사례 연구: 풍동에서 날개 변형 측정 테스트를 지원하는 고속 카메라
이 풍동 테스트 애플리케이션에서 German-Dutch Wind Tunnels는 10MP CMOS 센서가 장착된 Emergent 20GigE 카메라를 선택했습니다. 광섬유 인터페이스를 통해 풍동 시뮬레이션에서 단일 원격 PC로 카메라 XNUMX대를 모두 실행할 수 있기 때문입니다.
DNW(German-Dutch Wind Tunnels)는 세계 굴지의 풍동 서비스 제공업체 중 하나이며 독일 항공우주 센터(DLR)와 네덜란드 왕립 항공우주 센터(NLR)가 설립했습니다. DNW는 Brunswick, Göttingen, Amsterdam 및 Marknesse에 있는 DNW 본사를 포함하여 독일과 네덜란드에서 XNUMX개의 풍동을 운영합니다. 항공기, 차량, 건물 또는 기타 고체 모델을 알려진 속도의 기류에 배치함으로써 풍동을 통해 연구원은 물체 주변의 기류 또는 바람이 물체에 미치는 영향을 조사할 수 있습니다. DNW는 유럽에서 가장 큰 풍동 중 하나를 운영하고 있으며 학계 및 항공 산업은 물론 자동차, 토목 공학, 조선, 스포츠 및 기타 산업의 공기역학 연구 및 개발 프로젝트를 위한 실험 시뮬레이션 솔루션을 제공합니다.
DNW는 실험적인 공기 역학 시뮬레이션을 제공합니다. DNW는 아음속, 천음속 및 초음속 시설을 포함한 XNUMX개의 풍동을 운영함으로써 공학 및 자연에서 발견되는 거의 모든 기류 특성을 평가할 수 있습니다. DNW는 통제된 환경에서 모델을 테스트하여 공기역학, 공기음향 및 공기탄성 시뮬레이션 기술의 데이터를 산업계에 제공합니다. 다양한 시뮬레이션을 제공합니다. 일반적인 응용 프로그램에는 이륙, 착륙 및 순항 항공기 구성의 성능 특성화가 포함됩니다. 기체 소음 감소를 위한 공력 음향 조사; 격리 및 설치 구성 모두에서 항공기 추진 시뮬레이션.
풍동 테스트는 일반적으로 매우 전문적이고 까다롭습니다(그림 1). 풍동 모델은 복잡하고 장비는 첨단 기술입니다. 극도로 엄격한 제조 공차와 세심한 표면 마감 외에도 모델에는 힘 균형, 공기 모터 및 원격 제어와 같은 많은 양의 측정 장비 및 제어 시스템이 장착되어 있습니다. 또한 공기 역학 및 공기 음향 시뮬레이션에는 종종 정교한 엔지니어링이 필요합니다. 예를 들어, 지면 효과의 경우 테스트 대상 물체 아래의 지면은 통합 무빙 벨트 시스템으로 시뮬레이션됩니다. 롤링 로드 시스템이라고도 하는 무빙 벨트는 풍동 바닥에 통합된 7.92 x 9.6m 스틸 벨트입니다. 초속 80미터의 풍속까지 공기와 동시에 움직입니다. 모든 시뮬레이션, 제어 및 측정 기술을 생산적이고 비용 효율적인 풍동 테스트에 통합하는 것은 어려운 작업입니다. 고도로 훈련된 DNW 직원은 고객 및 공급업체와 긴밀히 협력하여 프로젝트를 세부적으로 준비하고 미래의 지속 가능한 항공을 위한 혁신적인 솔루션을 위해 노력합니다.
그림 1: DNW-LLF 풍동에서 움직이는 지상 평면에 근접한 Dassault Falcon 비즈니스 제트기의 모델(이미지 제공: Dassault Aviation).
입체 포인트 추적 시스템
DNW의 핵심 기능은 풍동 테스트에서 가능한 한 많은 고품질 데이터를 추출하는 것입니다. 서비스의 품질과 비용 효율성을 높이기 위해 DNW는 측정 기술 및 테스트 결과 분석에 대한 높은 수준의 전문 지식을 지속적으로 개발하고 있습니다. DNW는 일상적으로 표면 압력, 힘, 속도 및 소음을 측정하는 기술을 사용합니다. 항공기 성능을 평가하려면 정확한 프로펠러, 로터 블레이드 및 날개 형상에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 이륙에서 착륙까지 발생하는 다양한 풍하중에서 풍동 모델 부품이 변형되어 날개가 구부러지고 뒤틀립니다. ㅏ 입체점 추적 시스템 DNW에서 개발한 이 모델은 풍동 테스트 중에 여러 각도에서 마커를 동시에 추적하여 이러한 모델 변형을 측정합니다.
