CN102944183B

CN102944183B - 一种大展弦比柔性机翼测量方法

Info

Publication number: CN102944183B
Application number: CN201210429149.2A
Authority: CN
Inventors: 陈文�
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102944183A

Abstract

本发明公开了一种大展弦比柔性机翼测量方法，包括以下步骤：在需进行变形检测的机翼区域表面布置标志点，在飞机机身顶部安装两台摄像装置；在飞行过程中利用所述的两台摄像装置对机翼进行立体成像，获取立体像对；利用所述立体像对获取标志点在局部坐标系中的三维坐标；利用所述标志点在局部坐标系中的三维坐标变化确定机翼的变形情况。本发明克服了大展弦比机翼变形实时监测的困难，实现了对机翼变形情况的快速准确获取。

Description

一种大展弦比柔性机翼测量方法

技术领域

本发明属于飞行器飞行状态及参数监测领域，涉及一种大展弦比柔性机翼测量方法。

背景技术

近十多年来高空长航时飞机越来越受到重视，在长期侦察监控、环境监测和通讯中继等军民用方面具有广阔的发展前景。这类飞机普遍具有大展弦比机翼、结构重量轻、柔性大等特点。大展弦比飞机在飞行载荷作用下，机翼会产生很大的弯曲和扭转变形，对这种机翼大的变形量的实时高精度测量，对飞机的性能的评估、飞机的设计和结构的研究等具有重要意义。

传统的机翼变形主要基于常规的线性系统求解体系中的小变形假设，即将机翼变形视为一种小型的弹性形变，采用弹性薄板理论模型对机翼变形进行描述，通过对翼端的变形量测来推导翼身的形变。显然这种方法不适用于大展弦比柔性机翼。

还有一种方法是采用传感器对机翼变形情况进行监测，该方法能实时获取机翼的变形情况，但是需要在翼身布设较多的传感器，代价较高，而且在高空飞行过程中传感器数据容易受到干扰，也不能对机翼的实时变形情况进行直观监视。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种大展弦比柔性机翼测量方法，克服了大展弦比机翼变形实时监测的困难，实现了对机翼变形情况的快速准确获取。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种大展弦比柔性机翼测量方法，在对机翼进行实时监控的同时，采用摄影测量手段对机翼的变形量进行计算。

摄影测量的几何基础是共线条件方程，在摄影瞬间摄影中心、像点以及目标点位于同一直线。共线条件方程如下：

\begin{matrix} x - x_{0} = - f \frac{a_{1} (X - X_{s}) + b_{1} (Y - Y_{s}) + c_{1} (Z - Z_{s})}{a_{3} (X - X_{s}) + b_{3} (Y - Y_{s}) + c_{3} (Z - Z_{s})} \\ y - y_{0} = - f \frac{a_{2} (X - X_{s}) + b_{2} (Y - Y_{s}) + c_{2} (Z - Z_{s})}{a_{3} (X - X_{s}) + b_{3} (Y - Y_{s}) + c_{3} (Z - Z_{s})} \end{matrix}\}

其中x，y为像点的像平面坐标，x₀，y₀，f为影像的内方位元素，X_s，Y_s，Z_s为摄影中心的空间坐标，XYZ为目标点的空间坐标，a_i，b_i，c_i，(i＝1，2，3)为相机姿态参数组成的方向余弦，摄影中心的位置参数和姿态参数统称为影像的外方位元素。

由此可知，在已知摄影中心位置和姿态参数，以及目标点在两张或两张以上影像上的像点坐标时，即可进行平差求解目标点的空间坐标。本发明包括如下步骤：

在需进行进行变形检测的机翼区域表面布置标志点，在飞机机身顶部安装两台摄像装置；

在飞行过程中利用所述的两台摄像装置对机翼进行立体成像，获取立体像对；

利用所述立体像对获取标志点在局部坐标系中的三维坐标；

利用所述标志点在局部坐标系中的三维坐标确定机翼的变形情况。

进一步的，所述摄像装置对所述机翼进行同步正直摄影，所述摄像装置的摄影基线平行于飞机机身中轴线，且垂直于摄影装置的摄影主光轴。

进一步的，所述标志点采用回光反射标志，均匀分布于机翼翼面需进行变形监测的区域。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

现有技术中，采用在机翼布设传感器的方法确定机翼的变形情况，布设成本较高，而且容易出现故障，检测结果也不能保证精度要求。本发明在机翼需进行变形监测的区域通过布设标志点的方式实现对机翼变形情况的确定，实现成本较低，而且不用担心因形变或环境变化引起故障。且摄影测量中用于计算坐标的共线条件方程为严格的几何模型，能保证较高的测量精度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为标志点示意图；

