CN112197713A - 直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法，该装置包括：激励光源、扩束透镜、散斑发生器、反射镜及相机组件，所述激励光源用来生成点光源，所述扩束透镜用来接收点光源并进行扩束，所述散斑发生器用来接收扩束后的光信号，所述反射镜用来将经过所述散斑发生器后光信号反射至旋翼的桨平面；通过相机组件来采集图像信息。该方法是基于上述装置来实施的。本发明具有操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到飞行器测试技术领域，特指一种直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法。
背景技术
直升机利用旋翼提供升力、推进力和操控力，具备独特的垂直起降、悬停、高机动、低空低速飞行等性能，使得直升机在现代军事斗争及民用领域得到广泛应用。
旋翼桨叶表面压力分布是获取旋翼桨叶气动载荷分布及其时间变化历程的根本手段，也一直是国内外研究者所采取的最主要方法。桨叶上的压力分布测量结果可以提供桨叶各处的局部流动结构信息，是分析噪声根源的直接依据；沿弦向进行足够多的压力测量，也能获得较好的局部升力和俯仰力矩载荷历程，是分析振动问题的直接依据。旋翼桨叶表面脉动压力测量主要有接触式和非接触式两种方法。接触式在桨叶表面布置动态压力传感器，需要在保持桨叶外形的前提下内嵌昂贵的动态压力传感器，测试点有限，桨叶需要特制，周期长，工艺复杂且造价贵。与之相比，非接触方式采用快响PSP方法，可以直接在常规旋翼上喷涂使用，不需要额外制造内嵌压力传感器的桨叶模型，测试面积大，获取结果快，费用低，是目前主要的测量手段。
旋翼在高速旋转过程中会不可避免地发生振动变形，旋翼桨叶运动变形量是反映整个直升机旋翼系统运行性能的重要参数，故而对其进行精确测量尤为关键。目前在直升机旋翼桨叶变形测量试验中，有接触式和非接触式两类方法。接触式方法普遍采用在已知部位装置电阻应变片或内埋光纤的方法来对桨叶变形量进行测量。此类方法存在着诸如测量点数少、影响桨叶气动外形等缺陷，同时大量布线会增加测量的复杂性，难以保证测量的安全性、有效性，对桨叶的运动也有所影响，导致测量结果不准确。非接触式测量方法通常采用在直升机旋翼上粘贴布置一定数量的编码标记点，通过立体视觉的方式进行测量。
现有的技术方法中，非接触桨叶表面压力测量需要在旋翼表面喷涂压力敏感涂料，并使用激光照射测量；而非接触桨叶变形测量需要在桨叶表面粘贴标记点，一方面会影响旋翼本身的气动外形，且在高速旋转时标记点容易脱落。现有方案的表面压力和变形参数测量均需要在桨叶表面进行布置，无法实现同步测量。
如图1所示的一种现有技术，包括激励光源1、扩束透镜2、反射镜4、旋翼5、第一相机6、同步控制器8及计算机9；该方案仅能非接触测量桨叶表面压力，通过532nm激光器输出的光经过一个反射镜和一个扩束透镜，扩束后的均匀光斑照射至喷涂有压敏漆的桨叶模型表面，实现压力测量。
如图2和图3所示的另一种现有技术，该方案仅能非接触测量桨叶变形。首先在桨叶表面粘贴标记点，通过一台光源照射，由两台相机组成双目视觉测量系统，提取标记点信息，实现桨叶变形测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其包括：激励光源、扩束透镜、散斑发生器、反射镜及相机组件，所述激励光源用来生成点光源，所述扩束透镜用来接收点光源并进行扩束，所述散斑发生器用来接收扩束后的光信号，所述反射镜用来将经过所述散斑发生器后光信号反射至旋翼的桨平面；通过相机组件来采集图像信息。
作为本发明系统的进一步改进：所述激励光源为脉冲激光器。
作为本发明系统的进一步改进：所述扩束透镜根据旋翼尺寸来确定扩束后光斑的尺寸。
作为本发明系统的进一步改进：所述扩束透镜为一个圆形凹透镜进行扩束。
作为本发明系统的进一步改进：所述散斑发生器为一个毛玻璃或散斑发生部件。
作为本发明系统的进一步改进：所述相机组件包括第一相机和第二相机以构成双目立体视觉系统。
本发明进一步提供一种基于上述测量装置的测量方法，其流程包括：
步骤S1：在直升机旋翼的桨叶表面喷涂压力敏感涂料；调整激光光路，将激励光源输出的光经散斑扩束后生成随机散斑光图案，并覆盖桨叶平面；
步骤S2：将两台高速相机和激励光源布置在直升机旋翼的上方，构成双目立体视觉系统；
步骤S3：同步触发激励光源和两台相机，拍摄获取直升机旋翼在静止状态和在旋转状态下的图像数据；
步骤S4：基于桨叶图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；
步骤S5：基于桨叶表面的散斑特征量，对图像对中的桨叶表面进行相关性搜索匹配，计算桨叶变形参量。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4的流程包括：
