一种发动机柔性喷管摆角及摆心测量方法.pdf

本发明提供一种发动机柔性喷管摆角及摆心测试方法，方法包括：建立特定坐标系，在轴向或侧向方向安装高速摄像机；在喷管内侧或外侧特定位置布置特征标识；标定相机像素尺寸，高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据；逐帧提取特征点像素坐标并转换的到特征位移量；进行喷管摆动角度或摆心的计算。本发明通过采用高速摄像机进行图像采集，可快速布置，实施方便，布置不受空间限制；且由于为非接触测量方式，避免了传统接触式测量中传感器响应速度的限制，响应速度快；通过在喷管内侧或外侧布置特征标识，采用平面换算的方式分解到不同平面内进行解算，无需建立复杂的三维模型，测量精度高，计算方法简便。

1.  一种发动机柔性喷管摆角测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在发动机后方沿轴线延长线布置轴向高速摄像机；
S2、在喷管内侧布置轴向特征标识A、B、C、D，其中A、B在XOY平面布置，C、D在XOZ平面布置，A、C位于与YOZ平行的截面上，B、D位于与YOZ平行的另一截面上；测量A、B之间在X轴的相对距离L_AB，以及C、D在X轴的相对距离L_CD；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、获得初始时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A、Y_B，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C、Z_D，；获得当前测量时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A‘、Y_B’，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C‘、Z_D‘；计算各特征标识在YOZ平面内的投影位移ΔY_A'＝k*(Y_A-Y_A')，ΔY_B'＝k*(Y_B-Y_B')，ΔZ_C'＝k*(Z_C-Z_C')，ΔZ_D'＝k*(Z_D-Y_D')；
S5、计算得到当前测量时刻喷管Y向摆动角度Z向摆动角度


2.  一种发动机柔性喷管摆角测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在XOZ平面布置有第一高速摄像机，在XOY平面布置有第二高速摄像机；
S2、在喷管外侧布置轴向特征标识E、F、G、H，其中E、F、G、H位于与YOZ平行的截面上，E、F对称于XOZ平面，G、H对称于XOY平面；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E、Y_F，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E、X_F；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G、Z_H，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G、X_H；
获得当前测量时刻下，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E‘、Y_F’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E’、X_F’；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G‘、Z_H’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G‘、X_H’；
S5、计算得到当前测量时刻喷管Y向摆动角度Z向摆动角度


3.  一种发动机柔性喷管摆心测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在XOZ平面布置有第一高速摄像机，在XOY平面布置有第二高速摄像机；
S2、在喷管外侧布置轴向特征标识E、F、G、H，其中E、F、G、H位于与YOZ平行的截面上，E、F对称于XOZ平面，G、H对称于XOY 平面；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E1、Y_F1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E1、X_F1；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G1、Z_H1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G1、X_H1；
获得当前测量时刻图像中，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E2、Y_F2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E2、X_F2；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G2、Z_H2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G2、X_H2；
S5、根据摆心轨迹方程组
(XO-XE1)2+(YO-YE1)2=(XO-XE2)2+(YO-YE2)2(XO-XF1)2+(YO-YF1)2=(XO-XF2)2+(YO-YF2)2,]]>(XO-XG1)2+(ZO-ZG1)2=(XO-XG2)2+(ZO-ZG2)2(XO-XH1)2+(ZO-ZH1)2=(XO-XH2)2+(ZO-ZH2)2]]>求解得到当前测量时刻喷管摆心O的空间位置(X_O，Y_O，Z_O)。

