CN112414324B - 一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法 - Google Patents

一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法，有以下步骤：将标记点固定在直升机每片桨叶下方且与桨叶垂直；在桨叶侧面安装三组双目摄像机，每组摄像机负责120°视场，并对每组双目摄像机进行标定；在旋翼低速旋转且桨叶处于拉平状态下每隔一定角度拍摄桨叶圆形标记点图片；计算每组双目立体视觉系统采集到的桨叶标记点图像对中标记点圆心的三维坐标，并拟合出桨叶旋转时标记点的轨迹平面；根据高速运动状态下标记点圆心连线与轨迹平面的夹角计算桨叶扭转角。本发明的优点是：能够获得桨叶上圆形标记点在空间不同位置处的三维信息，并通过平面拟合计算桨叶扭转角，具有非接触式、精度高、复杂度低、稳定性强的优点。

Description

一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法
技术领域
本发明涉及基于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扭转角测量方法。
背景技术
直升机桨叶在旋转过程中会发生一定程度的扭转形变，扭转角直接反映了这种形变的程度。测量桨叶的扭转角不但能够为旋翼结构设计提供依据，而且有助于建立基于试验的飞行控制系统数学模型，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
旋翼桨叶扭转角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重要地位。实时、精确、高效地测量桨叶扭转角是直升机界一直努力研究的方向。
传统的测量方法有：
1) 变模式分析法：该方法通过计算旋转状态下的桨叶位移来推算出桨叶扭转角，但由于直升机桨叶运动时通常存在耦合现象，不能完全通过传感器将各种运动状态的形变参数分离；因此，该方法不但测量精度较低，而且对于不同形状的桨叶，测量精度波动较大，稳定性较差。
2) Kinematical方法：该方法通过传感器获得线位移和角位移信号，然后使用Kinematical方程对信号进行处理，计算出桨叶扭转角，但测量结果受桨毂和桨叶上位移传感器安装位置的影响较大，而且计算中使用的假设、约束条件较多，实现较为困难。
3) 全景视觉法：该方法需要将全景摄像机安装在直升机桨毂上，因此只能测量地面开车状态下的桨叶扭转角，在飞行状态下会对气动性能产生严重影响。
综上所述，传统的直升机桨叶扭转角测量方法要么系统复杂，测试要求高，要么稳定性差、精度低。
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扭转角测量方法。将摄像机放置于桨叶侧面拍摄桨叶上圆形标记点图片，并基于双目立体视觉技术计算圆形标记点三维信息，具有复杂度低、稳定性强、精度高的特点。
本发明采用的技术方案如下：一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）在直升机每片桨叶需要测量扭转角的位置固定圆形标记点并与桨叶垂直；
（2）在桨叶侧面安装三组双目摄像机，每组摄像机负责120°视场，通过双目摄像机、高速计算机、角度传感器、照明设备构建基于双目立体视觉的图像获取装置；
（3）使用标定算法(Zhang Z. A flexible new technique for cameracalibration[J]. IEEE Transactions on pattern analysis and machineintelligence, 2000, 22(11): 1330-1334.)分别对三组双目摄像机进行标定；
（4）使用步骤（3）已标定好的双目立体视觉系统对低速旋转且处于拉平状态的桨叶每隔一定角度采集桨叶标记点左、右图像对，计算图像对中标记点圆心的三维信息，并分别对每个标记点进行平面拟合；
（5）使用双目立体视觉系统拍摄高速旋转时的桨叶图片，计算标记点圆心连线与轨迹平面夹角。
进一步的，所述步骤（4）具体包括以下步骤：
(a) 使用步骤（3）中获得的摄像机参数对标记点图像对进行几何矫正和立体校正；
(b) 对图像对进行边缘检测找出圆轮廓，并针对圆轮廓进行圆心定位，获得标记点圆心像素坐标；
(c) 根据标记点圆心像素坐标对双目图像中的标记点圆心进行立体匹配；
(d) 利用步骤（3）中的重投影矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息；
(e) 分别将每个标记点在各个位置的三维坐标进行平面拟合，得到标记点的轨迹平面。
进一步的，所述步骤（5）具体包括以下步骤：
(a) 根据步骤（4）中求得的低速旋转时标记点圆心三维坐标以及轨迹平面，计算旋翼低速旋转且桨叶处于拉平状态下，标记点圆心连线与轨迹平面的初始夹角；
(b) 拍摄桨叶高速旋转时的左、右图像对，并得出标记点圆心三维坐标；
(c) 计算高速旋转状态下标记点圆心连线与轨迹平面夹角并减去初始夹角，即为该时刻旋翼桨叶扭转角。
进一步的，所述步骤（4）中d步骤中在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息，具体计算公式如下：
Figure 551007DEST_PATH_IMAGE002
其中，(X/W,Y/W,Z/W)为标记点的三维坐标，(x,y)为标记点在左摄像机图像平面的图像坐标，d为标记点在左右摄像机关联的视差。
