基于機(jī)器視覺(jué)的共軸雙旋翼槳尖位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

車(chē)兵輝，尹欣繁，彭先敏，章貴川

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

共軸雙旋翼直升機(jī)具有兩個(gè)槳轂，在設(shè)計(jì)上通過(guò)減小上下槳轂之間的距離，以減小槳轂阻力。但另一方面，共軸剛性旋翼在飛行狀態(tài)時(shí)需要承受很大的升力偏置載荷，共軸反轉(zhuǎn)的上下旋翼槳葉會(huì)發(fā)生顯著的彈性形變，過(guò)小的安裝間距可能會(huì)導(dǎo)致上下旋翼槳尖發(fā)生碰撞，影響直升機(jī)的飛行安全[1]。尤其是共軸雙旋翼直升機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，在前飛狀態(tài)時(shí)需要對(duì)旋翼配平，而實(shí)驗(yàn)時(shí)的一些配平狀態(tài)是不可預(yù)測(cè)或預(yù)知的，這就增加了上下旋翼槳尖碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)共軸雙旋翼的槳尖間距進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)。當(dāng)槳尖距離小于預(yù)警值時(shí)，應(yīng)立即對(duì)旋翼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)緊急停車(chē)，防止旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的損傷或者威脅人員安全。

由于直升機(jī)旋翼槳葉的槳尖位移測(cè)量是在旋翼高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的，許多靜態(tài)的測(cè)量方法難以適應(yīng)高速下的實(shí)時(shí)測(cè)量。我國(guó)共軸剛性雙旋翼直升機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究起步較晚，共軸剛性雙旋翼直升機(jī)研究主要集中在氣動(dòng)特性[2]、配平操縱[3-4]、載荷[5]等方面，對(duì)槳尖偏移或槳葉變形測(cè)量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究較少。但近年來(lái)，對(duì)單旋翼槳尖位移測(cè)量方法的研究成果較多，文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[10]中均通過(guò)在槳尖下表面或上表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)，采用了機(jī)器視覺(jué)的立體測(cè)量方法,這種方法測(cè)量精度較高,但系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差。運(yùn)用高速攝影系統(tǒng)對(duì)單旋翼直升機(jī)槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量，取得了較好效果[11]。由于雙旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)上下旋翼槳葉會(huì)彼此遮擋，現(xiàn)有方法并不能直接應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上下旋翼槳尖位移的測(cè)量。

共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)具有高風(fēng)險(xiǎn)性，且槳尖測(cè)量不能影響實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。因此，結(jié)合單旋翼槳尖位移測(cè)量的立體視覺(jué)測(cè)量方法，提出了一種單相機(jī)視覺(jué)測(cè)量的非接觸式雙旋翼槳尖距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足實(shí)時(shí)性和精度要求，對(duì)保障共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)的安全具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

實(shí)驗(yàn)采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)條件及工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及工況

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件和工況，以及安全監(jiān)測(cè)目的，提出以下設(shè)計(jì)要求。

① 圖像實(shí)時(shí)采集和顯示。由于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)復(fù)雜，具有一定的危險(xiǎn)性，需要對(duì)旋翼槳尖位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以必須對(duì)獲取的每一幀槳尖原始圖像和經(jīng)過(guò)圖像處理辨識(shí)出的待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)圖像實(shí)時(shí)顯示，有利于觀測(cè)獲取的圖像質(zhì)量，保證待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)在視場(chǎng)范圍內(nèi)以及圖像處理算法的有效性和可靠性。

② 上下旋翼間距實(shí)時(shí)顯示。由于實(shí)驗(yàn)具有高風(fēng)速和高轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，操縱參數(shù)多且具有一定的探索性，在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，槳尖位移變化范圍不可預(yù)知，必須對(duì)獲得的每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出上下旋翼槳尖距離并顯示出來(lái)，時(shí)刻關(guān)注槳尖間距變化情況。