一种发动机柔性喷管摆角及摆心测量方法
技术领域
本发明涉及柔性喷管监测控制技术领域，更具体地，涉及一种发动机柔性喷管摆角及摆心测试方法。
背景技术
与固定喷管相比，柔性喷管可以使导弹具有更强的变轨机动能力，为了对喷管的摆动状态进行精确控制，能够精确测试喷管的运动状态十分重要。
现行的固体火箭摆动喷管摆角测试国家行业标准中采用的是接触测量法，即通过布置传感器、顶杆等手段获取喷管各个特征点的位移变化，之后根据位移反算角度。但是对于联合摆动试验，接触式测量的传感器安装位置受限，在高频率摆动试验时传感器的响应存在延时，且接触测量需要获取大量的位移数据采用复杂算法来获取摆角，误差因素多且操作繁琐。现行的火箭喷管运动视觉测试方法一般采用多台视觉测试设备建立多个特征点与喷管三维模型的对应关系，通过所有的特征点平面位置解算喷管在空间内的姿态。但是该方法在实际工程应用中需要大量时间进行定位、建模以及校准，操作不方便，且计算误差呈非线性递增。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种火箭发动机柔性喷管摆角及摆心测试方法，利用高速摄像机进行火箭发动机柔性喷管摆角以及摆心的测量，测量方法简便，实施性强，测量精度高。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种发动机柔性喷管摆角测量方法，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在发动机后方沿轴线延长线布置轴向高速摄像机；
S2、在喷管内侧布置轴向特征标识A、B、C、D，其中A、B在XOY平面布置，C、D在XOZ平面布置，A、C位于与YOZ平行的截面上，B、D位于与YOZ平行的另一截面上；测量A、B之间在X轴的相对距离L_AB，以及C、D在X轴的相对距离L_CD；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、获得初始时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A、Y_B，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C、Z_D，；获得当前测量时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A‘、Y_B’，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C‘、Z_D‘；计算各特征标识在YOZ平面内的投影位移ΔY_A'＝k*(Y_A-Y_A')，ΔY_B'＝k*(Y_B-Y_B')，ΔZ_C'＝k*(Z_C-Z_C')，ΔZ_D'＝k*(Z_D-Y_D')；
S5、计算得到当前测量时刻喷管Y向摆动角度Z向摆动角度
相应地，本发明还提供一种发动机柔性喷管摆角测量方法，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在XOZ平面布置有第一高速摄像机，在XOY平面布置有第二高速摄像机；
S2、在喷管外侧布置轴向特征标识E、F、G、H，其中E、F、G、H 位于与YOZ平行的截面上，E、F对称于XOZ平面，G、H对称于XOY平面；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E、Y_F，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E、X_F；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G、Z_H，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G、X_H；
获得当前测量时刻下，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E‘、Y_F’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E’、X_F’；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G‘、Z_H’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G‘、X_H’；
S5、计算得到当前测量时刻喷管Y向摆动角度Z向摆动角度
相应地，本发明还提供一种发动机柔性喷管摆心测量方法，包括步骤：
S1、以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在XOZ平面布置有第一高速摄像机，在XOY平面布置有第二高速摄像机；
S2、在喷管外侧布置轴向特征标识E、F、G、H，其中E、F、G、H位于与YOZ平行的截面上，E、F对称于XOZ平面，G、H对称于XOY平面；
S3、调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机采集喷管摆动过程中的连续图像数据，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率；
S4、根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E1、Y_F1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E1、X_F1；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G1、Z_H1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G1、X_H1；
获得当前测量时刻图像中，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E2、Y_F2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E2、X_F2；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G2、Z_H2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G2、X_H2；
S5、根据摆心轨迹方程组
(XO-XE1)2+(YO-YE1)2=(XO-XE2)2+(YO-YE2)2(XO-XF1)2+(YO-YF1)2=(XO-XF2)2+(YO-YF2)2,]]>
(XO-XG1)2+(ZO-ZG1)2=(XO-XG2)2+(ZO-ZG2)2(XO-XH1)2+(ZO-ZH1)2=(XO-XH2)2+(ZO-YH2)2]]>求解得到当前测量时刻喷管摆心O的空间位置(X_O，Y_O，Z_O)。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：(1)本发明为非接触测量方式，通过采用高速摄像机进行图像采集，避免了传统接触式测量中传感器响应速度的限制，响应速度快，且高速摄像机可快速布置，实施方便，布置不受空间限制；(2)本发明通过在喷管内侧或外侧特定位置布置特征标识，采用平面换算的方式将高速摄像机所获取的位移分解到不同平面内进行解算，无需建立复杂的三维模型，测量精度高，计算方法简便。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为本发明发动机柔性喷管以及摄像标识示意图；
图3为本发明轴向高速摄像所得画幅示意图；
图4为本发明侧向高速摄像所得画幅示意图；
图5(a)为本发明轴向摄像摆角示意图；
图5(b)为依据轴向摄像图像计算摆角原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种柔性喷管摆动角度及摆心测量方法，包括安装高速摄像机、布置特征标识、通过摆动测试获取原始数据、提取标识轨迹、摆角或摆心分析步骤。本发明方法采用平面换算的方式，利用高速摄像机(或其他CCD、CMOS等成像系统)将喷管的摆角以及摆心分解到坐标系不同平面内分别解算。具体分为轴向和侧向两种测量方式，视试验现场情况选用。
通过轴向测量方式，可测量柔性喷管摆动角度，具体包括如下步骤：
步骤一：如图2所示，以火箭发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在发动机后方沿轴线延长线布置轴向高速摄像机，为提高数据精度，在保证画面清晰的情况下，摄像机离喷管应尽量远，优选采用长焦距镜头进行拍摄；
步骤二：如图3所示，在喷管内侧布置轴向特征标识A、B、C、D， 其中A、B布置在XOY平面，C、D布置在XOZ平面，A、C位于与YOZ平行的截面上，B、D位于与YOZ平行的另一截面上；测量A、B之间在X轴的相对距离L_AB，以及C、D在X轴的相对距离L_CD；
步骤三：调整高速摄像机使得特征标识在视场中心，调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像，画幅比例k指的是实际图像大小与摄像机成像大小的比值；高速摄像机与喷管伺服控制器系统进行同步，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率，以采集喷管摆动过程中的连续图像数据；
步骤四：获得初始时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A、Y_B，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C、Z_D，；获得当前测量时刻特征标识点A、B在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_A‘、Y_B’，以及点C、D在画幅平面的水平方向的坐标值Z_C‘、Z_D‘；计算各特征标识在YOZ平面内的投影位移ΔY_A'＝k*(Y_A-Y_A')，ΔY_B'＝k*(Y_B-Y_B')，ΔZ_C'＝k*(Z_C-Z_C')，ΔZ_D'＝k*(Z_D-Y_D')；
步骤五：计算得到喷管摆动角度。如图5所示，特征标识A、B在摆动过程中由初始位置摆动到A’、B’，以初始位置为零位，在摆角较小(一般不超过10°)的情况下，喷管Y向摆动角度Z向摆动角度由下式计算得出：                                                  
通过轴向测量的方式，其计算摆角与摆心位置的变化无关，采用一台高速摄像机即可将Y向摆动与Z向摆动分开计算且相互影响很小，在相机距喷管距离更远时可获得更高测试精度。
本发明还提供了侧向测量方式，可测量柔性喷管摆动角度以及摆心的空间轨迹。侧向测量柔性喷管摆动角度具体包括如下步骤：
步骤一：以发动机轴线任意点处为坐标原点O，发动机轴线为X轴，竖直和水平分别为Y、Z轴，建立O-XYZ坐标系；在XOZ平面布置有第 一高速摄像机，在XOY平面布置有第二高速摄像机；为提高数据精度，在保证画面清晰的情况下，摄像机离喷管应尽量远，优选采用长焦距镜头进行拍摄
步骤二：在喷管外侧布置轴向特征标识E、F、G、H，其中E、F、G、H位于与YOZ平行的截面上，E、F对称于XOZ平面，G、H对称于XOY平面；
步骤三：调整高速摄像机使得特征标识在视场中心，调整画幅比例k使得高速摄像机可对特征标识清晰成像；高速摄像机与喷管伺服控制器系统进行同步，其中每秒拍摄帧数高于喷管最高摆动频率，以采集喷管摆动过程中的连续图像数据；
步骤四：根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E、Y_F，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E、X_F；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得初始时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G、Z_H，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G、X_H；
获得当前测量时刻下，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E‘、Y_F’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E’、X_F’；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G‘、Z_H’，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G‘、X_H’；
步骤五：计算得到喷管摆角：
如图4所示，侧向高速摄像所获得的图像中，E、F由初始位置摆动到E’、F’，Y向摆角即EF与E’F’的夹角，由此可计算得到当前测量时刻喷管Y向摆动角度Z向摆动角度

