CN105606041B - 一种基于pc/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置及方法。测量装置包括：双目立体视觉系统、PC/104嵌入式系统、外触发模块、供电模块、配置工具、测量标记点等。测量方法包括：双目立体视觉系统标定方法和旋翼共锥度实时测量方法。测量前，配置工具通过千兆以太网接口连接测量装置，完成测量装置参数配置和双目立体视觉系统标定；测量时，双目立体视觉系统根据外触发模块的触发信号进行桨叶双目图像采集，然后实时地进行图像处理和三维坐标计算，最后利用空间距离法计算旋翼共锥度参数，并通过RS485总线将测量结果实时发送给机载数据采集系统。本发明的优点是：可机载测量、精度高、非接触、操作简单安全。

Description

一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种计算机视觉技术领域的装置和方法，具体来讲，是一种基于PC/104嵌入式系统和双目立体视觉系统的直升机旋翼共锥度机载测量装置及方法，可应用于旋翼共锥度的机载测量。

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。旋翼共锥度是指直升机旋翼在飞行过程中不同桨叶形成不同的圆锥面，反映各个圆锥面锥度角重合的程度。旋翼共锥度直接影响直升机的安全性、舒适性和武器系统的准确性，在直升机研制、生产和日常维护中需要反复测量和调试。精确、高效、自动地检测或测量旋翼共锥度更是直升机设计生产单位一直努力研究的方向。

目前，国内外先后研究出多种旋翼共锥度检测方法：

(1)标杆法。是一种最原始的简单手动测量方法，在测量时需要地、空勤人员相互协同，具有一定的危险性，测量精度较低，且只能在地面开车时进行测量。

(2)频闪仪法。是先在旋翼各个桨叶桨尖处安装不同形状的靶标，然后用目视方法确定桨叶锥体的大小。这种方法简单，但没有靶标位置的记录，主要靠人眼观察进行主观判断，精度较差，且首次锁定靶标所需的时间较长，易对机体结构造成危害。

(3)激光测量法。是利用三束激光束构成一个三角形，通过测量不同桨叶穿越三角形的时间差，实现旋翼共锥度测量。该方法测量精度较高，但要求其中的两束光线相互平行且垂直于桨叶运动平面，这在实际操作中很难做到。

(4)通用轨迹设备(UTD)法。通过对旋翼桨叶轨迹的测量实现旋翼共锥度的检测。该方法要求精确测得UTD设备的安装角度和旋翼主轴到安装位置的水平距离，否则会严重影响旋翼共锥度的检测结果。

(5)高速CCD成像法。该方法测量时要求CCD成像光轴与旋翼垂直，这在实际操作中很难做到，且要求已知CCD成像物距，而成像过程中物距通常是变化的，这些都会影响测量精度。

(6)全景视觉法。该方法的测量精度较高，但由于要将折反射全景摄像机安装在直升机桨毂上，这会对直升机的性能产生严重影响。现有的旋翼共锥度测量方法全部只能在地面开车的状态下进行测量调试，无法进行机载在线测量和监控。

双目立体视觉技术作为近年来光学三维测量技术的研究热点，具有非人工接触、动态测量、低成本和易维护等优点，目前已广泛应用于农业、工业、医学和军事领域。

因此，本发明将双目立体视觉技术结合PC/104嵌入式系统应用于直升机旋翼共锥度的机载在线测量，可有效提高直升机旋翼状态监测和评估效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置及方法。为实现上述目的，本发明包括以下三个方面的内容。

1.一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置，该装置的硬件主要组成包括：双目立体视觉系统、PC/104嵌入式系统、外触发模块、供电模块、配置工具和测量标记点；其特征在于：测量装置的外壳内置有供电模块、双目立体视觉系统、PC/104嵌入式系统和基板，所述供电模块、双目立体视觉系统、PC/104嵌入式系统放置在基板上，外壳上端设有透明玻璃板，外壳下端有支架套管，支架套管和直升机安装支架绑定，所述供电模块连接双目立体视觉系统和PC/104嵌入式系统，所述双目立体视觉系统连接PC/104嵌入式系统，所述双目立体视觉系统外接外触发模块，所述PC/104嵌入式系统外接配置工具，所述供电模块外接电源；其中：

1)双目立体视觉系统：用于采集旋翼桨叶上测量标记的双目图像。

2)PC/104嵌入式系统：用于与装置外部通信、进行双目图像处理和三维坐标计算。扩展三个千兆以太网接口，分别用于连接配置工具和双目立体视觉系统；运行Linux平台，安装自行开发的测量软件进行图像处理和标记点的三维坐标计算，得到旋翼共锥度。

