本发明涉及涡轮叶片冷却结构内部流场精确测量领域，尤其是涉及一种对冷却通道不同结构参数的流动进行精细化测量与可视化分析装置及方法。本发明涉及涡轮叶片气膜微小孔的精确测量领域，此领域为涡轮叶片设计与制造的关键技术之一。
背景技术：
1、随着高推重比、高效能、高稳定性的航空发动机需求，高压涡轮叶片所需要的服役温度越来越高，已远超涡轮叶片材料可承受的高温极限。复合气膜冷却技术是目前应用最广的涡轮叶片冷却方式，温度较低的湍流冷气从空心叶片内腔由气膜孔喷射而出，在叶片与发动机燃烧室喷出的高温燃气之间形成一层冷气膜，将涡轮叶片与发动机高温燃气隔开，以降低涡轮叶片表面温度。气膜孔作为气膜冷却结构的关键，其孔径、角度、位置分布等几何参数对涡轮叶片的冷却效率有重大的影响。
2、为了保证空心涡轮叶片冷却效率，气膜孔具有孔径小、数目多、深径比高、空间角度复杂、尺寸精度要求高的设计特点。因此，对气膜孔几何参数的快速精确测量就尤为重要。楔形扩张口鲁棒精确拟合算法对气膜孔轴线矢量和几何尺寸的计算精度，比气膜设计要求精度要高至少一个数量级，所以对提高涡轮叶片气膜孔加工形位精度与气膜孔精度检测具有重要的价值。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其能够有效对复杂形状的楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数进行精细化测量与可视化分析，克服了常规测量空心涡轮叶片微小气膜孔难度高以及测量时由于外部噪声扰动导致测量结果不准确等问题，实现具有高精度及鲁棒性的楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计，同时对气膜孔加工试验件和涡轮叶片实测数据的气膜孔几何参数计算，证明本发明所提方法的有效性。
2、为达到上述目的，本发明结合使用k-means算法、鲁棒平面拟合以及ransac算法对楔形扩张型涡轮叶片气膜孔进行几何参数的估计，最终得出平面内点的最优解；本发明具体包括以下步骤：
3、1)使用k-means算法对散乱点云根据点云所属平面进行聚类分析及法矢估计，再通过统计滤波对散乱点云进行去噪处理；
4、2)通过k-means对楔形扩张口点云聚类分析、各锥面点云分组，对各组点云进行鲁棒平面拟合，得到楔形体的空间角度信息，进而求出气膜孔楔形扩张口的前倾角和扩张角；
5、3)使用ransac算法获得初始平面后，再采用两次lm算法求得平面内点的最小二乘最优解，得到每个锥面的法矢角度以及每个锥面到原点的距离；
6、4)将得出的每个锥面几何参数计算值与理论值进行比对，得出多项误差结果，多次优化算法，采取最准确的模型。
7、在步骤1)中，所述使用k-means算法对散乱点云根据点云所属平面进行聚类分析的具体步骤可为：将待分类点随机分为k组，(1)计算每组点的中心；(2)根据点到各组中心的欧式距离，重新划分每组点，重复步骤(1)～(2)直至每组中心的位置不在变化或变化很小，则认为k-means算法收敛；
8、所述法矢估计，曲面上一点的微小邻域看作是一个微平面，该微平面与曲面在该点的切平面是近似重合的，可通过邻域微平面的法矢表示该点的法矢；k邻域点云分布最集中的方向就是这个邻域微平面的法矢法向，因此可用k邻域的最小主成分作为该点的法矢；
9、所述对散乱点云进行去噪处理采用统计滤波的方法，首先选取点的k邻域并计算k邻域点的质心和各邻域点到质心距离的标准差；当k邻域内的点到邻域质心点距离大于标准差的t倍时，认为此点是噪声点。
10、在步骤2)中，所述通过k-means对楔形扩张口点云聚类分析、各锥面点云分组的具体步骤如下：
11、(1)采用统计滤波算法，去除点云中的较大噪声；
12、(2)计算每一点的k邻域(k＝11)，计算k邻域点的质心及协方差矩阵，对邻域点协方差矩阵进行特征值分解，以最小的特征值对应的特征向量作为该点的法矢。
13、(3)对点云坐标及其法矢进行正则化，可通过下式计算，
14、
