CN108387183A - 用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，在叶片的旋转中心附近固接与每片叶片相对的双目相机，在叶片上布置标志点，旋转过程中叶片与双目相机周向保持相对静止，为有效减小旋转气流干扰，双目相机处于开有玻璃窗口的密封壳体内，为提高图像处理速度，提前滤除因旋翼高速旋转引入的模糊背景干扰，标志点采用荧光光源物质布置，壳体玻璃窗口设置为与标志线荧光频率对应的带通滤光片，双目相机将只得到标志线的图像，通过图像采集及数据处理获得实时三维变形量。在桨毂上安装光电计数器，在机身正对位置安装小型激光发生器，每个旋转周期内当光电计数器旋转至激光发生器位置时触发计数，作为被测桨叶零相位位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及三维测量领域中的大尺寸空间变形测量问题，特别是涉及一种基于双目视觉的旋转叶片全相位动态全场变形的随动实时测量装置及方法。
背景技术
叶片的动态变形检测可以为工程人员提供叶片旋转过程中的变形规律，为叶片的设计及制造提供直接的数据依据。如直升机的旋翼、大型风力叶片或大型船用螺旋桨叶片的变形检测，对于大扭矩、高速旋转作用下叶片的材料性能验证、强度及振动分析具有重要意义，能辅助工程人员改进设计、验证所建变形模型的正确性。直升机旋翼在不同工作状态下，如悬停、拉升、前进、侧飞时，各叶片变形不同，且同一叶片在不同相位时变形差异也很大。
然而现阶段普遍采用的接触式传感器，如应变片，已经难以有效满足测量需求。首先，传感器测量的是综合变形量，所测数据由挥舞、摆振、扭转三个方向的变形量耦合而成，难以解耦成单独的三维变形量。其次，由于存在引线，传感器在高速旋转的叶片上难以布置，且容易造成引线纠缠。最后，传感器只能建立有限观测点，且无法实现叶片旋转过程中的360°全相位、全场变形的实时测量及数据记录。
为克服传统手段的局限性，新的测量方法也不断涌现。如2001年由清华大学和中国飞行试验研究院第一研究所开发的“直升机旋翼挥舞、摆振的激光动态测试系统”，采用在与旋翼同步旋转的悬臂结构上安装光学传感器的方法，实现了直升机旋翼桨叶挥舞及摆振角的动态测量，但却存在一定的问题。如(1)体积重量大，影响试验机操纵性能；(2)不能多飞行状态下测量，只能悬停测试；(3)在高速旋转中悬臂易产生变形，影响测量结果；(4)悬臂不宜过长，测量范围受限，无法实现被测桨叶的全场测量。(5)无法实现360°全相位、全场变形的实时测量。
2014年中国飞行试验研究院，提出了一种“基于PSD光学成像的机载旋翼运动测量方法”，在桨毂上固定安装基于PSD元件的光学测量单元，在旋翼桨叶选定剖面的上表面选定特征点，安装不同光波长的LED作为标志点，实现了旋翼桨叶变形参数测量，但该方法仍有一定的局限与不足。如(1)单一PSD模块只能测量单个标志点，且PSD测量范围受限，无法实现多测点全场实时测量；(2)标志点采用LED，需要安装及供电，安装布置复杂；(3) LED标志点发光无定向性，能量分散，导致PSD接受能量降低，光电位置信号较弱；(4) PSD易受温度影响，温度变化会影响PSD的暗电流和灵敏度，从而影响系统的准确度及灵敏度；(5)无法实现360°全相位、全场变形的实时测量。
为测量直升机旋翼在不同工作状态下，如悬停、拉升、前进、侧飞时，不同叶片在同一相位的变形量以及同一叶片在不同相位时的变形量，要求直升机旋翼桨叶变形测量技术应满足以下要求：
(1)体积小重量轻，可实现对不同型号直升机旋翼的方便测量，且不影响试验机性能；
(2)可同时测得挥舞、摆振、扭转方向的变形参数；
(3)可以实现被测桨叶旋转过程中360°全相位、全场变形的实时测量。
发明内容
本发明旨在解决旋转叶片360°全相位、全场动态变形实时测量问题，为叶片动态变形检测提供一种新的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，所涉及到的旋翼包括桨毂和叶片，所述叶片作为待测对象，该测量装置包括标志点图像传感单元、光电计数单元、基于嵌入式的数据实时处理单元、基于无线传输的数据通讯单元和上位机人机交互单元；所述的标志点图像传感单元包括多个标志点、多个双目相机和滤光暗室；所述多个标记点布置在每片叶片的全场范围内，所述标志点由荧光光源涂料构成；双目相机的数量与待测叶片的片数相同，多个双目相机均布置在桨毂上且与每片待测叶片的位置一一对应；在待测叶片旋转过程中，所述双目相机与所述待测叶片保持周向相对静