本發(fā)明屬于船舶特種推進(jìn)器模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及了一種基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、目前國內(nèi)船舶相關(guān)設(shè)計(jì)主要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行流體動力學(xué)（cfd）、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)等方面的數(shù)值模擬與仿真，以優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)和性能預(yù)測。在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行模型試驗(yàn)和實(shí)船測試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和理論分析的準(zhǔn)確性。主要是對實(shí)驗(yàn)過程中的一些參數(shù)例如推力大小、空化系數(shù)、扭矩大小等進(jìn)行檢測校對，較少使用piv設(shè)備拍攝內(nèi)部流場。piv技術(shù)作為一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式流場測試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)部流動特性分析。piv處理后的速度大小能夠與cfd得到的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)塊化比對。

2、例如在空化水洞內(nèi)做推進(jìn)器piv實(shí)驗(yàn)，由于推進(jìn)器導(dǎo)流罩為透明曲面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行piv拍攝實(shí)驗(yàn)時(shí)，會造成圖片變形，影響后續(xù)速度場提取計(jì)算。為了獲取推進(jìn)器內(nèi)部多個(gè)區(qū)域的速度場，在進(jìn)行三維（包括但不限于兩個(gè)相機(jī)和四個(gè)相機(jī)）拍攝的時(shí)候，需要進(jìn)行多次標(biāo)定操作，由于標(biāo)定需要將標(biāo)定板放置于拍攝區(qū)域，標(biāo)定完成過后再將標(biāo)定板移除，因此水洞需要進(jìn)行多次開蓋放水、拆裝阻擋物、蓄水過程，這一系列操作浪費(fèi)時(shí)間，而且這種大型實(shí)驗(yàn)場地國內(nèi)少有，時(shí)間安排緊，并且示蹤粒子非常昂貴，水洞儲水量很大，造成很大的水資源浪費(fèi)。再如一些大型風(fēng)洞，由于對風(fēng)洞進(jìn)行piv實(shí)驗(yàn)時(shí)需要投放粒子再通過激光照射和相機(jī)拍攝得到速度場數(shù)據(jù)，投放粒子時(shí)需要蒸發(fā)器形成高溫蒸汽后將粒子投放入風(fēng)洞內(nèi)，導(dǎo)致風(fēng)洞在拍攝實(shí)驗(yàn)后短期內(nèi)處于較高溫度狀態(tài)，如若需要進(jìn)行多次三位拍攝實(shí)驗(yàn)時(shí)就需要等待設(shè)備降溫后再進(jìn)行標(biāo)定且后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要等待蒸發(fā)器重新升溫，增加了整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的周期，且減少開啟風(fēng)洞次數(shù)可以形成示蹤粒子的循環(huán)使用，利于環(huán)境保護(hù)和降低實(shí)驗(yàn)成本。然而，現(xiàn)有技術(shù)缺少一種基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定裝置及方法。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一、一種基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定裝置：

4、主要由搭載模塊、定位模塊和piv拍攝模塊組成，定位模塊和搭載模塊均放置在地面上，搭載模塊可活動地安裝在定位模塊上，定位模塊用于對標(biāo)定裝置進(jìn)行定位，piv拍攝模塊中的piv相機(jī)安裝在搭載模塊上，待檢測物體設(shè)置在搭載模塊的前方，通過piv拍攝模塊中的piv相機(jī)對待檢測物體的多個(gè)待測區(qū)域進(jìn)行拍攝。

5、所述的搭載模塊包括光學(xué)平臺底座、激光支撐底座、固定豎板、相機(jī)固定滑槽、相機(jī)支架、激光連接滑塊、萬向輪、標(biāo)定板和水洞外殼；光學(xué)平臺底座和激光支撐底座之間固定連接，激光支撐底座的底端安裝有可滾動的萬向輪，光學(xué)平臺底座可移動地安裝在定位模塊的導(dǎo)軌上，光學(xué)平臺底座的頂部對稱安裝有兩個(gè)固定豎板，相機(jī)固定桿可拆卸地連接在兩個(gè)固定豎板之間，相機(jī)固定桿上開設(shè)有用于固定相機(jī)支架的相機(jī)固定滑槽，相機(jī)支架可沿著相機(jī)固定滑槽延伸方向前后移動地安裝在相機(jī)固定桿上，piv相機(jī)安裝在相機(jī)支架上，激光連接滑塊可上下移動地連接在激光支撐底座上，水洞外殼放置在地面上，待檢測物體設(shè)置在水洞外殼內(nèi)，標(biāo)定板設(shè)置在待檢測物體的待測區(qū)域，piv拍攝模塊中的激光頭安裝在激光連接滑塊上，激光頭用于向標(biāo)定板所在位置處發(fā)射激光切片。

