一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，包括以下步驟：（a）用三維激光掃描儀掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云；（b）將掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)；（c）沿風(fēng)洞軸線方向?qū)?nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距剖切，在每個(gè)剖切面上可獲得風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線；（d）將風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上的點(diǎn)進(jìn)行等間距處理，并計(jì)算每個(gè)剖切面上等間距處理后點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)；（e）根據(jù)內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出一條直線，該直線為基準(zhǔn)軸線；（f）計(jì)算風(fēng)洞內(nèi)各站內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)到對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)軸線的距離。其解決了風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度誤差的全面檢測問題。
【專利說明】—種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種同軸度的檢測方法，尤其涉及一種用于風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)洞內(nèi)型面的質(zhì)量和精度是影響風(fēng)洞內(nèi)模擬風(fēng)場品質(zhì)的重要因素，風(fēng)洞各部段的型面同軸度偏差會(huì)影響空氣流場的特性參數(shù)，導(dǎo)致風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，在風(fēng)洞工程建設(shè)中，對(duì)于風(fēng)洞內(nèi)型面的同軸度提出了很高的要求。目前，由于風(fēng)洞內(nèi)型面尺寸大，形狀復(fù)雜多樣，且傳統(tǒng)測量儀器和測量方法只能對(duì)少數(shù)離散單點(diǎn)進(jìn)行測量，無法獲取型面的整體三維空間信息，不能對(duì)內(nèi)型面同軸度進(jìn)行有效的全面檢測。
[0003]根據(jù)《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差形狀、方向、位置和跳動(dòng)公差標(biāo)注》(GB/T1182-2008)中關(guān)于同軸度誤差的定義，同軸度是指被測圓柱面軸線對(duì)基準(zhǔn)軸線不共軸的程度。根據(jù)定義，用與基準(zhǔn)軸線同軸的圓柱面來包容被測物體的實(shí)測軸線，在被測長度內(nèi)，最小包容圓柱面的直徑即為同軸度誤差值。風(fēng)洞內(nèi)型面的截面形狀有矩形、八邊形，與定義中所述圓柱面不同，且風(fēng)洞尺寸較大，工業(yè)領(lǐng)域的同軸度檢測方法無法應(yīng)用于風(fēng)洞內(nèi)型面的檢測。
[0004]近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展，已逐漸應(yīng)用于地形測繪、基坑監(jiān)測、工業(yè)測量等領(lǐng)域，成為繼GPS技術(shù)之后的又一項(xiàng)測繪技術(shù)革命。三維激光掃描能快速獲取目標(biāo)物體表面大量采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，得到一個(gè)描述三維實(shí)體的點(diǎn)集合，即點(diǎn)云。因此，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度檢測問題提供了新的思路。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，其利用三維激光掃描儀能夠高效率、高精度獲取風(fēng)洞內(nèi)型面大量空間點(diǎn)坐標(biāo)信息的優(yōu)勢,將實(shí)際內(nèi)型面的空間幾何信息以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式復(fù)制到計(jì)算機(jī)中，通過分析內(nèi)型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)解決了風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度誤差的高精度全面檢測問題。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，風(fēng)洞中設(shè)置有至少兩個(gè)站，風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法包括以下步驟:(a)用三維激光掃描儀沿風(fēng)洞軸線方向掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云；(b)將掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)；(c)沿風(fēng)洞軸線方向?qū)?nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距剖切，在每個(gè)剖切面上可獲得風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線，該相交線由一系列離散線構(gòu)成；(d)將風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上的離散點(diǎn)進(jìn)行等間距處理，并計(jì)算每個(gè)剖切面上等間距處理后的點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)；(e)根據(jù)內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出一條直線，該直線為基準(zhǔn)軸線；(f)計(jì)算風(fēng)洞內(nèi)各站內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)到對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。[0007]優(yōu)選地，步驟(a)具體過程為將三維激光掃描儀置于風(fēng)洞內(nèi)部，使三維激光掃描儀的激光發(fā)射器發(fā)射的激光掃描風(fēng)洞內(nèi)型面,獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三維激光掃描儀接收器接收。
[0008]優(yōu)選地，在步驟(a)中，測量風(fēng)洞內(nèi)型面的方法具體為在風(fēng)洞中的相鄰兩站之間布設(shè)至少三個(gè)標(biāo)靶球；每站可通視區(qū)域設(shè)置至少三個(gè)標(biāo)靶板，并采用全站型電子速測儀測量標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)。