本发明的优点是：将摄像机放置于桨叶侧面，通过双目立体视觉系统计算桨叶上圆形标记点在空间不同位置处的三维信息，并通过平面拟合计算桨叶扭转角。将圆形标记点安置于桨叶的不同位置，可以测量从桨根至桨尖，整片桨叶各个位置的扭转角。本发明基于新颖的测量思路和测量方式，具有非接触式、精度高、复杂度低、稳定性强的优点。
附图说明
图1为本发明的工作流程图;
图2为标记点固定位置示意图;
图3为摄像机摆放位置示意图;
图4为标记点轨迹示意图。
具体实施方式
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扭转角测量方法流程图，实现直升机旋翼桨叶扭转角的测量。具体包括以下实施步骤：
1、旋翼桨叶下方固定圆形标记点。
本发明标记点固定位置如图2所示，在每片桨叶需要测量扭转角的位置固定一块等腰角钢，用反光材料制作两个圆形标记点，并粘贴在角钢朝向桨尖的侧面上。
2、构建双目立体视觉图像采集系统。
本发明使用三组双目摄像机、高速计算机、角度传感器、照明设备构建基于双目立体视觉的图像采集装置，将三组双目摄像机安装于桨叶侧面，每组摄像机负责120°视场，摄像机的摆放方式如图3所示。
3、双目立体视觉系统标定。
本发明采用标定算法对三组双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定，并获取两台摄像机之间的旋转矩阵和平移矩阵。对一组双目立体视觉系统进行标定，具体包括以下步骤：
1) 采集多组靶标在视场中不同位置、不同方向的图片，且靶标平面与摄像机图像平面需要有一定夹角；
2) 采用平面标定算法分别对双目立体视觉系统中的摄像机进行标定，获取双目立体视觉系统中两台摄像机的内外参数及两台摄像机之间的旋转、平移关系；
3) 利用Bougue立体校正算法，计算行对准校正旋转矩阵Rl、Rr和重投影矩阵
Figure 365379DEST_PATH_IMAGE001
。
4、圆形标记点图像采集。
在旋翼低速旋转且桨叶处于拉平状态下，通过角度传感器触发三组双目相机每隔一定角度拍摄桨叶标记点左、右图像对。
5、获取圆形标记点圆心三维信息。
对第4步中采集的图片进行矫正和图像预处理，并对标记点的圆轮廓进行圆心定位，获取每张图片中所有圆形标记点的圆心像素坐标，根据像素坐标计算其三维坐标。具体包括以下步骤：
1) 用第3步获得的各组摄像机参数分别对图片进行几何矫正和立体校正，得到无畸变且严格水平对齐的图像对；
2) 采用中值滤波技术去除图像中的噪声干扰；
3) 对图像进行边缘检测，提取圆轮廓并进行圆心定位，得到圆形标记点的圆心坐标；
4) 根据标记点特征信息对双目图像中的标记点进行立体匹配；
5) 用第3步中的重投影矩阵
Figure 250158DEST_PATH_IMAGE001
，在立体匹配的基础上计算圆形标记点的三维信息，具体公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，(X/W,Y/W,Z/W)为标记点的三维坐标，(x,y)为标记点在左摄像机图像平面的图像坐标，d为标记点在左右摄像机关联的视差。
6、拟合轨迹平面。
利用双目图像中标记点圆心的三维坐标，拟合出各组双目相机下旋翼低速旋转时标记点的轨迹平面，该平面与拉平状态时的桨叶平行，其中一个标记点的轨迹如图4所示。以一组双目相机拍得的图片为例，具体包括以下步骤：
1) 利用每个标记点在不同角度下的三维坐标采用最小二乘法进行平面拟合，两个标记点可得到两个拟合平面；
2) 根据拟合平面计算其法向量的均值，并以此作为桨叶旋转时标记点轨迹平面的法向量
Figure 579508DEST_PATH_IMAGE004
，其中角标n表示双目视觉系统的组数；
7、计算标记点连线初始角度。
利用低速旋转时标记点的三维坐标和轨迹平面的法向量，计算每组双目视觉系统下标记点连线与轨迹平面的初始角度。以其中一组双目视觉系统为例，具体包括以下步骤：
1) 根据第5步中获得的标记点三维坐标，计算低速旋转时每对图像中标记点连线的方向向量；
2) 计算方向向量平均值，作为该组双目视觉系统下旋翼低速旋转且桨叶处于拉平状态时标记点连线的方向向量
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其中n表示双目视觉系统的组数；
3) 计算方向向量
Figure 840725DEST_PATH_IMAGE005
与轨迹平面的夹角，即第n组双目视觉系统下标记点连线与轨迹平面的初始角度
Figure 509604DEST_PATH_IMAGE006
，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
8、计算桨叶扭转角。
拍摄高速运动状态下桨叶标记点图片，并计算圆心三维坐标，标记点圆心连线与轨迹平面的夹角减去初始夹角，即为该时刻旋翼桨叶的扭转角。对一片旋翼桨叶某一时刻的扭转角进行计算，具体包括以下步骤：
1) 旋翼桨叶高速运动过程中，拍摄某时刻桨叶标记点左、右图像对；
2) 根据第5步中所述方法进行标记点圆心定位并计算标记点三维坐标，得到该时刻标记点圆心连线的方向向量
Figure 131996DEST_PATH_IMAGE008
；
3) 根据方向向量
Figure 886326DEST_PATH_IMAGE008
与该组双目立体视觉系统下计算得到的轨迹平面法向量
Figure 685654DEST_PATH_IMAGE004
，计算标记点连线与轨迹平面的夹角，该夹角减去第6步求得的初始夹角即为该时刻的旋翼桨叶扭转角
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，计算公式如下：
Figure 271357DEST_PATH_IMAGE010
。

