CN103134477A - 一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法，包括步骤：1）利用两个双目立体视觉系统构建直升机桨叶运动图像获取装置；2）利用标准标定模板，实现每一个双目立体视觉系统的标定；3）在直升机每片桨叶上粘贴一定数量的标记点；4）在提取双目立体视觉左右图像中桨叶标记点和标记点匹配的基础上；5）利用第4步获取的桨叶中标记点的三维信息，并根据桨叶运动参数挥舞、摆振和扭转的定义进行计算，得到直升机旋翼桨叶运动参数。本发明的优点是：具有操作简单、非接触式、危险系数小和精度高等优点。

Description

一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法

技术领域

本发明涉及基于双目立体视觉的测量方法，尤其涉及一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法。

背景技术

旋翼是直升机的核心部件，旋翼桨叶高速旋转产生直升机飞行所需的升力和推力。桨叶为柔软细长结构，在旋转过程中会产生挥舞、摆振和扭转形变。挥舞角、摆振角和扭转角的变化，被称为旋翼桨叶运动参数。通过测量旋翼桨叶运动参数可以确定桨叶的运动范围和桨尖的运动轨迹，为旋翼结构设计、桨毂上下限动块设计、桨叶载荷设计、旋翼共锥度调整提供重要依据。旋翼桨叶运动参数测量直接关系到直升机的安全性、舒适性、可靠性和武器系统的准确性，是直升机研制、生产和使用维护中的重要检查项目。

旋翼桨叶运动参数测量伴随着直升机发展的整个过程，在直升机研制、生产和维护工作中占有相当重要的地位。精确、高效、自动地测量桨叶运动参数是直升机设计生产单位一直努力研究的方向，国外对桨尖运动轨迹的研究较多，但对整个旋翼桨叶运动参数的研究较少。传统的测量方法有：(1)几何测量法，该类方法通常采用位移传感器和激光位移传感器，将角度变化转化为位移变化进行测量，但只能测量桨叶的挥舞角和摆振角，无法测量桨叶的扭转角；(2)应变模态分析法，这也是目前在实际应用中使用的方法之一，尽管该方法在理论上很完备，但在实际应用中存在很大局限，甚至可能产生无法接受的试验误差。传统的旋翼桨叶运动参数测量技术要么不能测量桨叶扭转，要么无法直接测量桨叶运动参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法。采用两个双目立体视觉系统构建桨叶运动图像获取装置，采用在直升机每片桨叶上粘贴一定数量的标记点，通过测量桨叶上标记点三维信息的方法实现直升机旋翼桨叶运动参数挥舞、摆振和扭转的测量，具有操作简单、非接触式、危险系数小、精度高以及能同时测量挥舞、摆振和扭转等桨叶运动参数的优点。

本发明包括以下主要步骤：

1）利用两个双目立体视觉系统构建直升机桨叶运动图像获取装置；

2）利用标准标定模板，实现每一个双目立体视觉系统的标定；

3）在直升机每片桨叶上粘贴一定数量的标记点，用第1步构建的图像获取装置采集运动的桨叶图像；

4）在提取双目立体视觉左右图像中桨叶标记点和标记点匹配的基础上，利用标记好的双目立体视觉系统中摄像机内外参数实现桨叶中标记点的三维信息测量；

5）利用第4步获取的桨叶中标记点的三维信息，并根据桨叶运动参数挥舞、摆振和扭转的定义进行计算，得到直升机旋翼桨叶运动参数。

本发明的优点是：采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法和Brown方法对双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定，其标定精度高、操作方便；采用在直升机旋翼桨叶两侧均匀粘贴已知大小、形状和间距标记点的方法，实现桨叶中标记点三维信息测量，其标记点匹配精度和三维测量精度高；针对传统旋翼桨叶运动参数测量方法操作复杂、接触式、操作人员工作强度大和危险系数大等问题，采用双目立体视觉测量方法，具有操作简单、非接触式、危险系数小和精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明方法要求采集不同方向的棋盘格图像，且棋盘格平面与摄像机的图像平面需有一定夹角，同时，不同方向的棋盘格平面不能平行；要求两个双目立体视觉系统安装在地面上，一个对准直升机桨叶前行侧，另一个对准直升机桨叶后行侧，使整个直升机桨叶都能被观测到；要求千兆网摄像机的帧率需大于144fps，且在桨叶高速旋转的状态下，每隔一定角度（如15°角）采集一次桨叶图像，每个角度重复采集50-100次。

本发明采用如图1所示的基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法的流程图，实现桨叶运动参数的测量，其具体实施步骤如下：

1、构建桨叶运动图像获取装置

本发明利用两台千兆网摄像机、千兆网交换机、同步采集器构建一个双目立体视觉系统；利用两个双目立体视觉系统、PC机、角度传感器、照明设备构建桨叶运动图像获取装置。

2、立体视觉系统标定

本发明采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法和Brown方法对双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定；采用基于OpenCV的立体标定算法，对双目立体视觉系统进行立体标定。其主要步骤如下：

