CN107966112A - 一种大尺寸旋翼运动参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸旋翼运动参数测量方法，属于直升机试验测量技术领域，首先通过使用已完成标定的、含有多个摄像机的运动姿态视频测量与动态特性分析仪采集高速旋转大尺寸旋翼桨叶在不同方位角下，桨叶的运动轨迹影像数据；然后经过计算，重构出桨叶在不同方位角下的三维坐标；最后根据各运动参数定义，解算得到桨叶的各运动参数。本发明的测量方法中所使用的特征标记点生成方案及工艺，可有效克服大尺寸旋翼在高速旋转时可能造成的标记点脱落、成像不清晰、测量效果不明显等不足，还能能有效测量大尺寸桨叶的全场应变，其更加灵活，能进行旋翼运动参数的在线测量。

Description

一种大尺寸旋翼运动参数测量方法

技术领域

本发明属于直升机试验测量技术领域，尤其涉及一种大尺寸旋翼运动参数测量方法。

背景技术

旋翼作为直升机的重要组成部件，为直升机的飞行提供所需的升力和推进力。旋翼桨叶的动力学特性直接影响到直升机的性能。大尺寸(例如直径大于20m)旋翼桨叶在高速旋转过程中承受着巨大的气动、振动载荷；再者，受材料、重量和成本等因素的制约大尺寸旋翼桨叶往往需要采用柔性设计，导致大尺寸旋翼将产生比普通尺寸旋翼更大的弹性形变。而在研究设计过程中又没有比较精准的理论计算模型，这便对大尺寸旋翼桨叶运动参数测量提出了更加迫切的需求。对旋翼运动参数的测量和分析，可以为大尺寸直升机旋翼系统设计提供可靠的试验数据；另一方面，实时测量桨叶挥舞、摆振等运动参数，也可以实现对直升机旋翼运动状态的实时监测，提高直升机的安全性和使用效率。

目前国内外对旋翼桨叶运动参数的测量方法主要有：

1)应变测量法，该方法技术成熟、试验设备简单、成本低，但存在静态标定过程复杂，动态测量与静态标定环境一致性对测量结果影像较大等不足；

2)光栅投影法，该方法使用设备数量少，无需在桨叶表面上布置大量应变片，是一种非接触式测量方法，但存在对测试环境、光栅投影安装位置精确度要求高，且桨尖测量结果较差等不足；

3)激光动态测量法，该方法也是一种非接触式测量方法，具有测试精度高，体积和功耗小、抗干扰能力强等优点，但也存在可测量参数少、三叉件结构对飞行机动性能造成影响等不足。

发明内容

本发明的目的提供一种基于运动姿态视频测量与动态特性分析仪的大尺寸旋翼运动参数非接触式测量方法，以克服现有技术中或是测量参数多、结构复杂，或是成像不清晰、测量精度低，或是测量过程中安装位置不方便等任一问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大尺寸旋翼运动参数测量方法，其基于运动姿态视频测量与动态特性分析仪进行测量，其包括：

步骤1：在大尺寸旋翼的每片桨叶下表面1/4翼弦线及3/4翼弦线上，均匀布置圆形编码环，作为桨叶表面的特征标记点；

步骤2：依据桨叶长度及相机视角，在桨叶下方布置多个含有相机的运动姿态视频测量与动态特性分析仪；

步骤3：采用自标定技术完成运动姿态视频测量与动态特性分析仪的内、外参数标定；

步骤4：在使用运动姿态视频测量与动态特性分析仪，采集大尺寸桨叶在不同方位角下的同步影像序列的基础上，利用步骤3得到的分析仪内、外标定参数，实现大尺寸桨叶的三维坐标重构；

步骤5：在获得大尺寸桨叶的三维坐标信息的基础上，根据旋翼桨叶各运动参数定义实现各运动参数的求解。

进一步的，所述编码环采用具有颜色反差的两种颜色填涂，两种颜色包括黑底白环或白底黑环。

进一步的，所述圆形编码环的圆度高于0.99。

进一步的，所述相机数量为八个，以四个为一组，一组布置于靠近桨叶的根部，一组布置于靠近桨叶的叶尖，每组相机均以旋翼轴为中心均布。

进一步的，大尺寸桨叶三维坐标重构过程为：

1)将大尺寸旋翼桨叶下表面1/4翼弦线处的圆形编码环标记点p₁～p_n，在一圈内不同方位角上的三维坐标，进行平面拟合，得到拟合平面S₁～S_n；再将p₁～p_n分别投影到平面S₁～S_n下，对p₁～p_n在平面S₁～S_n下的投影点进行圆拟合，得到圆心O₁～O_n；对圆心O₁～O_n进行直线拟合，得到拟合直线l；拟合直线l即为转轴所在直线，从而得到旋翼桨毂坐标系z轴方向；