3)外触发模块：用于当旋转中的桨叶通过指定位置时，角度传感器输出信号触发双目立体视觉系统采集桨叶测量标记点双目图像。

4)供电模块：用于把外部+28V DC电源转换输出，为双目立体视觉系统提供+12VDC电源，为PC/104嵌入式系统提供+24V DC电源。

5)配置工具：用于对测量装置进行参数设置和立体标定。由于直升机的载荷和操作空间限制，本发明将立体视觉系统的标定和图像显示部分设计为地面配置工具，无需作为机载部分，减少了直升机的载荷。

6)测量标记点：用于双目立体视觉中左右图像的精确匹配，可以为圆形或棋盘格标记点。

2.本发明装置的组装方法包括：

1)测量装置作为机载模块安装于直升机机身上侧安装槽内，而用于标定的图像显示功能则通过千兆以太网外接配置工具实现。

2)在直升机旋翼各桨叶上分别等距粘贴测量标记点和红外反光片，且每个桨叶上的标记点和反光片中心保持在同一个旋转角度。测量标记可以为圆形标记或棋盘格标记。

3.一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量方法，其特征在于包括以下方法步骤：

1)对测量装置进行配置和立体标定，具体步骤如下：

(a)通过千兆以太网接口，将机载测量装置与配置工具相连。

(b)利用配置工具查找、连接和设置立体视觉系统。

(c)在目标位置放置标定模板，利用配置工具采集模板的双目图像。

(d)在配置工具上采用张正友标定法对双目立体视觉系统进行立体标定，得到标定参数集Φ。

2)测量装置进行旋翼共锥度的机载实时测量，具体步骤如下：

(a)实时采集桨叶上标记点的双目图像。直升机旋翼桨叶旋转到指定位置时，外触发模块触发双目摄像机采集标记点双目图像。旋翼转轴转动一圈为一个周期，在保证周期完整性前提下尽最大能力采集图像，并对采集的图像进行标记点识别和有效性检查，舍弃含有不合格图像的周期。

(b)计算标记点三维坐标。利用双目立体视觉系统标定参数Φ对标记点双目图像进行立体校正，然后，提取标记点并进行三维坐标计算。

(c)解算旋翼共锥度。利用直升机旋翼桨叶标记点P_k，k＝1,2,3...N的三维坐标，其中N为直升机桨叶的数目，以其中一个桨叶为参考桨叶，根据其它桨叶各标记点到参考桨叶标记点的距离D_i,i＝1,2,...N-1，以及标记点到旋翼转轴中心O点的距离R，采用正弦定理计算出不同桨叶之间的共锥度角α_i：

α_i＝2arcsin D_i/2R,i＝1,2,...N-1。

(d)输出测量结果。将旋翼共锥度测量结果通过RS485总线实时发送给机载数据采集系统。

本发明的优点是：(1)本装置可安装于直升机机身上侧的安装槽内，作为机载模块实现旋翼共锥度的机载在线测量和实时动态监测。(2)通过采用角度传感器和等半径分布测量点的方法，直接利用测量点空间距离和半径解算旋翼共锥度，测量精度高。同时，该测量装置具有操作简单安全和非接触的优点。

附图说明

图1是本发明装置的外观设计示意图。

图2是本发明装置的硬件组成框图。

图3是本发明装置的机载安装示意图。

图4是本发明装置的测量标记点和反光片安装示意图。

图5是本发明装置的测量方法流程图。

在图中，1为供电模块，2、双目立体视觉系统，3、PC/104嵌入式系统，4、透明玻璃板，5、基板，6、外壳，7、支架套管，8、直升机安装支架，9、配置工具，10、外触发模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。本发明的实施方式包括硬件系统设计、软件系统设计和测量方法设计三个方面，各部分的具体实施方式如下。

1、测量装置硬件系统设计和实施方法

1)测量装置的硬件组成；

为了满足直升机旋翼大尺度测量场景、高转速动态测量、飞行时机载测量安装三个特殊要求，本发明装置的外观设计示意图和硬件组成框图分别如图1和图2所示，其中：供电模块1、双目立体视觉系统2和PC/104嵌入式系统3为本装置的核心功能模块；透明玻璃板4、基板5、外壳6和支架套管7为装置的支架和外壳模块，直升机安装支架8、配置工具9和外触发模块10是外接功能模块。

测量装置包括四个外部接口：用于给装置供电的+28V航空直流电源接口；用于连接外部配置工具的千兆以太网接口；用于触发双目立体视觉系统采集的触发信号接口；用于将测量结果实时上传到机载数据采集系统的RS485串口。

测量装置内部各模块均为军工标准产品。供电模块1把外部输入的+28V航空直流电源转换成+12V DC和+24V DC分别给双目立体视觉系统2中的摄像机和PC/104嵌入式系统3供电。外触发模块随着旋翼桨叶上反光片转动到指定位置，触发双目立体视觉系统采集测量标记点的双目图像；PC/104嵌入式系统接收双目图像、提取标记点、计算标记点的三维坐标、解算旋翼共锥度并通过RS485串口发送给机载数据采集系统。