③ 適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件及工況。由于實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，且具有不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速、配平參數(shù)的組合，系統(tǒng)必須在不斷變化的實(shí)驗(yàn)條件下，獲取高質(zhì)量的圖像，并能準(zhǔn)確分辨出目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算出槳尖距離，這就要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整圖像采集參數(shù)和圖像處理參數(shù)，以保證不同實(shí)驗(yàn)條件下得到準(zhǔn)確結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)主要包括獲取圖像的高速相機(jī)、增強(qiáng)反光標(biāo)記點(diǎn)亮度的LED燈、確定每片槳葉位置并觸發(fā)相機(jī)采集的傳感器以及控制相機(jī)并對(duì)圖像進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)；軟件功能主要包括相機(jī)控制、槳尖圖像的實(shí)時(shí)處理、圖像和曲線顯示、參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.3 系統(tǒng)工作原理

基于視覺(jué)測(cè)量的槳尖距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在槳葉槳盤(pán)某一方位槳尖正方向安裝一臺(tái)高速相機(jī)，在旋翼旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)槳葉通過(guò)此位置時(shí)，安裝于槳轂上的轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，觸發(fā)相機(jī)采集圖像，然后通過(guò)數(shù)字圖像處理算法對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，獲取每張槳尖圖像中的槳尖中心的坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)到位置的轉(zhuǎn)換計(jì)算槳尖中心點(diǎn)的位置。上下槳葉槳尖位置的差值即為槳尖距離，并將原始圖像和槳尖距離實(shí)時(shí)顯示在界面上，便于工作人員監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是獲取滿足要求的圖像的關(guān)鍵，由于所測(cè)對(duì)象是高速旋轉(zhuǎn)的，因此對(duì)硬件系統(tǒng)有特殊要求，需要根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。硬件系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、槳葉位置傳感器等。

2.1 相機(jī)選型

相機(jī)負(fù)責(zé)采集槳尖圖像，由于直升機(jī)旋翼實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速較高，每一轉(zhuǎn)都要多次采集圖像，相機(jī)必須具有較高的幀率以滿足高轉(zhuǎn)速下槳尖圖像的采集。4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)最大轉(zhuǎn)速為900 r/min，有4片槳葉，每轉(zhuǎn)需要采集4次，則每秒鐘產(chǎn)生60幀圖像，因此相機(jī)在外觸發(fā)工作模式下要達(dá)到60幀以上的幀率。相機(jī)的分辨率決定了測(cè)量的精度，因此需要選擇較高分辨率的相機(jī)以滿足測(cè)量精度。由于旋翼的高轉(zhuǎn)速，槳尖的線速度非?？?，每片槳葉經(jīng)過(guò)視場(chǎng)的時(shí)間非常短，這就要求相機(jī)具有很短的曝光時(shí)間，否則獲得的圖像就會(huì)模糊，為后續(xù)的圖像處理帶來(lái)困難，相機(jī)的曝光時(shí)間通常與幀率有關(guān)。綜上所述，綜合考慮幀率、分辨率、曝光時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)，所選擇相機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 相機(jī)參數(shù)

2.2 鏡頭選型

攝像系統(tǒng)中鏡頭決定了系統(tǒng)的視場(chǎng)大小，既要保證目標(biāo)在視場(chǎng)范圍內(nèi)，又要保證目標(biāo)位移具有足夠的分辨率，因此鏡頭的選取綜合考慮視場(chǎng)大小和目標(biāo)位移的大小。在實(shí)際應(yīng)用中，待測(cè)目標(biāo)應(yīng)遠(yuǎn)離視場(chǎng)邊緣，避免圖像產(chǎn)生畸變，因此在計(jì)算視場(chǎng)大小時(shí)應(yīng)留一些余量。所需鏡頭的焦距可按式(1)計(jì)算。

f=LHc/Hv

(1)

