高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量

陈磊; 钟凯; 朱涛; 许晓斌; 王雄; 李中伟

doi:10.37188/OPE.2021.0169

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量

现代应用光学 | 更新时间：2026-09-12

- 高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量
- Visual three-dimensional measurement of aircraft flutter in hypersonic wind tunnel tests
- 光学精密工程 2021年29卷第8期页码：1811-1821
- 作者机构：
  
  1.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川绵阳 621000
  2.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉 430074
- 作者简介：
  
  陈　磊（1983-），男，陕西西安人，硕士，工程师，2006年于长春理工大学获得学士学位，2014年于西南科技大学获得硕士学位，主要从事流动显示与光学测量方面的研究。E-mail： 158229332@qq.com
  钟　凯（1985-），男，湖北武汉人，博士，副教授，硕士生导师，2007年、2009年、2013年于华中科技大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要从事材料加工中的视觉三维测量理论与技术方面的研究。E-mail： kaizhong@hust.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助(2020YFA0405700)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0169
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- 收稿：2021-04-02，
  
  修回：2021-05-26，
  
  纸质出版：2021-08-15
- 稿件说明：
移动端阅览
陈磊,钟凯,朱涛等.高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量[J].光学精密工程,2021,29(08):1811-1821.

CHEN Lei,ZHONG Kai,ZHU Tao,et al.Visual three-dimensional measurement of aircraft flutter in hypersonic wind tunnel tests[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1811-1821.
陈磊,钟凯,朱涛等.高超声速风洞试验段环境飞行器颤振的视觉三维测量[J].光学精密工程,2021,29(08):1811-1821. DOI： 10.37188/OPE.2021.0169.

CHEN Lei,ZHONG Kai,ZHU Tao,et al.Visual three-dimensional measurement of aircraft flutter in hypersonic wind tunnel tests[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(08):1811-1821. DOI： 10.37188/OPE.2021.0169.

摘要

测量高超声速风洞试验中模型颤振数据对飞行器安全设计至关重要，接触式传感器测量存在精度低、使用不便等缺点。本文采用非接触式立体视觉三维测量技术，测量试验过程中模型表面关键点的振动变形，为模型颤振分析提供基础数据。为了克服试验过程中试验段内的气压从真空到常压交替变化引起的强烈振动，通过设计视觉测量系统密封装置与气浮减振器，将视觉三维测量装备放置到

1 m高超声速风洞试验段内，并提出基于模型关键点与系统参数同时求解的系统参数自校准算法，消除试验段环境振动引起的测量误差。试验结果表明：在测量范围为1 m×1 m×1 m、相机分辨率为1 000×1 000 pixel时，系统的测量精度优于0.1 mm，满足高超声速风洞试验模型颤振的测量需求。

Abstract

The measurement of model flutter data in hypersonic wind tunnel tests is crucial for the safety design of aircraft. However， contact sensors yield a low measurement accuracy and are inconvenient to use. Therefore， this study adopts the non-contact 3D vision measurement technology to measure the vibration of key points on the surface of a model during the test process for the model flutter analysis. The existing measurement systems can only be placed outside the window glass of the test section. Owing to the limitation of the size of the window glass and the influence of the image distortion caused by the glass， the measurement accuracy cannot meet the requirements for the flutter measurement of a hypersonic wind tunnel test model. Placing the measuring system in the test section is an effective approach to solve the above-mentioned problems. However， in the test process， the air pressure in the test section alternates sharply between vacuum and normal pressure， with strong vibration； thus， the existing visual 3D measurement systems cannot be placed in the test section. In this study， through the design of the sealing device and the air floating shock absorber of the visual measurement system， the visual 3D measurement equipment， for the first time， is placed on the platform in the test section of a 1 m hypersonic wind tunnel， and a self-calibration algorithm based on the simultaneous solution of the key points of the model and the system parameters is proposed to eliminate the measurement error caused by the environmental vibration in the test section. The results indicate that in the measurement range of 1 m×1 m×1 m， the camera resolution is 1 000×1 000 pixels，and the measurement accuracy of the system can be greater than 0.1 mm，thereby meeting the requirements for the flutter measurement of a hypersonic wind tunnel test model.