이 시스템은 거의 모든 마커 수량, 분포 및 레이아웃을 처리하는 다양한 실험 시뮬레이션을 용이하게 할 만큼 충분히 유연합니다. 현재 응용 프로그램 중 하나는 UHURA(EU Horizon 2020 보조금 계약 번호 769088에 따라 자금 지원)라는 EU 자금 지원 프로젝트입니다. 그만큼 우후라 프로젝트는 불안정한 고양력 공기역학을 위한 수치 도구를 개발하는 것을 목표로 합니다. 최첨단 장치인 Krueger 플랩은 층류 날개 기술을 가능하게 할 것을 약속합니다. 이 기술은 수송기 기체의 항력 감소를 위한 주요 단일 소스로 간주되며 배출 감소 목표를 달성하는 데 핵심 기술이 될 것입니다. Krueger 플랩은 공기역학적 고양력 성능을 높이고 이착륙 시 앞 가장자리를 오염으로부터 보호함으로써 이중 기능을 수행할 수 있습니다. 특정 배포 경로로 인해 엔지니어는 일시적인 동작과 정확한 부품 위치 및 형상 중 흐름에 대한 좋은 지식이 필요합니다.
DNW 풍동의 실험적 측정은 UHURA에 고급 검증을 위한 고유한 데이터 세트를 제공합니다. 전산유체역학(CFD) 모델. 상세한 유량 측정을 통해 입자 이미지 유속계(PIV) 모델 변형 측정, 유체와 날개 구조 간의 상호 작용을 조사할 수 있습니다. 그에 따른 이해는 운송 항공기 시스템용 고양력 장치의 거동 예측 및 설계 최적화 기술에 반영됩니다. 이러한 고급 방법론을 통해 항공기 제조업체는 보다 복잡한 부품 설계와 설계 리드 타임을 크게 단축할 수 있습니다.
긴 카메라 케이블 필요
테스트 유형에 따라 DNW는 Emergent Vision Technologies(그림 20)의 10MP, 20000GigE HR-2 카메라 20000개 또는 35개를 사용하여 비간섭 마커가 장착된 풍동 모델을 모니터링합니다. HR-20000 카메라에는 AMS의 5120mm 풀프레임 광학 형식 CMV3840 CMOS 센서가 탑재되어 있습니다. 풀 32 × 20000 해상도에서 이 카메라는 1fps를 달성합니다. HR-20000은 또한 10µs 미만의 다중 카메라 동기화와 낮은 CPU 오버헤드를 제공합니다. 스테레오 카메라 설정에서는 서로 다른 각도에서 마커의 이미지를 캡처할 수 있도록 풍동에 XNUMX대의 카메라를 어느 정도 떨어져 장착해야 합니다. DNW의 계측 엔지니어인 Gerrit Feenstra에 따르면 HR-XNUMX 카메라는 뛰어난 가격 대비 성능과 광섬유 변환기나 리피터 없이 케이블을 최대 XNUMXkm까지 연결할 수 있는 광섬유 인터페이스 때문에 선택되었습니다.
“Emergent가 10기가비트 이더넷 광섬유 인터페이스를 출시하기 전에는 복잡한 테스트 설정이 있었습니다. 카메라와 컴퓨터 사이의 케이블 길이 제한이 2~3미터라는 것은 풍동 내에서 두 대의 PC를 사용해야 하는 스테레오 이미징 시스템을 의미했습니다.”라고 Feenstra는 설명합니다. "Emergent의 광학 인터페이스는 풍동 시뮬레이션에서 훨씬 더 편리한 위치에 설치할 수 있는 단일 원격 PC로 카메라 XNUMX대를 모두 실행할 수 있기 때문에 훨씬 더 적합합니다."
그림 2: DNW는 항공 시뮬레이션 및 풍동 테스트를 위한 모델의 정확한 위치 지정을 위해 Emergent Vision Technologies의 HR-20000 카메라를 사용합니다.
변형 측정
테스트 대상에 적용된 마커의 XNUMX차원 좌표 추적을 기반으로 스테레오 포인트 추적 측정 기술은 다음과 같은 프로젝트에 성공적으로 적용되었습니다. 낙하물 고속추적 여객기 날개 변형 측정 고정밀 헬리콥터 로터 추적 실험에. 이 실험에서는 알려진 좌표를 가진 마커 그리드 어레이가 테스트 중인 개체에 적용됩니다. 마커는 능동적으로 제어되는 매립형 광원 또는 수동 형광 접착제 또는 스프레이 페인트 마커일 수 있습니다.