6、所述的定位模塊包括導(dǎo)軌和相機(jī)定位板；導(dǎo)軌放置在地面上，導(dǎo)軌用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)平臺底座的雙向移動，相機(jī)定位板可拆卸地安裝在水洞外殼的側(cè)壁上，且相機(jī)定位板位于piv相機(jī)的鏡頭和待檢測物體之間，相機(jī)定位板用于對piv相機(jī)的位姿進(jìn)行定位。

7、所述的piv拍攝模塊包括激光系統(tǒng)和piv相機(jī)，激光系統(tǒng)和piv相機(jī)均與外部的工作站連接，激光系統(tǒng)中的激光頭用于向標(biāo)定板所在位置處發(fā)射激光，工作站用于控制piv相機(jī)的拍攝參數(shù)以及激光系統(tǒng)所發(fā)射激光的激光參數(shù)。

8、所述的相機(jī)支架包括橫滾角調(diào)節(jié)旋鈕、俯仰角調(diào)節(jié)旋鈕、偏航角調(diào)節(jié)旋鈕、相機(jī)支架底座、相機(jī)支架鎖緊旋鈕和相機(jī)支架鎖緊件；相機(jī)支架底座可沿著相機(jī)固定滑槽的延伸方向前后移動地安裝在相機(jī)固定桿上，相機(jī)支架鎖緊件設(shè)置在相機(jī)支架底座和相機(jī)固定桿之間，相機(jī)支架鎖緊件用于對相機(jī)支架底座的位置進(jìn)行鎖定，相機(jī)支架底座和相機(jī)支架鎖緊件在同一位置處開設(shè)有旋鈕安裝通孔，相機(jī)支架鎖緊旋鈕的一端依次穿設(shè)過相機(jī)支架鎖緊件、相機(jī)支架底座上的旋鈕安裝通孔后與相機(jī)支架鎖緊件連接，橫滾角調(diào)節(jié)旋鈕、俯仰角調(diào)節(jié)旋鈕、偏航角調(diào)節(jié)旋鈕和piv相機(jī)均安裝在相機(jī)支架底座上，橫滾角調(diào)節(jié)旋鈕、俯仰角調(diào)節(jié)旋鈕和偏航角調(diào)節(jié)旋鈕分別用于調(diào)節(jié)piv相機(jī)的橫滾角、俯仰角和偏航角。

9、所述的導(dǎo)軌包括兩個(gè)y軸導(dǎo)軌、兩個(gè)x軸導(dǎo)軌和導(dǎo)軌滑塊；x軸導(dǎo)軌和y軸導(dǎo)軌均水平設(shè)置，且x軸導(dǎo)軌和y軸導(dǎo)軌之間垂直，x軸導(dǎo)軌沿著水洞外殼的延伸方向設(shè)置，兩個(gè)y軸導(dǎo)軌之間平行間隔設(shè)置，且各個(gè)x軸導(dǎo)軌可沿著y軸導(dǎo)軌延伸方向前后移動地安裝在兩個(gè)y軸導(dǎo)軌之間，光學(xué)平臺底座通過導(dǎo)軌滑塊可沿著x軸導(dǎo)軌延伸方向前后移動地安裝在兩個(gè)x軸導(dǎo)軌之間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)平臺底座的雙向移動。

10、二、一種基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定方法，包括以下步驟：

11、步驟s1、將整體裝置安裝在待檢測物體的一個(gè)待測區(qū)域的前方區(qū)域，再將標(biāo)定板安裝在水洞外殼中的待測區(qū)域；

12、步驟s2、啟動激光系統(tǒng)，激光系統(tǒng)中的激光頭向標(biāo)定板所在位置處發(fā)射激光切片，調(diào)節(jié)piv相機(jī)的位置使得各個(gè)piv相機(jī)的視野中心與標(biāo)定板的中心位置重合，然后對待測區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定操作；

13、步驟s3、標(biāo)定操作完成后，將相機(jī)定位板移動到piv相機(jī)和待檢測物體之間，利用導(dǎo)軌記錄裝置此時(shí)的位置，同時(shí)利用相機(jī)定位板獲取piv相機(jī)的位姿；

14、步驟s4、接著，將標(biāo)定裝置移動到待檢測物體的下一個(gè)待測區(qū)域處，并移動標(biāo)定板的位置使得標(biāo)定板位于當(dāng)前的待測區(qū)域，重復(fù)步驟s2~步驟s3，直到記錄完所有待測區(qū)域下的裝置位置和piv相機(jī)的位姿；

15、步驟s5、取下相機(jī)定位板，在不同的待測區(qū)域，按照步驟s4所記錄的裝置位置和piv相機(jī)的位姿對裝置和piv相機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到在所有的待測區(qū)域位置處均利用piv相機(jī)完成對待檢測物體的拍攝。