由侧面高速摄像还可得到空间内的实际摆心位置。根据第一高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E1、Y_F1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E1、X_F1；根据第二高速摄像机拍摄的图像，获得前一时刻特征标识点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G1、Z_H1，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G1、X_H1；获得当前测量时刻图像中，特征标识点E、F在画幅平面的垂直方向的坐标值Y_E2、Y_F2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_E2、X_F2；以及点G、H在画幅平面的垂直方向的坐标值Z_G2、Z_H2，在画幅平面的水平方向的坐标值X_G2、X_H2。
对于连续的两帧图像，可获取特征标识点在两帧中的平面坐标，XOY平面内的摆心位置即E₁E₂与F₁F₂的中垂线的交点，XOZ平面内的摆心位置即G₁G₂与H₁H₂的中垂线的交点，可列出如下所示的摆心轨迹方程组，从而求解得到当前测量时刻实际摆心O的空间位置坐标(X_O，Y_O，Z_O)。
(XO-XE1)2+(YO-YE1)2=(XO-XE2)2+(YO-YE2)2(XO-XF1)2+(YO-YF1)2=(XO-XF2)2+(YO-YF2)2---(3)]]>
(XO-XG1)2+(ZO-ZG1)2=(XO-XG2)2+(ZO-ZG2)2(XO-XH1)2+(ZO-ZH1)2=(XO-XH2)2+(ZO-YH2)2---(4)]]>
该方程组为一次方程组，可求得唯一解。通过采集不同前后帧时刻对应的Y_E1、Y_F1、X_E1、X_F1、Z_G1、Z_H1、X_G1、X_H1、Y_E2、Y_F2、X_E2、X_F2、Z_G2、Z_H2X_G2、X_H2值，可连续求解方程组(3)、(4)，从而得到摆心O的空间轨迹。
在实际工程应用中，采用高速摄像获取的标识连续性较高， 导致计算摆心的方法分母较小，容易增大摆心位置的离散度，为了提高此方法的可靠性，可采取以下措施：1、减短曝光时间，提高帧间隔时间与快门时间之比，以获取清晰且有一定间距的标识坐标；2、采用色差明显的交叉标识以提高特征标识的辨识精度；3、高速采集的特征坐标数据可在进行平滑、重采样等手段处理后进行摆心计算，以获取连续清晰的摆心位置轨迹。
在某型号摆动喷管系统性能测试试验中，采用本发明所述的侧向测量方式进行了摆角测试，高速相机的拍摄速率为1000帧/秒，快门时间为0.1毫秒，相机距喷管的间距为约10米。其测量结果与伺服控制曲线、接触式传感器获取的摆角反馈值进行对比分析，在低频、低速摆动时三者区别不大，幅值识别精度可达到±0.01°，可有效验证本发明方法的正确性。在高频、高速摆动时，接触式反馈测量出现明显的响应延时导致误差增大，本发明方法测量的数据明显则更具可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。