基于機器視覺的共軸雙旋翼槳尖位移實時監測系統

車兵輝，尹欣繁，彭先敏，章貴川

(中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

共軸雙旋翼直升機具有兩個槳轂，在設計上通過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時需要承受很大的升力偏置載荷，共軸反轉的上下旋翼槳葉會發生顯著的彈性形變，過小的安裝間距可能會導致上下旋翼槳尖發生碰撞，影響直升機的飛行安全[1]。尤其是共軸雙旋翼直升機風洞實驗中，在前飛狀態時需要對旋翼配平，而實驗時的一些配平狀態是不可預測或預知的，這就增加了上下旋翼槳尖碰撞的風險。因此，在風洞實驗時，必須對共軸雙旋翼的槳尖間距進行實時測量和監測。當槳尖距離小于預警值時，應立即對旋翼實驗系統緊急停車，防止旋翼實驗臺設備的損傷或者威脅人員安全。

由于直升機旋翼槳葉的槳尖位移測量是在旋翼高速旋轉動態下進行的，許多靜態的測量方法難以適應高速下的實時測量。我國共軸剛性雙旋翼直升機的相關實驗研究起步較晚，共軸剛性雙旋翼直升機研究主要集中在氣動特性[2]、配平操縱[3-4]、載荷[5]等方面，對槳尖偏移或槳葉變形測量相關實驗研究較少。但近年來，對單旋翼槳尖位移測量方法的研究成果較多，文獻[6]～文獻[10]中均通過在槳尖下表面或上表面粘貼標記點，采用了機器視覺的立體測量方法,這種方法測量精度較高,但系統復雜、實時性差。運用高速攝影系統對單旋翼直升機槳尖運動軌跡進行測量，取得了較好效果[11]。由于雙旋翼旋轉時上下旋翼槳葉會彼此遮擋，現有方法并不能直接應用于運動過程中上下旋翼槳尖位移的測量。

共軸雙旋翼實驗具有高風險性，且槳尖測量不能影響實驗開展。因此，結合單旋翼槳尖位移測量的立體視覺測量方法，提出了一種單相機視覺測量的非接觸式雙旋翼槳尖距離實時監測方法。該方法結構簡單，能夠滿足實時性和精度要求，對保障共軸雙旋翼實驗的安全具有重要意義。

1 系統總體方案

1.1 系統設計要求

實驗采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺，實驗條件及工況如表1所示。

表1 實驗條件及工況

結合實驗條件和工況，以及安全監測目的，提出以下設計要求。

① 圖像實時采集和顯示。由于實驗狀態復雜，具有一定的危險性，需要對旋翼槳尖位移進行實時監測，所以必須對獲取的每一幀槳尖原始圖像和經過圖像處理辨識出的待測目標點圖像實時顯示，有利于觀測獲取的圖像質量，保證待測目標點在視場范圍內以及圖像處理算法的有效性和可靠性。

② 上下旋翼間距實時顯示。由于實驗具有高風速和高轉速特點，操縱參數多且具有一定的探索性，在復雜的實驗狀態下，槳尖位移變化范圍不可預知，必須對獲得的每一幀圖像進行實時處理，計算出上下旋翼槳尖距離并顯示出來，時刻關注槳尖間距變化情況。

③ 適應不同實驗條件及工況。由于實驗條件復雜，且具有不同風速和轉速、配平參數的組合，系統必須在不斷變化的實驗條件下，獲取高質量的圖像，并能準確分辨出目標點，計算出槳尖距離，這就要求系統能夠實時調整圖像采集參數和圖像處理參數，以保證不同實驗條件下得到準確結果。

1.2 系統組成

系統主要包括硬件和軟件兩個部分。硬件系統主要包括獲取圖像的高速相機、增強反光標記點亮度的LED燈、確定每片槳葉位置并觸發相機采集的傳感器以及控制相機并對圖像進行處理的計算機；軟件功能主要包括相機控制、槳尖圖像的實時處理、圖像和曲線顯示、參數設置等功能。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構組成