16、所述的步驟s2具體為：

17、步驟s2.1、啟動激光系統(tǒng)，激光系統(tǒng)中的激光頭向標(biāo)定板所在位置處發(fā)射激光；

18、步驟s2.2、首先通過導(dǎo)軌將搭載模塊移至待測區(qū)域的正前方，調(diào)節(jié)激光連接滑塊的位置，使得激光頭發(fā)射的激光光片與標(biāo)定板在同一平面上，并調(diào)節(jié)相機(jī)固定桿，使得piv相機(jī)和激光光片之間的距離至少450mm以上，且各個(gè)piv相機(jī)的視野中心與標(biāo)定板的中心位置重合。

19、所述步驟s2中，對待測區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定操作包括通過調(diào)節(jié)橫滾角調(diào)節(jié)旋鈕、俯仰角調(diào)節(jié)旋鈕和偏航角調(diào)節(jié)旋鈕以調(diào)節(jié)piv相機(jī)的橫滾角、俯仰角和偏航角，使得piv相機(jī)拍攝畫面的中心位于標(biāo)定板內(nèi)。

20、所述步驟s3中，piv相機(jī)的位姿包括piv相機(jī)所在的位置以及piv相機(jī)的橫滾角、俯仰角和偏航角。

21、本發(fā)明的原理如下：

22、由于piv試驗(yàn)標(biāo)定操作獲得的文件只對標(biāo)定時(shí)的絕對空間位置有效，通過記錄和復(fù)原固定激光頭和相機(jī)的位置數(shù)據(jù)能夠保證標(biāo)定文件的有效性，因此對于試驗(yàn)標(biāo)定操作繁瑣費(fèi)時(shí)的試驗(yàn)可以先對多處待測區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定操作，后續(xù)通過復(fù)位使對應(yīng)區(qū)域的標(biāo)定文件有效來對圖像進(jìn)行矯正和賦距，用于解決復(fù)雜流場不易標(biāo)定或?qū)嶒?yàn)環(huán)境架設(shè)繁瑣耗時(shí)問題。

23、由于piv試驗(yàn)標(biāo)定操作獲得的標(biāo)定文件只對標(biāo)定時(shí)的絕對空間位置即當(dāng)時(shí)的光學(xué)平臺位置和相機(jī)位姿有效，通過光學(xué)平臺下導(dǎo)軌xy平面的位置記錄世界坐標(biāo)系即標(biāo)定板坐標(biāo)系，通過相機(jī)定位板定位信息記錄相機(jī)坐標(biāo)系，后續(xù)通過這些信息恢復(fù)絕對位置也就是剛體變換逆解可以獲得標(biāo)定文件的有效性并進(jìn)行后續(xù)的矯正和賦距，剛體變換逆解時(shí)可以通過機(jī)械定位法即光學(xué)平臺下導(dǎo)軌xy平面的位置信息和視覺反饋法即各個(gè)相機(jī)鏡頭內(nèi)相機(jī)定位板定位信息來確定復(fù)位的準(zhǔn)確性，這個(gè)方法又可稱為絕對位姿復(fù)現(xiàn)。

24、本發(fā)明的有益效果是：

25、1、本發(fā)明提出基于精細(xì)定位板相機(jī)復(fù)位的piv多次標(biāo)定方法并設(shè)計(jì)整理出可實(shí)施的裝置，通過導(dǎo)軌xy平面的位置記錄世界坐標(biāo)系、相機(jī)定位板定位信息記錄相機(jī)坐標(biāo)系和剛體變換逆解實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置和相機(jī)位姿的絕對復(fù)位，保證標(biāo)定文件有效性，方便后續(xù)連續(xù)拍攝試驗(yàn)。

26、2、本發(fā)明采用導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)用于相機(jī)多截面拍攝任務(wù)，記錄世界坐標(biāo)系的同時(shí)既保證了精度又能夠加快整體實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，節(jié)省時(shí)間和成本。

27、3、本發(fā)明根據(jù)相機(jī)標(biāo)定原理設(shè)計(jì)一款相機(jī)復(fù)位定位板，即能記錄相機(jī)坐標(biāo)系又能夠?qū)ο鄼C(jī)位姿進(jìn)行復(fù)位操作，加快整體標(biāo)定進(jìn)程，節(jié)省時(shí)間和成本。

28、4、本發(fā)明對于復(fù)雜流場內(nèi)部piv實(shí)驗(yàn)和繁瑣測試步驟的標(biāo)定試驗(yàn)而言，大大減少了傳統(tǒng)標(biāo)定一次拍攝一次所增加的設(shè)備準(zhǔn)備耗時(shí)，大大提高的標(biāo)定效率和實(shí)驗(yàn)速度。

29、5、本發(fā)對于復(fù)雜流場內(nèi)部piv實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)而言，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)需放入足量示蹤粒子，通過拍攝粒子被激光照射后反射光來計(jì)算得到速度場，每次單獨(dú)標(biāo)定拍攝后拍攝下一個(gè)區(qū)域時(shí)需要放水重新標(biāo)定，循環(huán)往復(fù)的開泄會導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)和試驗(yàn)耗材的大量損耗，該試驗(yàn)方案較好的解決了該問題。