1）采集10对以上不同方向的棋盘格图像，且棋盘格平面与摄像机的图像平面需有一定夹角，同时，不同方向的棋盘格平面不能平行；

2）采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法和Brown方法对双目立体视觉系统进行平面标定，获取双目立体视觉系统中两台摄像机的内外参数；

3）采用基于OpenCV的立体标定算法，对双目立体视觉系统进行立体标定，获取双目立体视觉系统中两台摄像机之间的旋转矩阵和平移矩阵；

4）重复步骤1）至步骤3），对另一个双目立体视觉系统进行标定。

3、粘贴标记点的桨叶运动图像获取及预处理

先在每片桨叶两侧均匀粘贴已知大小、形状和间距的标记点；然后，在桨叶高速旋转的状态下采集带有标记点的桨叶图像；最后，对采集的图像进行预处理。其主要步骤如下：

1）在每片桨叶两侧均匀粘贴已知大小、形状和间距的标记点；

2）在桨叶高速旋转的状态下，由角度传感器每隔一定角度发送一个信号触发双目立体视觉系统中左右摄像机同时采集一帧图像，每个角度重复采集50-100帧图像；

3）采用基于OpenCV的矫正算法对每幅桨叶图像进行几何矫正；

4）采用Bouguet立体校正算法分别计算出左右摄像机的投影矩阵、                                                

和行对准校正旋转矩阵

、

；

5）利用行对准校正旋转矩阵、

，对左右桨叶图像进行立体校正，从而得到严格水平行对准的左右桨叶图像；

6）采用最大类间方差阈值法对桨叶图像进行二值化，实现了桨叶中标记点与背景的分离；

7）采用图像膨胀与腐

蚀、图像滤波和最大连通域等方法去除背景噪声的干扰。

4、标记点三维信息测量

先对第3步得到的二值图像中标记点进行检测，并提取标记点的特征信息；然后，对左右图像中的标记点进行匹配；最后，在匹配的基础上，计算出标记点的三维信息。其主要步骤如下：

1）采用扫描法对第3步得到的二值图像中标记点进行检测，获得标记点的图像坐标，并提取标记点的特征信息；

2）利用标记点的特征信息，对左右图像中的标记点进行匹配；

3）利用空间三维坐标到左右摄像机图像坐标的转换公式，列出超定线性方程组，求其最小二乘解，该最小二乘解即为标记点的三维坐标，空间三维坐标到左右摄像机图像坐标的转换公式如下：

      

其中，

、

分别为第3步计算出的左、右摄像机的投影矩阵，

为标记点的三维坐标，

、分别为同一标记点在左、右摄像机图像平面的图像坐标，、

分别为左、右摄像机图像坐标到屏幕坐标的转换系数；

4）重复步骤1）至步骤3）计算出另一个双目立体视觉系统拍摄的桨叶图像中标记点的三维信息。

5、桨叶运动参数测量

先确定直升机旋翼桨毂的三维坐标；然后，将第4步得到的标记点三维坐标转换为直升机旋翼桨毂坐标系统下的三维坐标；最后，计算桨叶运动参数。其主要步骤如下：

1）根据1/4桨叶位置的标记点的三维坐标信息，利用最小二乘法对1/4桨叶位置的标记点进行曲线拟合，得到一个圆；

2）计算出圆心坐标，该圆心的x坐标和y坐标即为直升机旋翼桨毂中心的x坐标和y坐标，并假设直升机旋翼桨毂中心的z坐标为静止状态下直升机旋翼桨毂的高度；

3）将第4步左摄像机坐标系统下的标记点三维信息转换为直升机旋翼桨毂坐标系统下的三维信息；

4）利用步骤3）得到的直升机旋翼桨毂坐标系统下的标记点三维信息，并根据桨叶挥舞、摆振和扭转的定义，分别计算出不同旋转角下桨叶挥舞、摆振和扭转等参数，实现了桨叶运动参数的测量。

Claims (1)

1.一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量方法，其特征在于包括以下方法步骤： 

1）利用两个双目立体视觉系统构建直升机桨叶运动图像获取装置；

2）利用标准标定模板，实现每一个双目立体视觉系统的标定；

3）在直升机每片桨叶上粘贴一定数量的标记点，用第1步构建的图像获取装置采集运动的桨叶图像；

4）在提取双目立体视觉左右图像中桨叶标记点和标记点匹配的基础上，利用标记好的双目立体视觉系统中摄像机内外参数实现桨叶中标记点的三维信息测量；

5）利用第4步获取的桨叶中标记点的三维信息，并根据桨叶运动参数挥舞、摆振和扭转的定义进行计算，得到直升机旋翼桨叶运动参数。

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