基于數(shù)字影像的直升機(jī)旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)測(cè)量

廖會(huì)生，李新民，陳垚鋒，黃建萍，熊邦書

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2. 南昌航空大學(xué) 圖像處理與模式識(shí)別江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063)

0 引言

直升機(jī)在飛行時(shí)，旋翼工作在復(fù)雜的氣動(dòng)環(huán)境中。特別是在直升機(jī)前飛時(shí)，旋翼槳葉所承受的載荷及運(yùn)動(dòng)都比較復(fù)雜，影響的因數(shù)很多，造成了旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性，如圖 1所示。受各片槳葉的安裝角和扭轉(zhuǎn)變形不相同的影響，旋翼各片槳葉受的氣動(dòng)力不一樣，導(dǎo)致各片槳葉的槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡不在同一高度，即錐度角不相等。這種不平衡的氣動(dòng)力直接導(dǎo)致旋翼振動(dòng)增大，影響直升機(jī)的安全性、舒適性和可靠性。

圖1 槳葉運(yùn)動(dòng)軌跡變化情況

國(guó)內(nèi)外對(duì)旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的研究開展較早。早期采用標(biāo)桿法，需要多人操作，有很大的安全性隱患，不能進(jìn)行多個(gè)飛行狀態(tài)的測(cè)試(只能進(jìn)行地面懸停)，涉及錐體的調(diào)整需要有專業(yè)知識(shí)的工程師；還有采用頻閃儀法，但是只能獲得槳尖的大致位置，不能給出精確的高度差，涉及錐體的調(diào)整需要有專業(yè)知識(shí)的工程師。針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量中存在的有安全隱患、精度差、專業(yè)性太強(qiáng)等問題，本文提出一種基于數(shù)字影像的非接觸式旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，該方法是一種省時(shí)、省力且高精度的測(cè)量方法，能實(shí)現(xiàn)槳尖運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量。

1 原理

1.1 基本原理

基于數(shù)字影像的直升機(jī)旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡(BTD)測(cè)量是采用高速相機(jī)對(duì)貼有反光材料的旋翼槳尖的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行圖像采集，然后對(duì)采集的圖像進(jìn)行計(jì)算處理獲得槳尖位置偏移量的技術(shù)。測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，計(jì)算機(jī)視覺模塊選用UI-3130CP Rev. 2型號(hào)高速工業(yè)相機(jī)(分辨率800×600，幀率為575.0 fps，像元尺寸為4.80 μm×4.80 μm)，用于槳尖圖像數(shù)據(jù)的采集。觸發(fā)控制模塊是一個(gè)角度傳感器和倍頻同步器，每次槳尖運(yùn)動(dòng)掃過角度傳感器產(chǎn)生一個(gè)TTL信號(hào)，信號(hào)經(jīng)倍頻同步轉(zhuǎn)換器倍頻處理，然后觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。照明模塊的高頻攝影燈用于水平照射槳尖，使相機(jī)在低曝光條件下拍到清晰的槳尖圖像。

圖2 BTD測(cè)量系統(tǒng)

槳尖偏移測(cè)量是通過在槳葉某一方位(如900)槳尖正方向安裝一臺(tái)攝像機(jī)，在旋翼運(yùn)動(dòng)過程中，拍攝每片槳葉通過此方位時(shí)的槳尖圖像，采用圖像處理方法獲取每張槳葉圖像中槳葉的中心點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算不同槳葉槳尖中心點(diǎn)的偏移量。槳尖偏移測(cè)量方法的流程圖如圖3所示。

圖3 槳尖偏移測(cè)量方法流程圖

1.2 標(biāo)定

本文研究中采用基于棋盤格的測(cè)量標(biāo)定方法完成槳尖運(yùn)動(dòng)圖像標(biāo)定。這種測(cè)量標(biāo)定方法采用常用的棋盤格作為標(biāo)定板，如圖4所示，棋盤格中每個(gè)黑色正方形區(qū)域的實(shí)際尺寸已知，其擺放方式與基于標(biāo)準(zhǔn)塊的測(cè)量標(biāo)定相同。