式中：f為鏡頭焦距；L為相機(jī)到拍攝目標(biāo)的距離；Hc為相機(jī)光學(xué)成像靶面的高度；Hv為拍攝視場(chǎng)的高度。在實(shí)驗(yàn)時(shí)L為2 m，根據(jù)相機(jī)參數(shù)可知Hc為20.48 mm,Hv為800 mm，代入式(1)可計(jì)算出焦距約為50 mm。因此，選擇焦距為50 mm的鏡頭。

2.3 同步與觸發(fā)

為了保證每片槳葉進(jìn)入拍攝視場(chǎng)時(shí)采集圖像，同時(shí)確保每片槳葉在同一位置采集圖像，相機(jī)采集圖像需要通過(guò)槳葉位置信號(hào)觸發(fā)和同步相機(jī)采集。觸發(fā)信號(hào)用于控制相機(jī)開(kāi)始采集圖像，當(dāng)相機(jī)啟動(dòng)后，如果處于外觸發(fā)模式，則相機(jī)等待觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，相機(jī)才進(jìn)入采集圖像的狀態(tài)，此時(shí)相機(jī)并不采集圖像，而是等待同步信號(hào)的到來(lái)；同步信號(hào)用于控制相機(jī)的快門(mén)，每一個(gè)同步信號(hào)到達(dá)，相機(jī)就采集一幅圖像，此時(shí)的幀頻由同步信號(hào)的頻率決定。觸發(fā)與同步時(shí)序如圖2所示。選取一個(gè)槳葉作為基準(zhǔn)槳葉，在該槳葉對(duì)準(zhǔn)相機(jī)的位置處安裝光電傳感器，并將該信號(hào)作為開(kāi)始采集的觸發(fā)信號(hào)，則采集到的第1幅圖像就是基準(zhǔn)槳葉。同時(shí)另外一個(gè)光電傳感器檢測(cè)每一片槳葉對(duì)準(zhǔn)相機(jī)的位置，將該信號(hào)作為同步信號(hào)。這樣采集到的圖像序列按照1號(hào)槳葉、2號(hào)槳葉、3號(hào)槳葉、4號(hào)槳葉的順序往復(fù)排列，這樣就可以分辨出每一片槳葉。

圖2 觸發(fā)與同步時(shí)序

采用這種觸發(fā)和同步方式，保證每片槳葉在同一位置采集，且不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，槳葉位置是不會(huì)變的，因此這種采集方式與轉(zhuǎn)速不相關(guān)，可以適應(yīng)任何轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

2.4 光源選擇

由于系統(tǒng)必須滿足旋翼高速旋轉(zhuǎn)工況下的圖像獲取，要獲取清晰的圖像，相機(jī)曝光時(shí)間就必須非常短，否則圖像會(huì)出現(xiàn)拖影；另一方面當(dāng)曝光時(shí)間非常短時(shí)，進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部感光元件的光就會(huì)很小，從而使粘貼在槳尖的反光貼圖像亮度不夠，不適于圖像的處理，兩者是一個(gè)矛盾體。要獲得清晰、槳尖明亮的圖像，就必須增強(qiáng)光照和反光貼的反光量。因此選用無(wú)頻閃的大功率LED燈作為補(bǔ)充光源。

2.5 監(jiān)測(cè)位置選取

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，上下旋翼在相互重合的位置可能發(fā)生槳尖碰撞。上下旋翼最近的位置為270°方位角處[1]，如圖3所示。因此相機(jī)的拍攝位置對(duì)準(zhǔn)旋翼270°方位角處。監(jiān)測(cè)此處的槳尖距離，避免上下旋翼槳尖碰撞。

圖3 旋翼距離變化趨勢(shì)(修改圖)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

共軸雙旋翼槳尖位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件基于Matlab軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用相機(jī)廠商提供的API實(shí)現(xiàn)相機(jī)的控制，并利用Matlab強(qiáng)大的圖像處理能力實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)處理。軟件主要包括相機(jī)控制與標(biāo)定、圖像采集與顯示、參數(shù)配置、圖像處理、槳尖距離計(jì)算與顯示等功能，軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 軟件運(yùn)行流程