止，所述双目相机用以实时拍摄与之对应位置的待测叶片全场范围内的标志点图像；所述滤光暗室由壳体和滤光窗口组成，用于减小外界气流和抗环境杂光干扰；所述基于嵌入式的数据实时处理单元包括设置在所述桨毂内的嵌入式模块和蓄电池，所述蓄电池用于为所述双目相机和所述嵌入式模块供电；所述光电计数单元包括激光发生器和光电计数器，所述光电计数器安装在所述桨毂上，所述激光发生器安装在所述桨毂下方的机身上，所述光电计数器随所述桨毂旋转至与所述激光发生器正对位置时触发计数，用以确定旋转零相位；所述基于无线传输的数据通讯单元包括设置在基于嵌入式的数据实时处理单元一侧的无线通讯模块A和设置在上位机人机交互单元一侧的无线通讯模块B；所述无线通讯模块A和所述无线通讯模块B之间进行无线收发通讯；所述上位机人机交互单元包括上位机。
进一步讲，本发明用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，其中，所述嵌入式模块是FPGA芯片、STM32芯片和C51芯片中的任何一种。
利用上述用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置实现测量的方法，其中，所述基于嵌入式的数据实时处理单元为下位机，所述上位机内安装有上位机软件，所述下位机内安装有下位机软件，所述上位机和所述下位机之间的通讯由所述的基于无线传输的数据通讯单元来实现；该测量方法包括以下过程：
步骤一、启动上位机软件，设置测量相位间隔，使上位机软件每隔一个相位间隔读取一次叶片对应的变形量；打开双目相机内外参数标定功能标定双目相机内外参数，上位机向下位机发出指令，下位机软件开始工作，并完成参数标定；下位机完成参数标定后，测量装置处于测量预备状态；上位机向下位机发出启动测量指令；
步骤二、下位机实时读取所述双目相机拍摄的图像，并且完成图像滤波和二值化处理，完成标志点的提取，然后进行标志点图像匹配；
步骤三、如果匹配失败，则返回步骤二，进行下一帧标志点图像的读取、处理、提取和匹配，如果匹配成功，则解算出标志点的空间坐标，输出该帧标志点图像对应的标志点空间坐标数据；
步骤四、所述标志点坐标数据通过基于无线传输的数据通讯单元传输至上位机，并被实时存储，将未变形时的直升机标准桨叶的原始位置数据作为参考点坐标，当所述上位机软件接收到下位机软件发送的数据时，根据采样间隔读取所需数据，并与参考点坐标进行比较，得出三维变形量，通过该三维变形量绘制叶片的变形-时间曲线和变形-相位曲线，并显示和存储在上位机；
步骤五、返回步骤二，直至上位机软件下达停止测量命令为止，如果上位机发出停止测量命令，下位机随之关闭，至此结束整个测量过程。
进一步讲，步骤四中，所述光电计数器随所述桨毂旋转至与所述激光发生器正对位置时触发计数，以光电计数触发时刻的位置作为零相位处，由于直升机正常工作时采用定转速飞行，其角速度确定，因此每个旋转周期内距计数时刻的时间间隔可以代表旋转过的角度，即相位，从而绘制出叶片的变形-相位曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)图像传感装置安装固接在旋翼系统的中心附近位置，可以随旋翼一起旋转，将动态测量转化为静态测量；
(2)随动测量，可实现旋翼变形的360°全相位跟踪测量；
(3)图像在位处理，可以有效提高系统的实时性；
(4)采用无线方式输出测量结果，可有效避免引线纠缠问题；
(5)标志点的布置方便，可实现全场变形测量。
(6)可同时实现挥舞、摆振、扭转方向变形测量，各个变形量测量数据相互独立不耦合，避免了数据耦合再解耦的复杂过程。
(7)整套系统体积小、重量轻，可方便实现对不同机型的测量需求，且不影响试验机操纵性。
(8)测量单元安装在桨毂上，直接测量桨叶变形参数，自然滤除因桨毂特性参数变化对旋翼共锥度影响，无需解耦。
附图说明
图1是本发明中旋翼结构及其标志点和双目相机的布局示意图；
图2是本发明测量装置中桨毂内外部相关单元的布局示意图；
图3是本发明测量装置中滤光暗室的结构示意图；
图4是本发明测量方法的主流程图；
图5是本发明测量方法中上位机软件流程图；
图6是本发明中下位机软件流程图。
图中：1-标志点，2-双目相机，3-滤光暗室，31-壳体，32-滤光窗口，4-叶片，5-桨毂， 6-基于嵌入式的数据实时处理单元，7-激光发生器，8-光电计数器，9-机身。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，以与一片叶片4相对的双目相机2为例说明，实际情况如图1所示，双目相机2与叶片4数成套存在。