为了降低散热要求从而控制测量装置的外部尺寸，同时为了满足数据处理能力，PC/104主机采用了凌动^TM单核处理器，其它技术指标包括2GB DDR3表贴内存、板载8G SSD、3个10/100/1000Base-T以太网接口、-40℃～+85℃工作温度。

为了满足立体视觉动态测量精度，双目立体视觉系统中摄像机的主要指标包括：外触发工作模式、全局快门、幅面为1280*1024、帧率为60fps、配套镜头要求畸变系数小，且焦距根据拍摄距离和视场大小确定为35mm，两个摄像机光心距离B为300mm，摄像机选用北京微视公司型号为MVC1300SAM-GE60-N00的工业相机。

本发明提出基于PC/104嵌入式系统的直升机旋翼共锥度机载测量装置，其外观设计如图1所示。供电模块1、双目立体视觉系统2和PC/104嵌入式系统3固定安装在基板5上，而基板固定安装于外壳6之内，箱子顶上安装透明玻璃板4。外壳6带有支架套管7，用于将发明装置固定在直升机的安装支架8上。从套管7引出航空直流电源线、千兆以太网线、触发信号线和RS485串口线。

配置工具9是安装有配套软件的笔记本电脑。机载实时测量过程中不需要显示界面，而配置和标定过程需要观测图像，因此，本发明通过千兆以太网外接配置工具完成测量前的配置和标定。

2)测量装置的安装方法

测量装置安装于直升机机身前部上侧的安装槽中，如图3所示，通过装置的支架套管7与直升机的安装支架8进行固定安装，装置的各外部接口采用航空接头进行固定。

测量标记点和反光片安装方法如图4所示，其中o为旋翼转轴中心。在每片桨叶上相同半径R处粘贴测量标记点，在测量点半径上或外延直线上30cm处粘贴红外光反光片，且各反光片大小和形状相同；在机身上正对反光片的位置固定红外传感器。2、测量装置软件系统设计和实施方法

为了提高系统的鲁棒性，本发明装置的软件系统基于PC/104嵌入式系统和Linux环境开发。而配置工具的软件则可基于Windows系列操作系统，也可基于Linux系统。

飞机起飞测量前，根据需要可通过千兆以太网连接配置工具进行配置和标定，具体步骤为：运行配置工具软件，通过人机接口完成双目摄像机的查找、连接、配置，然后采集、显示、处理模板双目图像，最后获得双目立体视觉系统的标定参数集Φ。标定完成后，把标定结果发送并保存于PC/104嵌入式系统板载SSD的指定路径，作为实时旋翼共锥度测量的参数集。

实时测量时，首先导入标定参数集Φ，然后启动测量标记点的双目图像采集两个线程、双目图像处理两个线程、三维坐标计算线程、数据发送线程和主线程共七个工作线程。

针对不同转速的旋翼，本装置进行最大处理能力的实时测量。即，装置的处理帧速低于转速与桨叶数乘积时，自动进行以旋翼转动一周为周期的数据采集。比如，假设旋翼有A，B，C共3片桨叶，旋翼转速为10转/秒，则图像采集达到了30帧/秒。假设测量装置处理能力只能达到15帧/秒，则每隔一圈丢弃一组A，B，C图像对，从而保证旋翼共锥度测量的有效性。假设测量装置处理能力只能达到25帧/秒，则在缓存中以圈为周期，采用覆盖策略，进行每秒丢弃2组A，B，C图像对，实际处理速度为24帧/秒。

3、测量方法设计和实施方法

本测量装置的旋翼共锥度测量方法的流程图如图5所示。

标定过程采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法对双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定，包括多对棋盘格图像采集、单目标定、畸变校正、双目标定四个步骤。

实时测量旋翼共锥度的步骤如下：

Step1，实时双目图像采集。当每片桨叶旋转到传感位置时，外触发模块触发双目摄像机拍摄桨叶上测量标记点的双目图像。

Step2，图像校正。采用Brown矫正算法和标定参数集Φ对双目图像进行几何校正，采用Bouguet立体校正算法对双目图像进行立体校正。

Step3，标记点提取。采用最大类间方差阈值法提取标记点，采用二维形态滤波和最大连通域方法去除双目图像中的噪声干扰，精确定位测量标记点。

Step4，标记点三维坐标计算。首先，对双目图像中的测量标记点进行立体匹配；然后，根据立体标定参数集Φ中投影矩阵计算每片桨叶上测量标记点的三维坐标，并求取两两之间的空间距离D。

