮貴.改進的Otsu算法在圖像分割中的應(yīng)用［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2010，24（5）：443－448.Hu M，Li M，Wang R G.Application of an improved Otsu algorithm in image segmentation［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2010，24（5）：443－448.

［11］王克剛，耿國華.Canny邊緣檢測改進中的自適應(yīng)平滑與增強［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2008，28（3）：577－579.Wang K G，Geng G H.An improved Canny edge detection based on adaptive smoothing and enhancement［J］.Jorunal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28（3）：577－579.

［12］黃會明，劉先勇，段康容.用于機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的基于二次曲線的橢圓估計［J］.傳感器世界，2011，（6）：10－14.Huang H M，Liu X Y，Duan K R.Estimation of ellipse based on the conic for machine vision［J］.Sensor World，2011，（6）：10－14.

［13］王保豐，徐寧，余春平，等.兩種空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)初值快速計算的方法［J］.宇航計測技術(shù)，2007，27（4）：20－24.Wang B F，Xu N，Yu C P，et al.Quick arithmetics for the transformation approximation of two space rectangular coordinate systems［J］.Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2007，27（4）：20－24.

［14］Zhang Z Y.A flexible new technique for camera calibration［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（11）：1330－1334.

Design and implementationfor full field of view measurement scheme in vertical wind tunnel

Ma Jun1，＊，Song Jin1，2，Liu Bei1，Qin Sanchun1，Xiong Jianjun1，Jiang Min1
（1.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.School of Automation Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Spin is a kind of abnormal state of aircraft，complicated and dangerous.It can easily cause flight accident.Spin experiment in vertical wind tunnel is one of the main research technical means.The purpose is to obtain the attitude angle of model aircraft in experimental process，for analysis of its spin characteristics.The paper concentrates its attention on the characteristics of spin motion and the application defect of binocular measurement system in previous experiments.The full field of view measurement scheme is designed，and the research for the key technologies is carried out.The coded marker recognition technology is adopted to realize feature automatic identification.The 3D reconstruction technology based on rigid body is adopted to realize the measurement of model attitude.The date calibration based on the same reference plane is adopted to realize the effective data fusion within multiple angles of view.The effectiveness and reliability of the measurement technology is proved by spin experiment in vertical wind tunnel.The experiment curves are complete，and the image utilization reaches 95%.It provides richer data for characteristics analysis of spin phenomenon.

spin；vertical wind tunnel；coded marker；full field of view

V211.71

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0066－06

10.11729／syltlx20160087

2016－06－02；

2016－10－11

＊通信作者E－mail：292384225＠qq.com

Ma J，Song J，Liu B，et al.Design and implementationfor full field of view measurement scheme in vertical wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：66－70，104.馬 軍，宋 晉，劉 蓓，等.立式風(fēng)洞全視場尾旋姿態(tài)測量技術(shù)研究.實驗流體力學(xué)，2016，30（6）：66－70，104.

馬 軍（1974－），男，重慶人，高級工程師。研究方向：軟件工程、非接觸測量。通信地址：四川綿陽中國空氣動力研究與發(fā)展中心（621000）。E－mail：292384225＠qq.com