如图1和图2所示，本发明提出的一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，所涉及到的旋翼包括桨毂5和叶片4，所述叶片4作为待测对象，该测量装置包括标志点图像传感单元、光电计数单元、基于嵌入式的数据实时处理单元、基于无线传输的数据通讯单元和上位机人机交互单元，所述上位机人机交互单元包括上位机，所述上位机由工控计算机和上位机软件组成。
如图2所示，所述标志点图像传感单元包括多个标志点1、多个双目相机2和滤光暗室 3；所述多个标记点1布置在每片叶片4的全场范围内，所述标志点1由荧光光源涂料构成；双目相机2的数量与叶片4的片数相同，多个双目相机2均布置在桨毂5上保证各组双目相机均匀分布在以所述的旋转中心为圆心的圆周上，且与每片叶片4的位置一一对应；本发明中，所述的标志点1可以根据需要方便的布置在待测叶片全场任意位置，所述的双目相机2安装固接在叶片旋转中心附近位置(本实施例这是设置在桨毂5上)，在叶片4旋转过程中，所述双目相机2与所述叶片4保持周向相对静止，所述双目相机2可以实时拍摄与之对应位置的叶片4全场范围内的标志点1图像；如图3所示，所述滤光暗室3由壳体 31和滤光窗口32组成，用于减小外界气流和抗环境杂光干扰。
如图2所示，所述基于嵌入式的数据实时处理单元6包括设置在所述桨毂4内的嵌入式模块和蓄电池，所述蓄电池用于为所述双目相机2和所述嵌入式模块供电。所述基于嵌入式的数据实时处理单元可以通过下位机软件实时接收并在位处理所述双目相机2拍摄的图像，获得所述叶片全场范围内各标志点的实时空间坐标。
如图2所示，所述光电计数单元包括激光发生器7和光电计数器8，所述光电计数器8 安装在所述桨毂5上，所述激光发生器7安装在所述桨毂5下方的机身9上，所述光电计数器7随所述桨毂5旋转至与所述激光发生器7正对位置时触发计数，用以确定旋转零相位。光电计数触发时刻(位置)作为零相位处，由于直升机旋翼定转速飞行，即其旋转的角速度不变，所以其转过的相位与时间一一对应，即可以通过时间确定桨叶距零相位的角度，即可以确定其相位。
如图2所示，所述基于无线传输的数据通讯单元包括设置在基于嵌入式的数据实时处理单元6一侧的无线通讯模块A和设置在上位机人机交互单元一侧的无线通讯模块B；所述无线通讯模块A和所述无线通讯模块B之间进行无线收发通讯；所述无线通讯模块A可以将所述嵌入式模块得到的叶片标志点的实时空间坐标数据实时输出传输给所述无线通讯模块B，所述无线通讯模块B将该数据传输并实时存储在所述上位机。所述无线通讯模块B可以将所述上位机的控制数据传输给所述无线通讯模块A，控制所述基于嵌入式的数据实时处理单元(即下位机)的启停。
利用本发明的所述用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置进行测量，其中，所述基于嵌入式的数据实时处理单元为下位机，所述上位机内安装有上位机软件，所述下位机内安装有下位机软件，所述上位机和所述下位机之间的通讯由所述的基于无线传输的数据通讯单元来实现；如图4、图5和图6所示，该测量方法包括以下过程：
步骤一、启动上位机软件，设置测量相位间隔，使每片叶片4每旋转一个相位间隔被记录一次变形量；打开双目相机2内外参数标定功能标定双目相机2内外参数，上位机向下位机发出指令，下位机软件开始工作，并完成参数标定，获得各组中两台相机的内外参数及两台相机之间的旋转、平移关系；下位机完成参数标定后，测量装置处于测量预备状态；上位机向下位机发出启动测量指令；
步骤二、下位机实时读取所述双目相机2拍摄的图像，并且完成图像滤波和二值化等突显预处理工作，完成标志点1的提取，然后进行标志点图像匹配；
步骤三、如果匹配失败，则返回步骤二，进行下一帧标志点图像的读取、处理、提取和匹配，如果匹配成功，则解算出标志点的空间坐标，输出该帧标志点图像对应的标志点空间坐标数据；
步骤四、所述标志点坐标数据通过基于无线传输的数据通讯单元传输至上位机，并被实时存储，将未变形时的直升机标准桨叶的原始位置数据作为参考点坐标，当所述上位机软件接收到下位机软件发送的数据时，根据采样间隔读取所需数据，并与参考点坐标进行比较，得出三维变形量，通过该三维变形量绘制叶片的变形-时间曲线和变形-相位曲线，该两张变形数据折线图即为测量结果，将测量结果显示和存储在上位机；其中，所述光电计数器7随所述桨毂5旋转至与所述激光发生器7正对位置时触发计数，以光电计数触发时刻的位置作为零相位处，从而绘制出叶片的变形-相位曲线。