步骤S4.1、选取其中一台相机图像作为基准图像；
步骤S4.2、将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线；
步骤S4.3、提取试验图像中旋转与静止状态下旋翼图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算桨叶表面压力值。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5的流程包括：
步骤S5.1、选取两台相机图像作为图像对，将图像对中一台相机的图像作为参考图像，另一台作为搜索图像，将两幅图像桨叶覆有散斑的区域划分为长为D的图像子区；
步骤S5.2、对于每个参考子区，用
表示其中心点位置，
表示搜索图像子区的中心点位置；以一阶方程表征图像对间的二维形变，如下：
式中，
为图像对中参考子区中心点到搜索图像中心点横向和纵向移动距离，
表示搜索子区中心点附近微元，
为参考子区中心点位置的横纵坐标，
为搜索图像子区中心点横纵坐标；
步骤S5.3、计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
；即在子区中心点到横向和纵向移动范围内，对其范围内图像的所有像素点灰度值进行叠加求平均，得到计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
；
步骤S5.4、以协方差相关函数进行相关搜索匹配，如下：
式中，c表示相关性，m和n分别为参考子区和搜索子区的数量，
是参考图像子区中点
的灰度值
是搜索图像子区中点
的待匹配点
的灰度值；
步骤S5.5、对一个参考子区，搜索图像上进行搜索时，即寻找使得其一阶偏导数
最小的子区，式中，
为搜索方向；对协方差相关函数进行傅里叶变换，搜索其峰值位置即为目标位置，完成该参考子区匹配；
步骤S5.6、对每个参考图像上划分的子区重复步骤S5.4-5.5，完成每个参考子区与搜索图像子区的匹配；
步骤S5.7、将完成匹配的参考子区和搜索子区划分为长为D/2的图像子区，重复步骤S5.2-5.6直至子区宽度小于32个像素；最后完成匹配；
步骤S5.8、通过双目视觉方法求取桨叶表面空间三维信息，以此为基础计算得到桨叶形变参量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法，具有操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好等优点，可以实现桨叶表面压力与变形参数的同步测量。
2、本发明的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法，通过光路优化设计，设计散斑扩束系统，将压敏漆所用的激励光与变形测量复用，只需在旋翼桨叶表面喷涂压敏漆涂料，不需粘贴标记点的前提下，实现表面压力及变形的同步非接触测量。
3、本发明的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置及方法与原有测量系统相比，省去了在旋翼表面粘贴标记点，取而代之的是在激光光路中添加散斑发生器，可有效的消除粘贴标记点对旋翼气动外形的影响。两台相机构建双面测量系统，进行桨叶变形测量，其中任意一台相机采集的图像可复用为桨叶表面压力测量。
附图说明
图1是一种现有技术测量桨叶表面压力装置的示意图。
图2是另一种现有技术中测量桨叶变形装置的示意图。
图3是测量桨叶变形装置的俯视示意图。
图4是本发明测量系统在具体应用实施例中的结构原理示意图。
图5是本发明测量方法在具体实施例中的流程示意图。
图例说明：
1、激励光源；2、扩束透镜；3、散斑发生器；4、反射镜；5、旋翼；6、第一相机；7、第二相机；8、同步控制器；9、计算机。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图4所示，本发明的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，包括：激励光源1、扩束透镜2、散斑发生器3、反射镜4及相机组件，所述激励光源1用来生成点光源，所述激励光源1输出的点光源首先经过一个扩束透镜2进行扩束，经过扩束透镜2扩束后，经过一个散斑发生器，再经过一个反射镜4将光反射至旋翼5的桨平面；通过相机组件来采集图像信息。
在具体应用实例中，激励光源1为脉冲激光器，根据实际需要可以选择输出功率500mJ，输出波长为532nm的脉冲激光器。
在具体应用实例中，所述扩束透镜2根据旋翼尺寸来确定扩束后光斑的尺寸，扩束后的圆形光面略大于旋翼面积，根据风洞具体的开口尺寸，以及光源距离试验光面的距离选取合适的透镜焦距，根据实际需要可以选择焦距f范围为-20mm - -400mm之间。