15、aij为点云法矢矩阵a(a∈n×6)中第i行第j列元素，ajmin为第j列最小元素，ajmax为第j列最大元素，n为点云中点的数目。
16、(4)对正则化点云使用k-means算法分为6组；
17、(5)计算各分组平面点云的法矢及法矢夹角，把法矢夹角小于给1°的两组点云合并为一组。
18、在楔形体各锥面点云完成分组后，对各组点云进行鲁棒平面拟合，即可获得楔形体的空间角度信息，进而可求出气膜孔楔形扩张口的前倾角和扩张角。
19、在步骤3)中，所述使用ransac算法获得初始平面，为了简化点到平面距离的计算，将三维空间中平面一般表达式ax+by+cz+d＝0转化为hessian标准形式；
20、nxx+nyy+nzz+p＝0
21、其中，
22、向量n＝(nx,ny,nz)为平面的单位法矢，p表示该平面距原点的有向距离；点x0到平面的有向距离为：
23、d＝ntx0+p
24、采用点到平面的加权角度距离，点xi到平面的加权角度距离公式为：
25、
26、其中，dα为锥面表面的加权角度距离，ωα为角度距离权重系数，0≤ωα<1。
27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28、1)本发明在使用时对气膜孔轴线矢量和几何尺寸的计算精度，比气膜设计要求精度要高至少一个数量级，可以用于气膜孔几何参数分析。
29、2)本发明综合考虑实际几何参数提取的复杂情况，能够切实模拟外点比例占13.7％，并且有高斯噪声的影响下的情况，能够满足研究要求。
30、3)本发明通过多锥面计算值与理论值相互对比，说明对楔形扩张型涡轮叶片气膜孔几何参数方法的真实性、准确性、有效性。
31、4)本发明中考虑实例中复杂孔型气膜孔的实际几何参数提取，来验证相关算法在实测气膜孔点云中的表现，证明本发明中所提算法的有效性。
1.一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于包括以下步骤：
2.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤1)中，所述使用k-means算法对散乱点云根据点云所属平面进行聚类分析的具体步骤可为：将待分类点随机分为k组，(1)计算每组点的中心；(2)根据点到各组中心的欧式距离，重新划分每组点，重复步骤(1)～(2)直至每组中心的位置不在变化或变化很小，则认为k-means算法收敛。
3.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤1)中，所述法矢估计，曲面上一点的微小邻域看作是一个微平面，该微平面与曲面在该点的切平面是近似重合的，可通过邻域微平面的法矢表示该点的法矢；k邻域点云分布最集中的方向就是这个邻域微平面的法矢法向，因此可用k邻域的最小主成分作为该点的法矢。
4.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤1)中，所述对散乱点云进行去噪处理采用统计滤波的方法，首先选取点的k邻域并计算k邻域点的质心和各邻域点到质心距离的标准差；当k邻域内的点到邻域质心点距离大于标准差的t倍时，认为此点是噪声点，t取值为1。
5.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤2)中，所述通过k-means对楔形扩张口点云聚类分析、各锥面点云分组的具体步骤如下：
6.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤2)中，所述求出气膜孔楔形扩张口的前倾角和扩张角的具体步骤为：对楔形体各锥面点云完成分组后，对各组点云进行鲁棒平面拟合，即可获得楔形体的空间角度信息，进而可求出气膜孔楔形扩张口的前倾角和扩张角。
7.如权利要求1所述一种楔形扩张型涡轮叶片气膜孔的几何参数估计方法，其特征在于在步骤3)中，所述使用ransac算法获得初始平面的具体步骤包括：