步骤五、如果上位机不停止工作，返回步骤二，循环该过程。如果上位机发出停止测量命令，下位机随之关闭，至此结束整个测量过程。
本发明适用于旋转叶片全场动态变形的测量，本发明除上述实施例外，还有其他实施方式，凡是采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，所涉及到的旋翼包括桨毂(5)和叶片(4)，所述叶片(4)作为待测对象，其特征在于，该测量装置包括标志点图像传感单元、光电计数单元、基于嵌入式的数据实时处理单元、基于无线传输的数据通讯单元和上位机人机交互单元；
所述的标志点图像传感单元包括多个标志点(1)、多个双目相机(2)和滤光暗室(3)；所述多个标记点(1)布置在每片叶片(4)的全场范围内，所述标志点(1)由荧光光源涂料构成；双目相机(2)的数量与叶片(4)的片数相同，多个双目相机(2)均布置在桨毂(5)上且与每片叶片(4)的位置一一对应；在叶片(4)旋转过程中，所述双目相机(2)与所述叶片(4)保持周向相对静止，所述双目相机(2)用以实时拍摄与之对应位置的叶片(4)全场范围内的标志点(1)图像；所述滤光暗室(3)由壳体(31)和滤光窗口(32)组成，用于减小外界气流和抗环境杂光干扰；
所述基于嵌入式的数据实时处理单元(6)包括设置在所述桨毂(4)内的嵌入式模块和蓄电池，所述蓄电池用于为所述双目相机(2)和所述嵌入式模块供电；
所述光电计数单元包括激光发生器(7)和光电计数器(8)，所述光电计数器(8)安装在所述桨毂(5)上，所述激光发生器(7)安装在所述桨毂(5)下方的机身(9)上，所述光电计数器(7)随所述桨毂(5)旋转至与所述激光发生器(7)正对位置时触发计数，用以确定旋转零相位；
所述基于无线传输的数据通讯单元包括设置在基于嵌入式的数据实时处理单元(6)一侧的无线通讯模块A和设置在上位机人机交互单元一侧的无线通讯模块B；所述无线通讯模块A和所述无线通讯模块B之间进行无线收发通讯；
所述上位机人机交互单元包括上位机。
2.根据权利要求1所述用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，其特征在于，所述嵌入式模块是FPGA芯片、STM32芯片和C51芯片中的任何一种。
3.一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，其中，所述基于嵌入式的数据实时处理单元为下位机，所述上位机内安装有上位机软件，所述下位机内安装有下位机软件，所述上位机和所述下位机之间的通讯由所述的基于无线传输的数据通讯单元来实现；该测量方法包括以下过程：
步骤一、启动上位机软件，设置测量相位间隔，使上位机软件每隔一个相位间隔读取一次叶片(4)对应的变形量；打开双目相机(2)内外参数标定功能标定双目相机(2)内外参数，上位机向下位机发出指令，下位机软件开始工作，并完成参数标定；下位机完成参数标定后，测量装置处于测量预备状态；上位机向下位机发出启动测量指令；
步骤二、下位机实时读取所述双目相机(2)拍摄的图像，并且完成图像滤波和二值化处理，完成标志点(1)的提取，然后进行标志点图像匹配；
步骤三、如果匹配失败，则返回步骤二，进行下一帧标志点图像的读取、处理、提取和匹配，如果匹配成功，则解算出标志点的空间坐标，输出该帧标志点图像对应的标志点空间坐标数据；
步骤四、所述标志点坐标数据通过基于无线传输的数据通讯单元传输至上位机，并被实时存储，将未变形时的直升机标准桨叶的原始位置数据作为参考点坐标，当所述上位机软件接收到下位机软件发送的数据时，根据采样间隔读取所需数据，并与参考点坐标进行比较，得出三维变形量，通过该三维变形量绘制叶片的变形-时间曲线和变形-相位曲线，并显示和存储在上位机；
步骤五、返回步骤二，直至上位机软件下达停止测量命令为止，如果上位机发出停止测量命令，下位机随之关闭，至此结束整个测量过程。
4.根据权利要求3所述用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量方法，其特征在于，步骤四中，所述光电计数器(7)随所述桨毂(5)旋转至与所述激光发生器(7)正对位置时触发计数，以光电计数触发时刻的位置作为零相位处，由于直升机正常工作时采用定转速飞行，其角速度确定，因此，每个旋转周期内距计数时刻的时间间隔代表旋转过的角度，即相位，从而绘制出叶片的变形-相位曲线。
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