圖4 棋盤格標(biāo)定板

采集棋盤格標(biāo)定圖像后，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊圖像進(jìn)行中值濾波，去除一定的噪聲干擾；采用最小化誤差的迭代方法檢測(cè)亞像素角點(diǎn)；最終假設(shè)棋盤格檢測(cè)出×個(gè)的棋盤格角點(diǎn)，則有(-1)×(-1)個(gè)棋盤方格被檢測(cè)出來，包含(2++)條邊長(zhǎng)，鄰近的兩個(gè)棋盤格角點(diǎn)間的像素距離，即為方格邊長(zhǎng)的像素距離，而棋盤格方格尺寸已知，從而可以獲得單位像素所代表的實(shí)際長(zhǎng)度，完成視覺測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，為兩個(gè)相鄰棋盤格角點(diǎn)間的像素距離。

1.3 槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法

槳葉運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法包括如下三大步驟：槳葉編碼自動(dòng)識(shí)別，槳尖氣動(dòng)中心定位，槳尖高度差計(jì)算。

1.3.1 槳尖編碼自動(dòng)識(shí)別

利用圖像處理方法在旋翼高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下自動(dòng)識(shí)別槳葉的二進(jìn)制編碼。預(yù)先按照如圖5中標(biāo)注的比例將涂有啞光漆的矩形標(biāo)記粘貼在各旋翼槳尖端面處，進(jìn)行槳尖編碼；然后利用槳尖灰度圖像信息，并根據(jù)槳尖上矩形標(biāo)記在水平方向上與槳尖長(zhǎng)度的比例關(guān)系，通過統(tǒng)計(jì)矩形標(biāo)記區(qū)域滿足設(shè)定灰度級(jí)的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)來判定是否有涂黑矩形，進(jìn)而達(dá)到區(qū)分各槳尖二進(jìn)制編碼的目的。

圖5 槳尖編碼示意圖

1.3.2 槳尖氣動(dòng)中心定位

首先利用大津法將槳尖圖像進(jìn)行二值化。然后將圖像區(qū)域內(nèi)的輪廓按照大小進(jìn)行排序，選取輪廓半徑滿足設(shè)定值的區(qū)域并提取該輪廓兩端點(diǎn)坐標(biāo)，然后進(jìn)行槳尖區(qū)域畫圓。具體識(shí)別圖像如圖6中(a)、(b)。最后通過槳尖氣動(dòng)中心點(diǎn)與槳尖長(zhǎng)度的比例關(guān)系得出槳尖氣動(dòng)中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

圖6 槳尖定位過程示意圖

1.3.3 槳尖高度差計(jì)算

結(jié)合相機(jī)標(biāo)定結(jié)果和槳尖氣動(dòng)中心定位中得到的氣動(dòng)中心像素坐標(biāo)信息，可計(jì)算得到槳尖偏移距離。

設(shè)試驗(yàn)操縱參數(shù)時(shí)，槳葉槳尖氣動(dòng)中心不同時(shí)刻高度的像素坐標(biāo)為(表示運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同時(shí)刻，表示槳葉的編號(hào))；令0(0表示靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，表示槳葉的編號(hào))表示旋翼槳尖氣動(dòng)中心在靜止?fàn)顟B(tài)下高度的像素坐標(biāo)，則在操縱參數(shù)下，旋翼槳尖不同時(shí)刻相對(duì)靜止位置偏移量分別為Δ，計(jì)算如公式(2)。

Δ=(0-)

(2)

2 試驗(yàn)步驟

將相機(jī)正對(duì)槳尖架于距直升機(jī)槳尖1 m左右位置，同時(shí)將高頻攝影燈正對(duì)槳尖端面打光，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)槳尖實(shí)時(shí)抓拍，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