2)依据1/4翼弦线处的桨叶标记点在不同方位角下的三维坐进行曲线拟合，得到拟合曲线l₁～l_m，在直线l上寻找点p，利用迭代法，计算点p到曲线l₁～lm距离之和最小的三维坐标，并将此值作为旋翼中心O_t的坐标，即为旋翼桨毂坐标系原点，沿直升机径向为X轴，Y方向由右手定则确定；

3)将得到的大尺寸旋翼桨叶三维坐标转换为旋翼桨毂坐标系下的三维坐标。

本发明的测量方法中所使用的特征标记点生成方案及工艺，可有效克服大尺寸旋翼在高速旋转时可能造成的标记点脱落、成像不清晰、测量效果不明显等不足；此外，本发明所使用的相机布置方案，能有效测量大尺寸桨叶的全场应变；最后，本发明所使用的自标定法，不需要任何的外部控制点，因而更加灵活，能进行旋翼运动参数的在线测量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的测量流程图。

图2为本发明所使用的圆形编码标记点。

图3为运动姿态视频测量与动态特性分析仪相机布置示意图。

图4为桨毂坐标确定示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于运动姿态视频测量与动态特性分析仪的大尺寸旋翼运动参数测量方法。在本发明中，首先通过使用已完成标定的、含有多个摄像机的运动姿态视频测量与动态特性分析仪采集高速旋转大尺寸旋翼桨叶在不同方位角下，桨叶的运动轨迹影像数据；然后经过计算，重构出桨叶在不同方位角下的三维坐标；最后根据各运动参数定义，解算得到桨叶的各运动参数。

如图1，本发明的测量方法主要步骤如下：

步骤一：在大尺寸旋翼的每片桨叶下表面的1/4翼弦线及3/4翼弦线上，均匀布置黑底白色圆形编码环，作为桨叶表面的特征标记点；

步骤二：依据桨叶长度及相机视角，在桨叶下方布置含有八个相机的运动姿态视频测量与动态特性分析仪；

步骤三：采用自标定技术完成运动姿态视频测量与动态特性分析仪的内、外参数标定；

步骤四：在使用运动姿态视频测量与动态特性分析仪，采集大尺寸桨叶在不同方位角下的同步影像序列的基础上，利用步骤3得到的分析仪内、外标定参数，实现大尺寸桨叶的三维坐标重构；

步骤5：在获得大尺寸桨叶的三维坐标信息的基础上，根据旋翼桨叶各运动参数定义实现各运动参数的求解。

在本发明的上述步骤中：

1、特征标记点生成及布置

对大尺寸旋翼桨叶，普通的在被测物体表面喷射黑、白相间的油漆形成的散斑点与测量幅面相比太小，在采集的影像上无法呈现出清晰的散斑特征，无法满足大尺寸桨叶的运动参数测量需求。因此在本发明中，采用在大尺寸旋翼的每片桨叶下表面1/4翼弦线及3/4翼弦线上两处位置，黏贴黑底、白色圆形编码环作为桨叶表面特征标记点，如图2所示。编码环及其在桨叶下表面的布置主要要求如下：

1.1)圆形编码环的内圆度与外围编码环的圆度精度达到0.99以上，为了更加清洗，本实施例中采用圆度精度达到0.997的编码环，三圆环同轴度误差小于±0.01mm，外围编码环与内圆直径严格按照4:1比例；

1.2)翼弦线上相邻两个编码环圆心距为0.045R，其中R为桨叶长度；

1.3)使用的油墨密度均匀、色相饱和、纯度高，胶印为2μm～4μm，柔印为10μm；制作材料采用厚度薄、表面平整、光滑的高级印刷材料，厚度不超过0.2mm；

1.4)圆形编码环表面覆哑光膜，以保证在强光下不反光；哑光膜与圆形编码环表面粘合采用特制强力胶，保证均匀、密封、平整，在高气流下不被冲掉；

1.5)为防止旋翼桨叶在高速旋转过程中产生的高速气流可能会吹起纸基圆形编码环，圆形编码环的背胶铺设均匀、密封、平整，黏合剂分布均匀、无间隙，背胶在高低温情况(-30℃～60℃)下具有良好粘附性；