关键词

Keywords

references

BERNELLI-ZAZZERA F ， MANTEGAZZA P ， MAZZONI G ， et al . Active flutter suppression using recurrent neural networks ［J］. Journal of Guidance ， Control， and Dynamics， 2000 ， 23 （ 6 ）： 1030 - 1036 .

NIEL F ， SEURET A ， ZACCARIAN L ， et al . Robust LQR control for stall flutter suppression： a polytopic approach ［J］. IFAC-PapersOnLine ， 2017 ， 50 （ 1 ）： 11367 - 11372 .

张晓辉 . 高超声速飞行器机翼颤振减损控制研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019 .

ZHANG X H . Damage-Mitigating Control for the Flutter of Hypersonic Flight Vehicle Airfoil ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2019 . （in Chinese）

钮耀斌 . 高超声速飞行器机翼非线性颤振研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2013 .

NIU Y B . Research on the Nonlinear Flutter for Wings of Hypersonic Vehicle ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2013 . （in Chinese）

伍波，王骑，廖海黎，等 . 不同风攻角下薄平板断面颤振机理研究［J］. 振动工程学报， 2020 ， 33 （ 4 ）： 667 - 678 .

WU B ， WANG Q ， LIAO H L ， et al . Flutter mechanism of thin flat plates under different attack angles ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2020 ， 33 （ 4 ）： 667 - 678 . （in Chinese）

牛华伟 . 气动导数识别的三自由度强迫振动法及颤振机理研究［D］. 长沙：湖南大学， 2008 .

NIU H W . The Research on Three Degree-of-freedom Forced Vibration Method for Identification of Aerodynamic Derivatives and Flutter Mechanism ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2008 . （in Chinese）

季辰，李锋，刘子强 . 高超声速风洞颤振试验技术研究［J］. 实验流体力学， 2015 ， 29 （ 4 ）： 75 - 80 .

JI CH ， LI F ， LIU Z Q . Research on flutter test technique in hypersonic wind tunnel ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2015 ， 29 （ 4 ）： 75 - 80 . （in Chinese）

伍济钢，邵俊，周根，等 . 基于双目视觉与特征匹配跟踪的薄壁件振动测量［J］. 激光与光电子学进展， 2020 ， 57 （ 10 ）： 252 - 258 .

WU J G ， SHAO J ， ZHOU G ， et al . Vibration measurement of thin-walled parts based on binocular vision and matchingand tracking of features ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2020 ， 57 （ 10 ）： 252 - 258 . （in Chinese）

李桂春 . 风洞试验光学测量方法［M］. 北京：国防工业出版社， 2008 .

LI G CH . Optical Instrumentation for Wind Tunnel testing ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 2008 . （in Chinese）

JONES T ， LUNSFORD C . Design and development of a real-time model attitude measurement system for hypersonic facilities ［C］. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit . 10 January 2005 - 13 January 2005， Reno， Nevada. Reston ， Virginia： AIAA ， 2005.

MANTIK J . Enhancement of the stereo pattern tracking technique for model deformation assessment at ETW ［C］. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition . 07 January 2013 - 10 January 2013， Grapevine （Dallas/Ft. Worth Region）， Texas. Reston ， Virginia： AIAA ， 2013.

ZHANG Z Y ， HUANG X H ， ZHOU R ， et al . Videogrammetric measurement techniques for high speed wind tunnel testing ［C］. Proceedings of the 2015 International Conference on Mechatronics ， Electronic ， Industrial and Control Engineering. April 1 - 3 ， 2015 . Shenyang， China. Paris ， France ： Atlantis Press ， 2015 .

谢明伟，盖文，褚卫华，等 . 基于双目立体视觉的风洞模型姿态测量研究［J］. 测控技术， 2016 ， 35 （ 12 ）： 34 - 37 .