在具体应用实例中，所述扩束透镜2根据实际需要可以选择一个圆形凹透镜进行扩束。
在具体应用实例中，所述散斑发生器3可选择一个简单的毛玻璃、亦或商用的成熟散斑发生器。
在具体应用实例中，相机组件包括第一相机6和第二相机7，形成组合相机，即构成双目立体视觉系统；第一相机6和第二相机7应选取合适的镜头，使两台相机视场覆盖整个旋翼5且略大于旋翼5的尺寸。在实际操作中，相机的镜头焦距可以选择为30mm-160mm。
由上可知，通过本发明上述系统的光路设计，将激光点光源扩束输出的同时，实现激光散斑化。通过激光散斑与双目视觉的方式实现桨叶变形量测量。与此同时，通过散斑扩束的激光，激励照射喷涂在桨叶表面的压敏漆，通过一次图像采集来实现桨叶表面压力与变形量的同步测量本发明创新性的在系统中引入散斑扩束系统，利用PSP用激励激光器进行散斑扩束，利用激光散斑固有的优势，无需在桨叶粘贴标记点，实现桨叶变形测量。而且，可以在不增加测量系统硬件的基础上实现了桨叶表面压力和桨叶变形的同步测量。本发明具有操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好等优点。
本发明进一步提出了一种基于上述测量装置的测量方法，用于实施基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量方法，在旋翼模型表面喷涂压力敏感涂料，通过两台相机构建双目视觉系统；首先拍摄静止状态下旋翼图像，随后将旋翼升至试验转速，转速稳定后风洞起风；转速和风速稳定后，通过旋翼试验台的光电编码器给激光器和相机同步触发信号，同步采集旋翼瞬时图像；随后，将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线后对实验拍摄的单相机图像进行旋翼表面压力场计算；利用双相机图像进行桨叶表面相关性搜索匹配，重构桨叶表面匹配点三维坐标信息，计算桨叶变形参数。
如图5所示，在具体应用实例中，其具体流程包括：
步骤S1：在直升机旋翼5的桨叶表面喷涂压力敏感涂料；调整激光光路，将激励光源1输出的光经散斑扩束后生成随机散斑光图案，并覆盖桨叶平面。
步骤S2：如图3所示，将两台高速相机和激励光源1布置在直升机旋翼5的上方，构成双目立体视觉系统。
步骤S3：同步触发激励光源1和两台相机，拍摄获取直升机旋翼5在静止状态和在旋转状态下的图像数据。
步骤S4：基于桨叶图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；
步骤S5：基于桨叶表面的散斑特征量，对图像对中的桨叶表面进行相关性搜索匹配，计算桨叶变形参量。
在具体应用实例中，所述步骤S4的详细流程可以包括：
步骤S4.1、选取其中一台相机图像作为基准图像。
步骤S4.2、将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线。
步骤S4.3、提取试验图像中旋转与静止状态下旋翼图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算桨叶表面压力值。
在具体应用实例中，所述步骤S5的详细流程可以包括：
步骤S5.1、选取两台相机图像作为图像对，将图像对中一台相机的图像作为参考图像，另一台作为搜索图像，将两幅图像桨叶覆有散斑的区域划分为长为D的图像子区。
步骤S5.2、对于每个参考子区，用
表示其中心点位置，
表示搜索图像子区的中心点位置。以一阶方程表征图像对间的二维形变，如下：
式中，
为图像对中参考子区中心点到搜索图像中心点横向和纵向移动距离，
表示搜索子区中心点附近微元，
为参考子区中心点位置的横纵坐标，
为搜索图像子区中心点横纵坐标。
步骤S5.3、计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
；即在子区中心点到横向和纵向移动范围内，对其范围内图像的所有像素点灰度值进行叠加求平均，得到计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
。
步骤S5.4、以协方差相关函数进行相关搜索匹配，如下：
式中，c表示相关性，m和n分别为参考子区和搜索子区的数量，
是参考图像子区中点
的灰度值，
是搜索图像子区中点
的待匹配点
的灰度值。
步骤S5.5、对一个参考子区，搜索图像上进行搜索时，即寻找使得其一阶偏导数
最小的子区，式中，
为搜索方向。对协方差相关函数进行傅里叶变换，搜索其峰值位置即为目标位置，完成该参考子区匹配。
步骤S5.6、对每个参考图像上划分的子区重复步骤S5.4-5.5，完成每个参考子区与搜索图像子区的匹配。