1.3 系統工作原理

基于視覺測量的槳尖距離監測系統是在槳葉槳盤某一方位槳尖正方向安裝一臺高速相機，在旋翼旋轉過程中，當槳葉通過此位置時，安裝于槳轂上的轉速傳感器會產生一個脈沖，觸發相機采集圖像，然后通過數字圖像處理算法對獲取的圖像進行處理，獲取每張槳尖圖像中的槳尖中心的坐標，通過坐標到位置的轉換計算槳尖中心點的位置。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時顯示在界面上，便于工作人員監測。

2 系統硬件設計

硬件系統是獲取滿足要求的圖像的關鍵，由于所測對象是高速旋轉的，因此對硬件系統有特殊要求，需要根據系統的功能和技術要求對硬件系統進行設計和選型。硬件系統主要包括工業相機、鏡頭、光源、槳葉位置傳感器等。

2.1 相機選型

相機負責采集槳尖圖像，由于直升機旋翼實驗轉速較高，每一轉都要多次采集圖像，相機必須具有較高的幀率以滿足高轉速下槳尖圖像的采集。4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺最大轉速為900 r/min，有4片槳葉，每轉需要采集4次，則每秒鐘產生60幀圖像，因此相機在外觸發工作模式下要達到60幀以上的幀率。相機的分辨率決定了測量的精度，因此需要選擇較高分辨率的相機以滿足測量精度。由于旋翼的高轉速，槳尖的線速度非常快，每片槳葉經過視場的時間非常短，這就要求相機具有很短的曝光時間，否則獲得的圖像就會模糊，為后續的圖像處理帶來困難，相機的曝光時間通常與幀率有關。綜上所述，綜合考慮幀率、分辨率、曝光時間、數據傳輸速率等參數，所選擇相機的主要參數如表2所示。

表2 相機參數

2.2 鏡頭選型

攝像系統中鏡頭決定了系統的視場大小，既要保證目標在視場范圍內，又要保證目標位移具有足夠的分辨率，因此鏡頭的選取綜合考慮視場大小和目標位移的大小。在實際應用中，待測目標應遠離視場邊緣，避免圖像產生畸變，因此在計算視場大小時應留一些余量。所需鏡頭的焦距可按式(1)計算。

f=LHc/Hv

(1)

式中：f為鏡頭焦距；L為相機到拍攝目標的距離；Hc為相機光學成像靶面的高度；Hv為拍攝視場的高度。在實驗時L為2 m，根據相機參數可知Hc為20.48 mm,Hv為800 mm，代入式(1)可計算出焦距約為50 mm。因此，選擇焦距為50 mm的鏡頭。

2.3 同步與觸發

為了保證每片槳葉進入拍攝視場時采集圖像，同時確保每片槳葉在同一位置采集圖像，相機采集圖像需要通過槳葉位置信號觸發和同步相機采集。觸發信號用于控制相機開始采集圖像，當相機啟動后，如果處于外觸發模式，則相機等待觸發信號，當觸發信號到達時，相機才進入采集圖像的狀態，此時相機并不采集圖像，而是等待同步信號的到來；同步信號用于控制相機的快門，每一個同步信號到達，相機就采集一幅圖像，此時的幀頻由同步信號的頻率決定。觸發與同步時序如圖2所示。選取一個槳葉作為基準槳葉，在該槳葉對準相機的位置處安裝光電傳感器，并將該信號作為開始采集的觸發信號，則采集到的第1幅圖像就是基準槳葉。同時另外一個光電傳感器檢測每一片槳葉對準相機的位置，將該信號作為同步信號。這樣采集到的圖像序列按照1號槳葉、2號槳葉、3號槳葉、4號槳葉的順序往復排列，這樣就可以分辨出每一片槳葉。

