《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》是中國人民解放軍63926部隊於2013年10月12日申請的專利，該專利的公布號為CN103486984A，授權公布日為2014年1月1日，發明人是李博平、邴光利、張笈瑋、劉世斌。
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》提供了一種風洞內型面同軸度的檢測方法，包括以下步驟：（a）用三維雷射掃瞄器掃描風洞內型面，獲取風洞內型麵點雲；（b）將掃描所得到的點雲數據的坐標統一到同一坐標系內；（c）沿風洞軸線方向對內型面的點雲數據進行等間距剖切，在每個剖切面上可獲得風洞內型麵點雲與剖切面的相交線；（d）將風洞內型麵點雲與剖切面的相交線上的點進行等間距處理，並計算每個剖切面上等間距處理後點集的質心點坐標；（e）根據內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出一條直線，該直線為基準軸線；（f）計算風洞內各站內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點到對應基準軸線的距離。其解決了風洞內型面同軸度誤差的全面檢測問題。
2020年7月14日，《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種風洞內型面同軸度的檢測方法
- 申請人：中國人民解放軍63926部隊
- 申請日：2013年10月12日
- 申請號：2013104762902
- 公布號：CN103486984A
- 公布日：2014年1月1日
- 發明人：李博平、邴光利、張笈瑋、劉世斌
- 地址：北京市海淀區清河小營甲1號
- Int. Cl.：G01B11/27(2006.01)I
- 代理機構：北京市浩天智慧財產權代理事務所
- 代理人：韓龍、李淑敏
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
風洞內型面的質量和精度是影響風洞內模擬風場品質的重要因素，風洞各部段的型面同軸度偏差會影響空氣流場的特性參數，導致風洞實驗結果不準確，因此，在風洞工程建設中，對於風洞內型面的同軸度提出了很高的要求。2013年前，由於風洞內型面尺寸大，形狀複雜多樣，且傳統測量儀器和測量方法只能對少數離散單點進行測量，無法獲取型面的整體三維空間信息，不能對內型面同軸度進行有效的全面檢測。
根據《產品幾何技術規範（GPS）幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標註》（GB/T1182-2008）中關於同軸度誤差的定義，同軸度是指被測圓柱面軸線對基準軸線不共軸的程度。根據定義，用與基準軸線同軸的圓柱面來包容被測物體的實測軸線，在被測長度內，最小包容圓柱面的直徑即為同軸度誤差值。風洞內型面的截面形狀有矩形、八邊形，與定義中所述圓柱面不同，且風洞尺寸較大，工業領域的同軸度檢測方法無法套用於風洞內型面的檢測。
截至2013年10月，三維雷射掃描技術不斷發展，已逐漸套用於地形測繪、基坑監測、工業測量等領域，成為繼GPS技術之後的又一項測繪技術革命。三維雷射掃描能快速獲取目標物體表面大量採樣點的空間位置坐標，得到一個描述三維實體的點集合，即點雲。因此，三維雷射掃描技術的出現和發展為解決風洞內型面同軸度檢測問題提供了新的思路。
發明內容
專利目的
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》提供了一種風洞內型面同軸度的檢測方法，其利用三維雷射掃瞄器能夠高效率、高精度獲取風洞內型面大量空間點坐標信息的優勢，將實際內型面的空間幾何信息以點雲數據的方式複製到計算機中，通過分析內型麵點雲數據解決了風洞內型面同軸度誤差的高精度全面檢測問題。
技術方案
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》提供了一種風洞內型面同軸度的檢測方法，風洞中設定有至少兩個站，風洞內型面同軸度的檢測方法包括以下步驟：（a）用三維雷射掃瞄器沿風洞軸線方向掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲；（b）將掃描所得到的點雲數據的坐標通過坐標變換統一到同一坐標系內；（c）沿風洞軸線方向對內型面的點雲數據進行等間距剖切，在每個剖切面上可獲得風洞內型麵點雲與剖切面的相交線，該相交線由一系列離散線構成；（d）將風洞內型麵點雲與剖切面的相交線上的離散點進行等間距處理，並計算每個剖切面上等間距處理後的點集的質心點坐標；（e）根據內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出一條直線，該直線為基準軸線；（f）計算風洞內各站內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點到對應基準軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。