步骤S5.7、将完成匹配的参考子区和搜索子区划分为长为D/2的图像子区，重复步骤S5.2-5.6直至子区宽度小于32个像素。最后完成匹配。
步骤S5.8、通过双目视觉方法求取桨叶表面空间三维信息，以此为基础计算得到桨叶形变参量。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，包括：激励光源、扩束透镜、散斑发生器、反射镜及相机组件，所述激励光源用来生成点光源，所述扩束透镜用来接收点光源并进行扩束，所述散斑发生器用来接收扩束后的光信号，所述反射镜用来将经过所述散斑发生器后光信号反射至旋翼的桨平面；通过相机组件来采集图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，所述激励光源为脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，所述扩束透镜根据旋翼尺寸来确定扩束后光斑的尺寸。
4.根据权利要求3所述的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，所述扩束透镜为一个圆形凹透镜进行扩束。
5.根据权利要求3所述的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，所述散斑发生器为一个毛玻璃或散斑发生部件。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于散斑光的直升机旋翼桨叶变形及表面压力同步测量装置，其特征在于，所述相机组件包括第一相机和第二相机以构成双目立体视觉系统。
7.一种基于上述权利要求1-6中任意一项测量装置的测量方法，其特征在于，流程包括：
步骤S1：在直升机旋翼的桨叶表面喷涂压力敏感涂料；调整激光光路，将激励光源输出的光经散斑扩束后生成随机散斑光图案，并覆盖桨叶平面；
步骤S2：将两台高速相机和激励光源布置在直升机旋翼的上方，构成双目立体视觉系统；
步骤S3：同步触发激励光源和两台相机，拍摄获取直升机旋翼在静止状态和在旋转状态下的图像数据；
步骤S4：基于桨叶图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；
步骤S5：基于桨叶表面的散斑特征量，对图像对中的桨叶表面进行相关性搜索匹配，计算桨叶变形参量。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S4的流程包括：
步骤S4.1：选取其中一台相机图像作为基准图像；
步骤S4.2：将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线；
步骤S4.3：提取试验图像中旋转与静止状态下旋翼图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算桨叶表面压力值。
9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S5的流程包括：
步骤S5.1：选取两台相机图像作为图像对，将图像对中一台相机的图像作为参考图像，另一台作为搜索图像，将两幅图像桨叶覆有散斑的区域划分为长为D的图像子区；
步骤S5.2：对于每个参考子区，用
表示其中心点位置，
表示搜索图像子区的中心点位置；以一阶方程表征图像对间的二维形变，如下：
式中，
为图像对中参考子区中心点到搜索图像中心点横向和纵向移动距离，
表示搜索子区中心点附近微元，
为参考子区中心点位置的横纵坐标，
为搜索图像子区中心点横纵坐标；
步骤S5.3：计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
；即在子区中心点到横向和纵向移动范围内，对其范围内图像的所有像素点灰度值进行叠加求平均，得到计算参考图像子区和搜索图像子区的平均灰度值
；
步骤S5.4：以协方差相关函数进行相关搜索匹配，如下：
式中，c表示相关性，m和n分别为参考子区和搜索子区的数量，
是参考图像子区中点
的灰度值，
是搜索图像子区中点
的待匹配点
的灰度值；
步骤S5.5：对一个参考子区，搜索图像上进行搜索时，即寻找使得其一阶偏导数
最小的子区，式中，
为搜索方向；对协方差相关函数进行傅里叶变换，搜索其峰值位置即为目标位置，完成该参考子区匹配；
步骤S5.6：对每个参考图像上划分的子区重复步骤S5.4-5.5，完成每个参考子区与搜索图像子区的匹配；
步骤S5.7：将完成匹配的参考子区和搜索子区划分为长为D/2的图像子区，重复步骤S5.2-5.6直至子区宽度小于32个像素；最后完成匹配；
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