XIE M W ， GAI W ， CHU W H ， et al . Binocular stereopsis system for model attitude measurement in wind tunnels ［J］. Measurement & Control Technology ， 2016 ， 35 （ 12 ）： 34 - 37 . （in Chinese）

马军，宋晋，刘蓓，等 . 立式风洞全视场尾旋姿态测量技术研究［J］. 实验流体力学， 2016 ， 30 （ 6 ）： 66 - 70， 104 .

MA J ， SONG J ， LIU B ， et al . Design and implementationfor full field of view measurement scheme in vertical wind tunnel ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2016 ， 30 （ 6 ）： 66 - 70， 104 . （in Chinese）

张征宇，喻波，罗川，等 . 2.4 m跨声速风洞的模型位移视频测量精度研究［J］. 实验流体力学， 2011 ， 25 （ 4 ）： 79 - 82 .

ZHANG ZH Y ， YU B ， LUO CH ， et al . Precision investigation on model displacement videogrammetric measurement in 2.4 m transonic wind tunnel ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2011 ， 25 （ 4 ）： 79 - 82 . （in Chinese）

张征宇，黄叙辉，尹疆，等 . 高速风洞试验中的视频测量技术进展［J］. 实验流体力学， 2015 ， 29 （ 2 ）： 1 - 7 .

ZHANG ZH Y ， HUANG X H ， YIN J ， et al . Progress of videogrammetric measurement techniques for high speed wind tunnel test ［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics ， 2015 ， 29 （ 2 ）： 1 - 7 . （in Chinese）

孙启志，巢根明，凌岗，等 . 高超声速风洞试验段优化设计［J］. 机械工程与自动化， 2019 （ 1 ）： 134 - 135， 138 .

SUN Q ZH ， CHAO G M ， LING G ， et al . Optimized design of hypersonic wind tunnel test section ［J］. Mechanical Engineering & Automation ， 2019 （ 1 ）： 134 - 135， 138 . （in Chinese）

JIA Z ， MA X ， LIU W ， et al . Pose measurement method and experiments for high-speed rolling targets in a wind tunnel ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2014 ， 14 （ 12 ）： 23933 - 23953 .

陈丁，吕计男，季辰，等 . 双目视觉技术在高超声速颤振风洞试验中的应用［J］. 实验力学， 2015 ， 30 （ 3 ）： 381 - 387 .

CHEN D ， LÜ J N ， JI CH ， et al . Application of binocular vision measurement in hypersonic flutter wind tunnel experiment ［J］. Journal of Experimental Mechanics ， 2015 ， 30 （ 3 ）： 381 - 387 . （in Chinese）

刘胜道，邢成聪，周国华 . 远距离三维坐标测量中双目视觉系统测量精度分析［J］. 激光与光电子学进展， 2021 ， 58 （ 14 ）： 439 - 445 .

LIU SH D ， XING CH C ， ZHOU G H . Measuring precision analysis of binocular vision system in remote 3D coordinate measurement ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2021 ， 58 （ 14 ）： 439 - 445 .

朱帆，于芳苏，吴易明，等 . P4P法相机姿态标定精度分析［J］. 光学学报， 2018 ， 38 （ 11 ）： 1115005 .

ZHU F ， YU F SH ， WU Y M ， et al . Analysis of attitude calibration precision of P4P camera ［J］. Acta Optica Sinica ， 2018 ， 38 （ 11 ）： 1115005 . （in Chinese）

陈然 . 基于立体视觉的风洞模型三维变形与姿态测量技术研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2019 .

CHEN R . Stereo-vison Based 3 D Deformation and Attitude Measurement of Models in Wind Tunnel Test ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2019 . （in Chinese）

张广军 . 机器视觉［M］. 北京：科学出版社， 2005 .

ZHANG G J . Machine Vision ［M］. Beijing ： Science Press ， 2005 . （in Chinese）

浏览量

1152

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

机械臂辅助的微小光电传感组件精密装配方法

基于双目视觉与罗德里格斯旋转的机械臂全工作空间域绝对定位精度提升方法

窗口玻璃畸变校正下的自由飞模型姿态测量技术研究

非公共视场双目相机位姿标定

地基空间目标望远镜全天时探测能力特性模型设计及实现