图3为标志点布设示意图。

具体实施方式

下面就结合图1所示流程图对本发明做进一步介绍。

(1)摄像装置的安装与标志点布设

本发明利用两台摄像装置组成的立体成像装置对飞机机翼进行立体成像。摄像装置需安装在机身顶部中轴线附近，采用固定支架进行挑高安装，安装完成后使摄影基线与机身中线保持平行，摄像机与机身距离原则上不低于10cm，以保证摄像装置侧向摄影的成像质量，使得影像能区分所布设的标志点，以提高后续数据处理的精度。标志点形式可如图2所示。

本发明中摄影方式为正直摄影，而且主光轴与被摄物体表面夹角较小，为保证机翼布设的各标志点能在影像中清晰成像，需采用回光反射标志RRT(Retro-Reflective Rargets)，将标志点以棋盘形式布设于机翼表面，如图3所示，由两个摄像装置对布设有标志点的机翼区域进行成像。回光反射标志是近年来实施高精度工业摄影测量和特种摄影测量，帖附在被测物体表面上的一种人工标志，方便成像后的快速、准确而可靠的定位。

(2)摄像装置定标与标志点初始坐标计算

在利用摄像装置对标志点进行立体成像前，需要对摄像装置进行定标。定标又称为检校，主要是为了检查和校正摄像装置的内方位元素和光学畸变参数，可以采用实验场检校法。实验场一般由一组已知空间坐标的标志点构成，本系统只需要局部坐标系统，因而采用活动控制场。待检校的摄像装置对试验场进行拍摄后，根据标志点的像点坐标和物空间三维坐标，根据共线条件方程以及畸变模型，可以同时平差解算相机的内外方位元素以及光学畸变参数。定义局部坐标系，以某一摄像装置的摄影中心为原点，摄影基线(两摄像装置摄影中心的连线)为X坐标轴，Y轴垂直于X轴平行于机翼表面，Z轴垂直与XY轴平面，根据解算得到的两摄像装置外方位元素推导摄像装置在局部坐标系中的外方位元素，依据摄像装置安装条件可知，外方位元素在飞机飞行过程中保持不变。

完成定标和外方位元素解算后，对铺设标志的机翼进行拍摄获取立体像对，量测同名标志点的像点坐标，即可以通过共线条件方程求解各标志点在局部坐标系中的原始坐标。

(3)利用实时获得的标志点三维坐标确定机翼的变形情况

飞行过程中各标志点实时坐标解算与标志点初始坐标解算类似，对实时获取的立体像对进行图像处理，首先提取各个标志点，然后采用SIFT算法进行影像匹配，确定影像中的同名标志点，再依据影像的内方位元素解算各个标志点在两张影像中的像平面坐标，最后根据共线条件方程解算各标志点在局部坐标系中的坐标，并与其原始坐标进行比较，得到各标志点的坐标变化情况，即机翼的变形情况。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种大展弦比柔性机翼测量方法，其特征在于包括以下步骤：

在需进行变形检测的机翼区域表面布置标志点，在飞机机身顶部安装两台摄像装置，其中，摄像装置需安装在机身顶部中轴线附近，采用固定支架进行挑高安装，安装完成后使摄影基线与机身中线保持平行，并且摄像装置与机身之间的距离不低于10cm；

在飞行过程中利用所述的两台摄像装置对机翼进行实时同步立体成像，获取立体像对；对实时获取的立体像对进行图像处理，提取各个标志点，采用SIFT算法进行影像匹配，确定影像中的同名标志点；

利用所述立体像对获取标志点在局部坐标系中的三维坐标，其中，所述局部坐标系为：以某一摄像装置的摄影中心为原点，两摄像装置摄影中心的连线为X坐标轴，Y轴垂直于X轴且平行于机翼表面，Z轴垂直于XY轴平面；依据影像的内方位元素解算各个标志点在两张影像中的像平面坐标；根据共线条件方程解算各标志点在局部坐标系中的三维坐标；

利用所述标志点在局部坐标系中的三维坐标变化确定机翼的变形情况，将上述各标志点在局部坐标系中的三维坐标与其原始坐标进行比较，得到各标志点的坐标变化情况，即机翼的变形情况。

2.如权利要求1所述的一种大展弦比柔性机翼测量方法，其特征在于：所述摄像装置对所述机翼进行同步正直摄影，所述摄像装置的摄影基线平行于飞机机身中轴线，且垂直于摄影装置的摄影主光轴。

3.如权利要求1所述的一种大展弦比柔性机翼测量方法，其特征在于：所述标志点采用回光反射标志，均匀分布于机翼翼面需进行变形监测的区域。