優選地，步驟（a）具體過程為將三維雷射掃瞄器置於風洞內部，使三維雷射掃瞄器的雷射發射器發射的雷射掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲數據通過三維雷射掃瞄器接收器接收。
優選地，在步驟（a）中，測量風洞內型面的方法具體為在風洞中的相鄰兩站之間布設至少三個標靶球；每站可通視區域設定至少三個標靶板，並採用全站型電子速測儀測量標靶板中心的坐標。
優選地，在步驟（b）中統一點雲數據坐標系的方法具體為：根據標靶球和標靶板的點雲數據以及標靶板中心的坐標，將各站掃描所得點雲數據的坐標通過點雲數據配準和坐標變換統一到同一坐標系內。
優選地，在步驟（e）中，擬合基準軸線的具體方法為：對於風洞內與風洞收縮段同軸的區域，以收縮段區域的內型麵點雲與剖切面的相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線；對於除與收縮段同軸的區域以外的其他區域，以同軸各區域內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線。
改善效果
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》相較於2013年之前的技術所具有的優勢在於：利用三維雷射掃瞄器能夠高效率、高精度獲取內型面大量空間點坐標信息的優勢，將實際內型面的空間幾何信息以點雲數據的方式複製到計算機中，通過分析內型麵點雲數據解決了風洞內型面同軸度誤差的高精度全面檢測問題。該方法與傳統檢測方法相比，能獲取風洞內型面的完整空間幾何信息，檢測結果精度高。
附圖說明
圖1為三維雷射掃瞄器掃描獲取的風洞內型麵點雲變換到同一坐標系中的示意圖；
圖2為剖切後獲得的內型麵點雲與剖切面的相交線示意圖；
圖3為內型面的點雲與一個剖切面的相交線上的離散點集及該離散點集的質心點示意圖。
技術領域
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》涉及一種同軸度的檢測方法，尤其涉及一種用於風洞內型面同軸度的檢測方法。
權利要求
1.一種風洞內型面同軸度的檢測方法，風洞中設定有至少兩個站，其特徵在於，風洞內型面同軸度的檢測方法包括以下步驟：
（a）用三維雷射掃瞄器沿風洞軸線方向掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲；
（b）將掃描所得到的點雲數據的坐標通過坐標變換統一到同一坐標系內；
（c）沿風洞軸線方向對內型面的點雲數據進行等間距剖切，在每個剖切面上可獲得風洞內型麵點雲與剖切面的相交線，該相交線由一系列離散點構成；
（d）將風洞內型麵點雲與剖切面的相交線上的離散點進行等間距處理，並計算每個剖切面上等間距處理後點集的質心點坐標；
（e）根據內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出一條直線，該直線為基準軸線；
（f）根據插值計算，計算風洞內各站內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點到對應基準軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。
2.根據權利要求1所述的風洞內型面同軸度的檢測方法，其特徵在於，步驟（a）具體過程為將三維雷射掃瞄器置於風洞內部，使三維雷射掃瞄器的雷射發射器發射的雷射沿風洞軸線方向掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲數據通過三維雷射掃瞄器接收器接收。
3.根據權利要求1或2所述的風洞內型面同軸度的檢測方法，其特徵在於，在步驟（a）中，測量風洞內型面的方法具體為在風洞中的相鄰兩站之間布設至少三個標靶球；每站可通視區域設定至少三個標靶板，並採用全站型電子速測儀測量標靶板中心的坐標。
4.根據權利要求3所述的風洞內型面同軸度的檢測方法，其特徵在於，在步驟（b）中統一點雲數據坐標系的方法具體為：根據標靶球和標靶板的點雲數據以及標靶板中心的坐標，將各站掃描所得點雲數據的坐標通過點雲數據配準和坐標變換統一到同一坐標系內。