其中，相機(jī)標(biāo)定和槳尖距離計(jì)算是軟件的核心功能，也是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.1 相機(jī)標(biāo)定

攝影測(cè)量獲得的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為成像平面坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，要獲得被測(cè)物體的物理位置，就必須通過(guò)標(biāo)定獲得像素坐標(biāo)系與物理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系[12-13]。

標(biāo)定采用棋盤(pán)格測(cè)量標(biāo)定方法，棋盤(pán)格如圖5所示，將棋盤(pán)格標(biāo)定板放置在槳尖正對(duì)相機(jī)的位置，獲取棋盤(pán)格標(biāo)定板圖像，通過(guò)濾波去噪、角點(diǎn)檢測(cè)等圖像處理方法[14]，獲得所有棋盤(pán)格邊長(zhǎng)的平均像素距離。每個(gè)棋盤(pán)格的實(shí)際邊長(zhǎng)是已知的，從而就可以獲得每個(gè)像素表示的物理長(zhǎng)度K，在測(cè)量時(shí)獲得像素長(zhǎng)度乘以K，就可以獲得被測(cè)目標(biāo)的物理長(zhǎng)度。

圖5 棋盤(pán)格

(2)

3.2 槳尖距離計(jì)算

槳尖距離的計(jì)算是根據(jù)上下旋翼的位置差量計(jì)算的，因此需要獲得上下旋翼各自的位置。在系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)外觸發(fā)的方式獲得旋翼旋轉(zhuǎn)工況下的槳尖圖像，如圖6所示。圖6中白色區(qū)域?yàn)闃饨孛妫梢?jiàn)通過(guò)補(bǔ)光、調(diào)整曝光時(shí)間等措施獲得的圖像清晰，槳尖區(qū)域明亮，這為后續(xù)的圖像處理提供了有利條件。

圖6 槳尖原始圖像

首先對(duì)原始圖像采用灰度閾值分割，將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖，如圖7所示，這樣就可以將槳尖區(qū)域與背景分割[15-16]，然后通過(guò)邊緣檢測(cè)算法獲得槳尖截面的輪廓，從而可以獲得槳尖截面的封閉圖形。為了使計(jì)算簡(jiǎn)便且提高計(jì)算速度，取槳尖截面的重心坐標(biāo)作為槳尖的位置，如圖8所示。

圖7 二值圖像

圖8 槳尖位置檢測(cè)

結(jié)合標(biāo)定獲得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)K和上下旋翼槳尖的像素坐標(biāo)，可計(jì)算出上下旋翼之間的距離。計(jì)算上下旋翼槳尖之間的距離只關(guān)心垂向的距離，因此,設(shè)yup、ydown分別為上、下旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)槳尖的垂向像素坐標(biāo)，y0up、y0down分別為上、下旋翼靜止時(shí)的垂向像素坐標(biāo)。則上下旋翼的位移分別為

Dup=K(yup-y0up)

(3)

Ddown=K(ydown-y0down)

(4)

則上下旋翼槳尖距離為

ΔD=K(yup-ydown)

(5)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括雙旋翼懸停和雙旋翼前飛兩種狀態(tài)。

4.1 槳尖位移測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

在懸停狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)速896 r/min、總距角0°狀態(tài)下進(jìn)行。選取同一片槳葉在不同時(shí)刻的若干測(cè)量值對(duì)準(zhǔn)度和重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證。選取上下槳尖距離的27次測(cè)量值考核準(zhǔn)度，如圖9所示，藍(lán)色為槳尖距離實(shí)測(cè)值；綠色為槳尖設(shè)計(jì)理論值；紅色為槳尖距離實(shí)測(cè)平均值。槳尖設(shè)計(jì)理論值為300 mm，實(shí)測(cè)平均值為299.3 mm，實(shí)測(cè)平均值與理論值相差0.7 mm，實(shí)測(cè)值的誤差帶為2.95 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高準(zhǔn)確度，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖9 槳尖距離準(zhǔn)確度