[0009]優(yōu)選地，在步驟(b)中統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的方法具體為:根據(jù)標(biāo)靶球和標(biāo)靶板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)，將各站掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)。
[0010]優(yōu)選地，在步驟(e)中，擬合基準(zhǔn)軸線的具體方法為:對(duì)于風(fēng)洞內(nèi)與風(fēng)洞收縮段同軸的區(qū)域，以收縮段區(qū)域的內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線；對(duì)于除與收縮段同軸的區(qū)域以外的其他區(qū)域，以同軸各區(qū)域內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線。
[0011]本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)勢在于:利用三維激光掃描儀能夠高效率、高精度獲取內(nèi)型面大量空間點(diǎn)坐標(biāo)信息的優(yōu)勢，將實(shí)際內(nèi)型面的空間幾何信息以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式復(fù)制到計(jì)算機(jī)中，通過分析內(nèi)型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)解決了風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度誤差的高精度全面檢測問題。該方法與傳統(tǒng)檢測方法相比，能獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的完整空間幾何信息，檢測結(jié)果精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為三維激光掃描儀掃描獲取的風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云變換到同一坐標(biāo)系中的示意圖；
[0013]圖2為剖切后獲得的內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線示意圖；
[0014]圖3為內(nèi)型面的點(diǎn)云與一個(gè)剖切面的相交線上的離散點(diǎn)集及該離散點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面，通過示例性的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進(jìn)一步敘述的情況下，一個(gè)實(shí)施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實(shí)施方式中。
[0016]本發(fā)明公開了一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，風(fēng)洞中設(shè)置有至少兩個(gè)站，該站的劃分是根據(jù)三維激光掃描儀的有效掃描范圍以及風(fēng)洞內(nèi)可通視范圍綜合考慮劃分的，其中風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法包括以下步驟:Ca)用三維激光掃描儀沿風(fēng)洞軸線方向掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體過程為將三維激光掃描儀置于風(fēng)洞內(nèi)部，使三維激光掃描儀的激光發(fā)射器發(fā)射的激光沿風(fēng)洞軸線方向掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三維激光掃描儀接收器接收。其中優(yōu)選地，測量風(fēng)洞內(nèi)型面的方法具體為在風(fēng)洞中的相鄰兩站之間布設(shè)至少三個(gè)標(biāo)靶球，標(biāo)靶球的優(yōu)選布設(shè)方法為標(biāo)靶球盡量共面，但不要共線；每站可通視區(qū)域設(shè)置至少三個(gè)標(biāo)靶板，并采用全站型電子速測儀測量標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)，該全站型電子速測儀的測角精度優(yōu)選為±0.5〃 ；[0017](b)將掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)；上述優(yōu)選測量風(fēng)洞內(nèi)型面方法的實(shí)施方式中，具體為:根據(jù)標(biāo)靶球和標(biāo)靶板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)，將各站掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)；如圖1所示，即為上述三維激光掃描儀掃描獲取的風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云變換到同一坐標(biāo)系后的不意圖。
[0018](C)沿風(fēng)洞軸線方向?qū)?nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距剖切，在每個(gè)剖切面上可獲得風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線，如圖2所示，該相交線由一系列離散線構(gòu)成；
[0019](d)通過插值計(jì)算，將風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上的離散點(diǎn)進(jìn)行等間距處理，并計(jì)算每個(gè)剖切面上等間距處理后的離散點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)。具體算法如下:設(shè)某一剖切面相交線上的離散線包含η個(gè)點(diǎn),第i個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi, yi; Zi),質(zhì)量為Pi,則該離散線內(nèi)點(diǎn)集的質(zhì)心坐標(biāo)(X。，1。，z0)為:
[0021]由于點(diǎn)等間距分布，設(shè)各點(diǎn)的質(zhì)量相同，由上式可得，質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)即為各點(diǎn)坐標(biāo)的平均值；如圖3所示，即為內(nèi)型面的點(diǎn)云與一個(gè)剖切面的相交線上的離散點(diǎn)集及該離散點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)示意圖，圖中所示的中心點(diǎn)即為質(zhì)心點(diǎn)。
[0022](e)根據(jù)內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出一條直線，該直線為基準(zhǔn)軸線，具體為:對(duì)于風(fēng)洞內(nèi)與收縮段同軸的區(qū)域，以收縮段區(qū)域的內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線，對(duì)于除與收縮段同軸的區(qū)域以外的其他區(qū)域 ，以同軸各區(qū)域內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線；擬合基準(zhǔn)軸線的具體方法如下:
[0023]首先根據(jù)各剖切面上求得的質(zhì)心點(diǎn)的X坐標(biāo)和y坐標(biāo)采用最小二乘法擬合出空間直線在xy平面上的投影方程:
[0024]aj+bj+d! = O
[0025]根據(jù)X坐標(biāo)和z坐標(biāo)擬合出空間直線在XZ平面上的投影方程:
[0026]a2x+c2z+d2 = O
[0027]則空間直線即軸線的一般方程為:
「α,χ + Av + iii = O
[0028]! n
[a2x + c2z + a2 = O
[0029]由一般方程可求出參數(shù)式方程:
X = X0 + bxc2t
[0030]I y = }], - O1C2I
Z = Z0- a2byt
[0031]式中，t為參數(shù)，(x0, y0, z0)為直線上任取一點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0032](f)計(jì)算各站內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)到對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。具體方法如下:
[0033]設(shè)某一剖切平面上的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)為(Xj，Yj, Zj)，則過該點(diǎn)與基準(zhǔn)軸線垂直的平面方程為:
[0034] Id1C2 (X-Xj) -B1C2 (y-yj) ^b1 (ζ_ζ」)=O
[0035]將基準(zhǔn)軸線的參數(shù)方程代入平面方程可求得基準(zhǔn)軸線與垂直平面的交點(diǎn)坐標(biāo)(xk, yk, zk),利用空間兩點(diǎn)的距離公式即可求出點(diǎn)(X」，y」，Zj)與點(diǎn)(xk, yk, zk)的距離，即點(diǎn)(Xj, Yj, Zj)到基準(zhǔn)軸線的距離。按照該方法求出同軸各段所有剖切面上的質(zhì)心點(diǎn)到基準(zhǔn)軸線的距離，其中距離最大值Clmax即為與基準(zhǔn)軸線同軸且包容所有質(zhì)心點(diǎn)(即實(shí)測軸線)的最小包容圓柱面的半徑，直徑2dmax即為同軸度偏差值。
[0036]可以理解，本發(fā)明是通過一些實(shí)施例進(jìn)行描述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員知悉的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)這些特征和實(shí)施例進(jìn)行各種改變或等效替換。另外，在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以對(duì)這些特征和實(shí)施例進(jìn)行修改以適應(yīng)具體的情況及材料而不會(huì)脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不受此處所公開的具體實(shí)施例的限制，所有落入本申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍內(nèi)的實(shí)施例都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，風(fēng)洞中設(shè)置有至少兩個(gè)站，其特征在于，風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法包括以下步驟: (a)用三維激光掃描儀沿風(fēng)洞軸線方向掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云； (b)將掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)； (c)沿風(fēng)洞軸線方向?qū)?nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距剖切，在每個(gè)剖切面上可獲得風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線，該相交線由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成； (d)將風(fēng)洞內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上的離散點(diǎn)進(jìn)行等間距處理，并計(jì)算每個(gè)剖切面上等間距處理后點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)； (e)根據(jù)內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出一條直線，該直線為基準(zhǔn)軸線； (f)根據(jù)插值計(jì)算，計(jì)算風(fēng)洞內(nèi)各站內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)到對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，其特征在于，步驟(a)具體過程為將三維激光掃描儀置于風(fēng)洞內(nèi)部，使三維激光掃描儀的激光發(fā)射器發(fā)射的激光沿風(fēng)洞軸線方向掃描風(fēng)洞內(nèi)型面，獲取風(fēng)洞內(nèi)型面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三維激光掃描儀接收器接收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，其特征在于，在步驟(a)中，測量風(fēng)洞內(nèi)型面的方法具體為在風(fēng)洞中的相鄰兩站之間布設(shè)至少三個(gè)標(biāo)靶球；每站可通視區(qū)域設(shè)置至少三個(gè)標(biāo)靶板，并采用全站型電子速測儀測量標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，其特征在于，在步驟(b)中統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的方法具體為:根據(jù)標(biāo)靶球和標(biāo)靶板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及標(biāo)靶板中心的坐標(biāo)，將各站掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)變換統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)洞內(nèi)型面同軸度的檢測方法，其特征在于，在步驟(e)中，擬合基準(zhǔn)軸線的具體方法為:對(duì)于風(fēng)洞內(nèi)與收縮段同軸的區(qū)域，以收縮段區(qū)域的內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面的相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線，對(duì)于除與收縮段同軸的區(qū)域以外的其他區(qū)域，以同軸各區(qū)域內(nèi)型面點(diǎn)云與剖切面相交線上等間距點(diǎn)集的質(zhì)心點(diǎn)擬合出的直線為基準(zhǔn)軸線。
【文檔編號(hào)】G01B11/27GK103486984SQ201310476290
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】李博平, 邴光利, 張?bào)努|, 劉世斌 申請(qǐng)人:中國人民解放軍63926部隊(duì)