采用棋盤格測(cè)量標(biāo)定法獲得直升機(jī)旋翼槳尖圖像靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果，如表1所示。獲得靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果后進(jìn)行旋翼旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下槳尖運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，試驗(yàn)狀態(tài)為：旋翼轉(zhuǎn)速600 rpm，試驗(yàn)總距0～9°，共9個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)。

表1 標(biāo)定結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

直升機(jī)旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)是揮擺扭耦合的結(jié)果，故在進(jìn)行旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)分析過程中，將槳葉偏移量分解為揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)三個(gè)量進(jìn)行分析，其計(jì)算方式都一樣。獲得的初始標(biāo)定值和實(shí)測(cè)值代入公式(2)中，獲得揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)偏移量結(jié)果。

1)槳尖揮舞量隨總距變化趨勢(shì)

圖8所示為編碼10的槳葉槳尖揮舞量。從圖中可以看出，隨著總距的增大，槳葉產(chǎn)生的升力越大，槳葉揮舞量越大，整體揮舞量隨總距的變化趨勢(shì)基本符合理論分析。

圖8 編碼10號(hào)槳尖揮舞量

通過對(duì)四片槳葉揮舞量取平均，進(jìn)行對(duì)比分析，獲得如圖9所示的四片槳葉揮舞量均值對(duì)比。從圖中可以看出，四片槳葉揮舞量的隨總距變化的趨勢(shì)基本一致。

圖9 四片槳尖揮舞量均值對(duì)比

2)槳尖擺振量隨總距變化趨勢(shì)

圖10所示為編碼為00號(hào)的槳葉槳尖擺振量。從圖中可以看出，隨總距的增大，槳葉擺振量也變大。由于槳葉擺振剛度比揮舞剛度大，擺振量隨總距的變化趨勢(shì)比揮舞量小。

圖10 編碼00號(hào)槳尖擺振量

圖11對(duì)四片槳尖擺振量均值進(jìn)行了對(duì)比分析，擺振量均值變化趨勢(shì)基本一致，低總距時(shí)擺振量變化趨勢(shì)一致性較好。

圖11 四片槳尖擺振量均值對(duì)比

3)槳尖扭轉(zhuǎn)量隨總距變化趨勢(shì)

圖12為編碼00號(hào)的槳尖扭轉(zhuǎn)量。從圖中可以看出，扭轉(zhuǎn)量隨總距的增大而增大，整體基本呈線性變化。

圖12 編碼00號(hào)槳尖扭轉(zhuǎn)量

圖13為四片槳尖扭轉(zhuǎn)量均值對(duì)比。從圖中可以看出，扭轉(zhuǎn)量變化趨勢(shì)基本一致，并且00號(hào)與11號(hào)較為一致，01號(hào)與10號(hào)基本一致。

圖13 四片槳尖扭轉(zhuǎn)量均值對(duì)比

綜合上述分析，槳尖揮擺扭運(yùn)動(dòng)基本與總距變化一致，但是由于每片槳葉物理特性存在差異，各片槳尖運(yùn)動(dòng)存在波動(dòng)。通過四片槳尖揮舞量和扭轉(zhuǎn)量均值的對(duì)比分析可知，00號(hào)與11號(hào)變化趨勢(shì)較為一致，01號(hào)與10號(hào)變化一致性較好，說明00號(hào)與11號(hào)槳葉物理特性較為一致，01號(hào)與10號(hào)物理特性較為一致。

4 結(jié)論

提出了一種基于數(shù)字影像的直升機(jī)旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法。該方法采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，克服了現(xiàn)有旋翼槳葉槳尖運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法的不足；另外，使用編碼標(biāo)記點(diǎn)有效解決了槳尖特征不明顯的問題，提高了特征識(shí)別與匹配的效率和精度。對(duì)模型旋翼槳尖進(jìn)行了多次測(cè)量試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法具有動(dòng)態(tài)測(cè)量、非接觸式、操作簡(jiǎn)單、危險(xiǎn)性小和精度高的優(yōu)點(diǎn)，可為直升機(jī)旋翼槳葉的日常維護(hù)提供一種新的技術(shù)手段。