選取同一片槳葉槳尖位移的27次測(cè)量值考核重復(fù)性，如圖10所示，藍(lán)色為下旋翼槳尖位移實(shí)測(cè)值，綠色為上旋翼槳尖位移實(shí)測(cè)值。下旋翼槳尖位移誤差帶為1.03 mm，上旋翼槳尖位移誤差帶為2.97 mm，實(shí)測(cè)值中的波動(dòng)是由于旋翼在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)槳葉振動(dòng)引起的，在實(shí)際應(yīng)用中取多次測(cè)量的平均值，可減小測(cè)量誤差。

圖10 槳尖位移重復(fù)性

4.2 雙旋翼懸停狀態(tài)槳尖位移測(cè)量

雙旋翼懸停狀態(tài)槳尖位移測(cè)量，轉(zhuǎn)速為896 r/min，通過(guò)操縱系統(tǒng)改變槳葉的總距角，獲得了雙旋翼槳尖位置隨總距角的變化數(shù)據(jù)，由于4片槳葉在同一方位角的槳尖位移基本相同，圖11和圖12為槳葉的槳尖位移和間距的平均值。結(jié)果表明，上下旋翼槳尖位移隨總距角的增大而增大，且上旋翼位移變化比下旋翼位移變化大，這是由于槳葉產(chǎn)生的升力隨總距角增大而增大，槳尖位移也隨之增大;同時(shí),由于上下旋翼之間相互影響，上旋翼升力變化要大于下旋翼的升力變化，槳尖距離也隨著總距角的增大而增大。當(dāng)總距角大于8°以后，上下旋翼槳尖位置變化趨于同步，槳尖距離也基本保持不變，這也符合共軸雙旋翼的氣動(dòng)規(guī)律[3]。

圖11 相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)槳尖位移

圖12 上下旋翼槳尖距離

4.3 雙旋翼前飛狀態(tài)槳尖位移測(cè)量

雙旋翼前飛狀態(tài)時(shí)，影響槳尖距離的因素有升力偏置、前進(jìn)比、交叉角、提前操縱角、旋翼氣動(dòng)干擾等，其中升力偏置是最重要和最顯著的影響因素[3]。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為28 m/s，旋翼轉(zhuǎn)速447 r/min，前進(jìn)比為0.3。圖13給出了不同升力偏置和傾角狀態(tài)的槳尖距離結(jié)果。

圖13 不同升力偏置狀態(tài)的槳尖距離

圖13數(shù)據(jù)表明，上下旋翼槳尖距離隨著升力偏置的增大而呈線性減小，在相同升力偏置條件下，隨著傾角的增大而呈線性增大，數(shù)據(jù)符合共軸雙旋翼空氣動(dòng)力學(xué)理論。

5 結(jié)束語(yǔ)

共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的不可預(yù)知性，上下旋翼槳葉有可能發(fā)生碰撞，造成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備損壞，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)必須對(duì)上下旋翼槳尖距離實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)測(cè)。筆者主要采用圖像處理相關(guān)方法，提出了一種基于單目視覺(jué)的共軸雙旋翼槳尖位移測(cè)量方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和工況對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用外部觸發(fā)的圖像采集方式，獲取了清晰的槳尖圖像。基于 Matlab軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了軟件系統(tǒng)，采用測(cè)量標(biāo)定、圖像處理與識(shí)別等技術(shù)，完成了槳尖位移的測(cè)量。在4 m共軸旋翼實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用，獲取了懸停及前飛狀態(tài)的槳尖距離數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)符合共軸雙旋翼空氣動(dòng)力學(xué)理論。結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實(shí)驗(yàn)要求，并保證了實(shí)驗(yàn)的安全完成。