UHURA 프로젝트의 모델 변형 테스트 중에 Emergent 카메라 설정은 날개 모델과 Krueger 장치가 풍동의 다양한 공기역학 시뮬레이션에서 전개 및 후퇴할 때 배치된 수동 형광 마커의 비디오를 캡처합니다(그림 3). 맞춤형 이미지 분석 소프트웨어에서 얻은 고정밀 XNUMX차원 마커 위치는 XNUMX차원 디지털 카메라 이미지 평면과 모델의 측정 볼륨 사이의 상관 관계를 보정하는 소프트웨어의 입력 역할을 합니다.
추가 이미지 분석은 정확한 자세, 위치, 굽힘 및 비틀림 분포와 같은 모델의 기하학적 속성을 결정합니다. 날개 변형은 개별 마커 그리드 포인트를 기반으로 3D 유한 요소 표면 형상(불연속성이 없는 공간의 삼각형 와이어프레임)을 모델링하여 표현됩니다. 오류 전파 알고리즘을 기반으로 한 통계적 오류 추정치를 포함하는 데이터는 실시간(최대 500Hz)으로 제공됩니다.
시스템의 공간 해상도는 카메라 유형, 렌즈 시스템, 모델 길이 척도 및 마커 구성에 따라 다릅니다. 픽셀 해상도는 최대 1/10 픽셀까지 달성할 수 있습니다. 좌표 해상도는 카메라 칩 크기와 모델 크기(크기 0.5/(0.1 * R)의 차수, 여기서 R은 이미징된 미터당 픽셀 수)에 따라 다릅니다. 일반적인 풀 스팬 풍동 모델의 경우 좌표 감지 정확도는 날개 변위의 경우 코드 길이의 약 XNUMX‰이고 날개 비틀림(비틀림)의 경우 XNUMX도입니다.
그림 3: UHURA 프로젝트의 모델 변형 테스트 중에 풍동의 스테레오 카메라 설정은 다양한 공기역학 시뮬레이션에서 날개와 Krueger 플랩의 전개 및 접힘 모델에 배치된 수동 형광 마커의 비디오를 캡처합니다.
UV 조명 기술
각 실험 중에 풍동 조건이 설정된 후 터널 조명이 어두워지고 맞춤형 고출력 405nm UV 광원이 활성화됩니다. 카메라 시스템의 마커 감지를 위한 충분한 조명과 대비를 생성하기 위해 풍동에 전략적으로 배치된 28개 이상의 광원은 30, 405W 3nm LED 어레이에 의존합니다. UV 표시등은 마커를 비추고 카메라에 노란색을 다시 반사합니다. Feenstra에 따르면 광학 롱패스 필터를 사용하면 UV 조명을 억제하는 동시에 마커에서 형광등을 계속 투과시킵니다. 이것은 컴퓨터에 의한 마커 지역화 및 XNUMXD 포인트 클라우드 구성을 용이하게 하는 고대비 실제 흑백 이미지를 생성합니다.
"우리는 2016년부터 풍동에서 모델의 정확한 위치 지정과 변형 측정을 위해 Emergent 카메라를 사용해 왔습니다."라고 Feenstra는 말합니다. “상수로 터널에 항상 설치되어 있고 모든 테스트에서 항상 실행되며 모델의 위치를 지속적으로 모니터링하고 마커를 추적합니다. 이 기능은 DNW에서 수행하는 대부분의 이륙 및 착륙 시나리오에 대한 지면 효과 조사 중에 특히 중요합니다. 초속 80미터의 항공기 모델.”
미래 디자인
20MP 10GigE HR-20000 카메라를 사용하는 프로젝트의 초기 성공을 바탕으로 DNW는 카메라를 업그레이드하고 향후 사용을 위해 Emergent Vision Technologies에서 HZ-21000-G 카메라 100대를 구입했습니다. 수상 경력에 빛나는 Zenith 시리즈 21GigE 카메라의 일부인 이 542MP 카메라는 QSFP28 100GigE 인터페이스를 통해 XNUMXfps의 프레임 속도를 달성합니다.
로 인정 2022 최고의 혁신 inVISION 잡지에서 HZ-21000-G는 Gpixel의 GSPRINT4521 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서를 특징으로 합니다. 새로운 카메라를 사용하여 DNW는 20000µs 미만의 다중 카메라 동기화 및 낮은 CPU 오버헤드를 포함하여 HR-1 카메라가 제공하는 동일한 이점으로 훨씬 더 빠른 프레임 속도를 달성할 수 있습니다.
추가 정보 :
Emergent Vision Technologies의 고속 카메라:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