1.6)圆形编码环在黏贴、使用及拆除过程均不能对大尺寸桨叶表面造成任何损伤。

2、运动姿态视频测量与动态特性分析仪相机布置

如图3所示，由于大尺寸旋翼桨叶直径较大，故本发明使用的运动姿态视频测量与动态特性分析仪含有八个相机；这八个相机两两组合组成八对双目立体视觉系统获取大尺寸旋翼桨叶在不同方位角的影像数据，并使用八对照明设备给分析仪提供稳定、可靠光源；采用触发式光电传感器及角度传感器实现每片桨叶在预设角度下的影像采集。

图中所示的相机组合方式为：第一组为①②③④号相机，第二组为⑤⑥⑦⑧号相机，第一组布置在靠近桨叶的根部位置处，第二组布置在靠近桨叶的叶尖位置处，当然还可以第一组布置在1/4弦线位置处，第二组布置在3/4弦线位置处。但在使用过程中以相邻两个相机为一对进行拍摄，第一对为①号、②号相机，第二对为②号、③号相机，第三对为③号、④号相机，第四对为④号、①号相机，第五对为⑤号、⑥号相机，第六对为⑥号、⑦号相机，第七对为⑦号、⑧号相机，第八对为⑧号、⑤号相机。

3、运动姿态视频测量与动态特性分析仪参数标定

在本发明中，首先采用自标定技术分别完成，八个相机组成的八对双目视觉系统的内、外参数标定；然后再完成将这八对双目立体视觉系统的坐标系，统一到同一世界坐标系下，所需的旋转矩阵和平移向量的求解。

具体步骤如下：

3.1)将编码标定板或者十字架放置于相机前标准测量距离处，通过移动编码标定板或者十字架获取标定板或十字架在八个不同位置和姿态的相机图像；

3.2)通过图像处理，识别出八组图像中圆形特征点的图像坐标和编码点对应的编码值；

3.3)通过摄影测量中相对定向算法计算出前两组图像的相对位置关系，并重建出编码标记点坐标；

3.4)通过直接线性变换法(DLT)和角锥法计算出其他组图像位置，重构出非编码标记点的坐标；

3.5)接着通过捆绑调整优化算法对相机内部参数、外部参数、特征点坐标进行整体的迭代优化，优化结束后便得到了相机内部参数、外部参数，实现了一组相机标定；

3.6)重复步骤3.1)至步骤3.5)完成八组双目视觉系统标定；

3.7)求解将八对双目立体视觉系统的坐标系，统一到同一世界坐标系下，所需的旋转矩阵和平移向量。

4、大尺寸旋翼桨叶影像数据采集

在本发明中，采取在某一总距(如总距0°、2°、4°等)，某一周期变距(如横向0°纵向2°)每隔15°方位角，采集一次两组大尺寸旋翼桨叶特征标记点影像数据；故一片桨叶旋转一周360°共采集48组，每组状态采集20秒数据。

5、三维数字影像重构

本发明中，先对得到的二维数字影像中的圆形编码环特征标记点进行边缘检测，并提取标记点的特征信息；然后，对一组左、右图像中的标记点进行匹配；之后，在匹配的基础上，计算出标记的，再计算出整片桨叶的三维坐标；最后将所有三维坐标统一到同一世界坐标系下。

具体步骤如下：

5.1)对上述步骤中采集到的二维数字影像中的特征标记点，采用Canny算法，进行边缘检测得到目标特征边缘，即椭圆；

5.2)采用梯度均值法，进一步对边缘点进行亚像素边缘提取；

5.3)为了进一步进行椭圆中心精确定位，运用亚像素边缘进行最小二乘拟合，求得椭圆的参数；

5.4)采用基于数字图像相关方法(DIC)完成图像的匹配；

5.5)将立体匹配中的一对双目相机图像上的匹配像素点对，加入由标定得到的内、外参数，计算得到特征标记点的三维坐标，再利用窗平移完成桨叶其他像素点的三维坐标计算；

5.6)重复步骤5.1)至步骤5.5)得到八组双目视觉系统在不同方位角下的三维坐标；最后，再将这些三维坐标信息统一到同一世界坐标系中，建立大尺寸旋翼桨叶的三维空间模型，完成三维重建。

6、旋翼桨叶运动参数解算

在本发明中，首先构建大尺寸旋翼桨毂坐标系；然后将上述步骤中得到的大尺寸旋翼桨叶的三维坐标，转换到旋翼桨毂坐标系下；最后，依据旋翼桨叶各运动参数定义解算出各运动参数。