Step5，共锥度解算和输出。利用直升机旋翼桨叶标记点P_k，k＝1,2,3...N的三维坐标，其中N为直升机桨叶的数目，以其中一个桨叶为参考桨叶，根据其它桨叶各标记点到参考桨叶标记点的距离D_i,i＝1,2,...N-1，以及标记点到旋翼转轴中心O点的距离R，根据正弦定理计算出不同桨叶之间的共锥度角α_i：

α_i＝2arcsin D_i/2R,i＝1,2,...N-1。

然后把测量结果通过RS485串口发送给机载数据采集系统。

Claims (2)

1.一种基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置，其特征在于，该装置包括供电模块(1)、双目立体视觉系统(2)、PC/104嵌入式系统(3)、透明玻璃板(4)、基板(5)、外壳(6)、支架套管(7)、直升机安装支架(8)、配置工具(9)和外触发模块(10)；该装置还包括四个外部接口：用于给装置供电的+28V航空直流电源接口，用于连接外部配置工具的千兆以太网接口，用于触发双目立体视觉系统(2)采集的触发信号接口，用于将测量结果实时上传到机载数据采集系统的RS485串口；供电模块(1)把外部输入的+28V航空直流电源转换成+12V DC和+24V DC分别给双目立体视觉系统(2)中的摄像机和PC/104嵌入式系统(3)供电，外触发模块(10)随着旋翼桨叶上反光片转动到指定位置，触发双目立体视觉系统(2)采集测量标记点的双目图像，PC/104嵌入式系统(3)接收双目图像、提取标记点、计算标记点的三维坐标、解算旋翼共锥度并通过RS485串口发送给机载数据采集系统；供电模块(1)、双目立体视觉系统(2)和PC/104嵌入式系统(3)固定安装在基板(5)上，而基板(5)固定安装于外壳(6)之内，外壳(6)顶上安装透明玻璃板(4)；外壳(6)带有支架套管(7)，用于将该装置固定在直升机安装支架(8)上，从支架套管(7)引出航空直流电源线、千兆以太网线、触发信号线和RS485串口；

该装置安装于直升机机身前部上侧的安装槽中，通过该装置的支架套管(7)与直升机安装支架(8)进行固定安装，该装置的各外部接口采用航空接头进行固定；

在直升机旋翼各桨叶上相同半径R处粘贴测量标记点，在测量点半径上或外延直线上30cm处粘贴红外光反光片，且各反光片大小和形状相同；在机身上正对反光片的位置固定红外传感器。

2.一种根据权利要求1所述的基于PC/104嵌入式系统的旋翼共锥度机载测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下方法步骤：

1)对测量装置进行配置和立体标定，具体步骤如下：

a)运行配置工具软件，通过人机接口完成双目摄像机的查找、连接、配置，然后采集、显示、处理模板双目图像，最后获得双目立体视觉系统的标定参数集Φ；标定完成后，把标定结果发送并保存于PC/104嵌入式系统板载SSD的指定路径，作为实时旋翼共锥度测量的参数集；

b)实时测量时，首先导入标定参数集Φ，然后启动测量标记点的双目图像采集两个线程、双目图像处理两个线程、三维坐标计算线程、数据发送线程和主线程共七个工作线程；

c)针对不同转速的旋翼，本装置进行最大处理能力的实时测量，即装置的处理帧速低于转速与桨叶数乘积时，自动进行以旋翼转动一周为周期的数据采集；

标定过程采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法对双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定，包括多对棋盘格图像采集、单目标定、畸变校正、双目标定四个步骤；

2)测量装置进行旋翼共锥度的机载实时测量，具体步骤如下：

d)实时双目图像采集；当每片桨叶旋转到传感位置时，外触发模块触发双目摄像机拍摄桨叶上测量标记点的双目图像；

e)图像校正：采用Brown矫正算法和标定参数集Φ对双目图像进行几何校正，采用Bouguet立体校正算法对双目图像进行立体校正；

f)标记点提取：采用最大类间方差阈值法提取标记点，采用二维形态滤波和最大连通域方法去除双目图像中的噪声干扰，精确定位测量标记点；

g)标记点三维坐标计算：首先，对双目图像中的测量标记点进行立体匹配；然后，根据立体标定参数集Φ中投影矩阵计算每片桨叶上测量标记点的三维坐标，并求取两两之间的空间距离D；

h)共锥度解算和输出：利用直升机旋翼桨叶标记点P_k，k＝1,2,3...N的三维坐标，其中N为直升机桨叶的数目，以其中一个桨叶为参考桨叶，根据其它桨叶各标记点到参考桨叶标记点的距离D_i,i＝1,2,...N-1，以及标记点到旋翼转轴中心O点的距离R，根据正弦定理计算出不同桨叶之间的共锥度角α_i：α_i＝2arcsinD_i/2R,i＝1,2,...N-1；

i)然后把测量结果通过RS485串口发送给机载数据采集系统。