Claims (2)

1.一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）在直升机每片桨叶需要测量扭转角的位置固定一块等腰角钢并标记圆形标记点，等腰角钢与旋翼桨叶垂直；
（2）在旋翼桨叶侧面安装三组双目摄像机，每组摄像机负责120°视场，通过双目摄像机、高速计算机、角度传感器、照明设备构建基于双目立体视觉的图像获取装置；
（3）使用标定算法分别对三组双目摄像机进行标定，获取重投影矩阵Q；
（4）使用步骤（3）已标定好的双目立体视觉系统对低速旋转且处于拉平状态的旋翼桨叶每隔一定角度采集旋翼桨叶标记点左、右图像对，计算图像对中标记点圆心的三维信息，并分别对每个标记点进行平面拟合；
（5）使用双目立体视觉系统拍摄高速旋转时的旋翼桨叶图片，计算标记点圆心连线与标记点的轨迹平面夹角；
所述步骤（4）具体包括以下步骤：
(a) 使用步骤（3）中获得的摄像机参数对标记点图像对进行几何矫正和立体校正；
(b) 对图像对进行边缘检测找出圆轮廓，并针对圆轮廓进行圆心定位，获得标记点圆心像素坐标；
(c) 根据标记点圆心像素坐标对双目图像中的标记点圆心进行立体匹配；
(d)利用步骤（3）中的重投影矩阵
Figure 813392DEST_PATH_IMAGE001
，在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息；
(e) 分别将每个标记点在各个位置的三维坐标进行平面拟合，得到标记点的轨迹平面；
步骤（4）中d步骤中在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息，具体计算公式如下：
Figure 655446DEST_PATH_IMAGE002
其中，(X/W,Y/W,Z/W)为标记点的三维坐标，(x,y)为标记点在左摄像机图像平面的图像坐标，d为标记点在左右摄像机关联的视差。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目立体视觉的直升机旋翼桨叶扭转角测量方法，其特征在于：所述步骤（5）具体包括以下步骤：
(a) 根据步骤（4）中求得的低速旋转时标记点圆心三维坐标以及轨迹平面，计算旋翼桨叶低速旋转且旋翼桨叶处于拉平状态下，标记点圆心连线与轨迹平面的初始夹角；
(b) 拍摄旋翼桨叶高速旋转时的左、右图像对，并得出标记点圆心三维坐标；
(c) 计算高速旋转状态下标记点圆心连线与轨迹平面夹角并减去初始夹角，即为旋翼桨叶扭转角。
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