5.根據權利要求1所述的風洞內型面同軸度的檢測方法，其特徵在於，在步驟（e）中，擬合基準軸線的具體方法為：對於風洞內與收縮段同軸的區域，以收縮段區域的內型麵點雲與剖切面的相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線，對於除與收縮段同軸的區域以外的其他區域，以同軸各區域內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線。
實施方式
《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》公開了一種風洞內型面同軸度的檢測方法，風洞中設定有至少兩個站，該站的劃分是根據三維雷射掃瞄器的有效掃描範圍以及風洞內可通視範圍綜合考慮劃分的，其中風洞內型面同軸度的檢測方法包括以下步驟：
（a）用三維雷射掃瞄器沿風洞軸線方向掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲數據，具體過程為將三維雷射掃瞄器置於風洞內部，使三維雷射掃瞄器的雷射發射器發射的雷射沿風洞軸線方向掃描風洞內型面，獲取風洞內型面的點雲數據通過三維雷射掃瞄器接收器接收。其中優選地，測量風洞內型面的方法具體為在風洞中的相鄰兩站之間布設至少三個標靶球，標靶球的優選布設方法為標靶球儘量共面，但不要共線；每站可通視區域設定至少三個標靶板，並採用全站型電子速測儀測量標靶板中心的坐標，該全站型電子速測儀的測角精度優選為±0.5"；
（b）將掃描所得到的點雲數據的坐標通過坐標變換統一到同一坐標系內；上述優選測量風洞內型面方法的實施方式中，具體為：根據標靶球和標靶板的點雲數據以及標靶板中心的坐標，將各站掃描所得點雲數據的坐標通過點雲數據配準和坐標變換統一到同一坐標系內；如圖1所示，即為上述三維雷射掃瞄器掃描獲取的風洞內型麵點雲變換到同一坐標系後的示意圖。
（c）沿風洞軸線方向對內型面的點雲數據進行等間距剖切，在每個剖切面上可獲得風洞內型麵點雲與剖切面的相交線，如圖2所示，該相交線由一系列離散線構成；
（d）通過插值計算，將風洞內型麵點雲與剖切面的相交線上的離散點進行等間距處理，並計算每個剖切面上等間距處理後的離散點集的質心點坐標。具體算法如下：設某一剖切面相交線上的離散線包含n個點，第i個點的坐標為（xi，yi，zi），質量為ρi，則該離散線內點集的質心坐標（xo，yo，zo）為：
由於點等間距分布，設各點的質量相同，由上式可得，質心點坐標即為各點坐標的平均值；如圖3所示，即為內型面的點雲與一個剖切面的相交線上的離散點集及該離散點集的質心點示意圖，圖中所示的中心點即為質心點。
（e）根據內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出一條直線，該直線為基準軸線，具體為：對於風洞內與收縮段同軸的區域，以收縮段區域的內型麵點雲與剖切面的相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線，對於除與收縮段同軸的區域以外的其他區域，以同軸各區域內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點擬合出的直線為基準軸線；擬合基準軸線的具體方法如下：
首先根據各剖切面上求得的質心點的x坐標和y坐標採用最小二乘法擬合出空間直線在xy平面上的投影方程：a1x+b1y+d1＝0
根據x坐標和z坐標擬合出空間直線在xz平面上的投影方程：a2x+c2z+d2＝0
則空間直線即軸線的一般方程為：
由一般方程可求出參數式方程：
式中，t為參數，（x0,y0,z0）為直線上任取一點的坐標；
（f）計算各站內型麵點雲與剖切面相交線上等間距點集的質心點到對應基準軸線的距離，其中最大距離值的兩倍即為同軸度誤差值。具體方法如下：
設某一剖切平面上的質心點坐標為（xj,yj,zj），則過該點與基準軸線垂直的平面方程為：b1c2（x-xj）-a1c2（y-yj）-a2b1（z-zj）＝0
將基準軸線的參數方程代入平面方程可求得基準軸線與垂直平面的交點坐標（xk,yk,zk），利用空間兩點的距離公式即可求出點（xj,yj,zj）與點（xk,yk,zk）的距離，即點（xj,yj,zj）到基準軸線的距離。按照該方法求出同軸各段所有剖切面上的質心點到基準軸線的距離，其中距離最大值dmax即為與基準軸線同軸且包容所有質心點（即實測軸線）的最小包容圓柱面的半徑，直徑2dmax即為同軸度偏差值。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種風洞內型面同軸度的檢測方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