具体步骤如下：

6.1)将大尺寸旋翼桨叶下表面1/4翼弦线处的圆形编码环标记点p₁～p_n，在一圈内不同方位角上的三维坐标，进行平面拟合，得到拟合平面S₁～S_n；再将p₁～p_n分别投影到平面S₁～S_n下，对p₁～p_n在平面S₁～S_n下的投影点进行圆拟合，得到圆心O₁～O_n；对圆心O₁～O_n进行直线拟合，得到拟合直线l；拟合直线l即为转轴所在直线，从而得到旋翼桨毂坐标系z轴方向，如图4所示；

6.2)依据1/4翼弦线处的桨叶标记点在不同方位角下的三维坐进行曲线拟合，得到拟合曲线l₁～l_m，在直线l上寻找点p，利用迭代法，计算点p到曲线l₁～lm距离之和最小的三维坐标，并将此值作为旋翼中心O_t的坐标，即为旋翼桨毂坐标系原点，沿直升机径向为X轴，Y方向由右手定则确定；

6.3)将步骤5中得到的大尺寸旋翼桨叶三维坐标转换为旋翼桨毂坐标系下的三维坐标；

6.4)将步骤6.3)得到的大尺寸旋翼桨叶在桨毂坐标系下的三维坐标，并根据旋翼桨叶运动各参数的定义解算出各参数，实现大尺寸旋翼桨叶运动参数的测量。

本发明的测量方法中所使用的特征标记点生成方案及工艺，可有效克服大尺寸旋翼在高速旋转时可能造成的标记点脱落、成像不清晰、测量效果不明显等不足；此外，本发明所使用的相机布置方案，能有效测量大尺寸桨叶的全场应变；最后，本发明所使用的自标定法，不需要任何的外部控制点，因而更加灵活，能进行旋翼运动参数的在线测量。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种大尺寸旋翼运动参数测量方法，其基于运动姿态视频测量与动态特性分析仪进行测量，其特征在于，包括：

步骤1：在大尺寸旋翼的每片桨叶下表面1/4翼弦线及3/4翼弦线上，均匀布置圆形编码环，作为桨叶表面的特征标记点；

步骤2：依据桨叶长度及相机视角，在桨叶下方布置多个含有相机的运动姿态视频测量与动态特性分析仪；

步骤3：采用自标定技术完成运动姿态视频测量与动态特性分析仪的内、外参数标定；

步骤4：在使用运动姿态视频测量与动态特性分析仪，采集大尺寸桨叶在不同方位角下的同步影像序列的基础上，利用步骤3得到的分析仪内、外标定参数，实现大尺寸桨叶的三维坐标重构；

步骤5：在获得大尺寸桨叶的三维坐标信息的基础上，根据旋翼桨叶各运动参数定义实现各运动参数的求解。

2.根据权利要求1所述的大尺寸旋翼运动参数测量方法，其特征在于，所述编码环采用具有颜色反差的两种颜色填涂，两种颜色包括黑底白环或白底黑环。

3.根据权利要求2所述的大尺寸旋翼运动参数测量方法，其特征在于，所述圆形编码环的圆度高于0.99。

4.根据权利要求1所述的大尺寸旋翼运动参数测量方法，其特征在于，所述相机数量为八个，以四个为一组，一组布置于靠近桨叶的根部，一组布置于靠近桨叶的叶尖，每组相机均以旋翼轴为中心均布。

5.根据权利要求1所述的大尺寸旋翼运动参数测量方法，其特征在于，大尺寸桨叶三维坐标重构过程为：

1)将大尺寸旋翼桨叶下表面1/4翼弦线处的圆形编码环标记点p₁～p_n，在一圈内不同方位角上的三维坐标，进行平面拟合，得到拟合平面S₁～S_n；再将p₁～p_n分别投影到平面S₁～S_n下，对p₁～p_n在平面S₁～S_n下的投影点进行圆拟合，得到圆心O₁～O_n；对圆心O₁～O_n进行直线拟合，得到拟合直线l；拟合直线l即为转轴所在直线，从而得到旋翼桨毂坐标系z轴方向；

2)依据1/4翼弦线处的桨叶标记点在不同方位角下的三维坐进行曲线拟合，得到拟合曲线l₁～l_m，在直线l上寻找点p，利用迭代法，计算点p到曲线l₁～lm距离之和最小的三维坐标，并将此值作为旋翼中心O_t的坐标，即为旋翼桨毂坐标系原点，沿直升机径向为X轴，Y方向由右手定则确定；

3)将得到的大尺寸旋翼桨叶三维坐标转换为旋翼桨毂坐标系下的三维坐标。