圖2 觸發與同步時序

采用這種觸發和同步方式，保證每片槳葉在同一位置采集，且不同轉速狀態下，槳葉位置是不會變的，因此這種采集方式與轉速不相關，可以適應任何轉速狀態。

2.4 光源選擇

由于系統必須滿足旋翼高速旋轉工況下的圖像獲取，要獲取清晰的圖像，相機曝光時間就必須非常短，否則圖像會出現拖影；另一方面當曝光時間非常短時，進入相機內部感光元件的光就會很小，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，兩者是一個矛盾體。要獲得清晰、槳尖明亮的圖像，就必須增強光照和反光貼的反光量。因此選用無頻閃的大功率LED燈作為補充光源。

2.5 監測位置選取

在實驗過程中，上下旋翼在相互重合的位置可能發生槳尖碰撞。上下旋翼最近的位置為270°方位角處[1]，如圖3所示。因此相機的拍攝位置對準旋翼270°方位角處。監測此處的槳尖距離，避免上下旋翼槳尖碰撞。

圖3 旋翼距離變化趨勢(修改圖)

3 系統軟件設計

共軸雙旋翼槳尖位移實時監測系統軟件基于Matlab軟件平臺開發，采用相機廠商提供的API實現相機的控制，并利用Matlab強大的圖像處理能力實現圖像的實時處理。軟件主要包括相機控制與標定、圖像采集與顯示、參數配置、圖像處理、槳尖距離計算與顯示等功能，軟件運行流程如圖4所示。

圖4 軟件運行流程

其中，相機標定和槳尖距離計算是軟件的核心功能，也是軟件設計的重點。

3.1 相機標定

攝影測量獲得的目標點坐標為成像平面坐標系下的像素坐標，要獲得被測物體的物理位置，就必須通過標定獲得像素坐標系與物理坐標系的轉換關系[12-13]。

標定采用棋盤格測量標定方法，棋盤格如圖5所示，將棋盤格標定板放置在槳尖正對相機的位置，獲取棋盤格標定板圖像，通過濾波去噪、角點檢測等圖像處理方法[14]，獲得所有棋盤格邊長的平均像素距離。每個棋盤格的實際邊長是已知的，從而就可以獲得每個像素表示的物理長度K，在測量時獲得像素長度乘以K，就可以獲得被測目標的物理長度。

圖5 棋盤格

(2)

3.2 槳尖距離計算

槳尖距離的計算是根據上下旋翼的位置差量計算的，因此需要獲得上下旋翼各自的位置。在系統工作時，通過外觸發的方式獲得旋翼旋轉工況下的槳尖圖像，如圖6所示。圖6中白色區域為槳尖截面，可見通過補光、調整曝光時間等措施獲得的圖像清晰，槳尖區域明亮，這為后續的圖像處理提供了有利條件。

圖6 槳尖原始圖像

首先對原始圖像采用灰度閾值分割，將圖像轉換為二值圖，如圖7所示，這樣就可以將槳尖區域與背景分割[15-16]，然后通過邊緣檢測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。為了使計算簡便且提高計算速度，取槳尖截面的重心坐標作為槳尖的位置，如圖8所示。

圖7 二值圖像

圖8 槳尖位置檢測

結合標定獲得的坐標轉換系數K和上下旋翼槳尖的像素坐標，可計算出上下旋翼之間的距離。計算上下旋翼槳尖之間的距離只關心垂向的距離，因此,設yup、ydown分別為上、下旋翼旋轉時槳尖的垂向像素坐標，y0up、y0down分別為上、下旋翼靜止時的垂向像素坐標。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 實驗結果分析

本次實驗采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺，實驗條件如表1所示。實驗內容包括雙旋翼懸停和雙旋翼前飛兩種狀態。

4.1 槳尖位移測量重復性實驗

在懸停狀態下對系統的測量準確度和重復性進行實驗，實驗在轉速896 r/min、總距角0°狀態下進行。選取同一片槳葉在不同時刻的若干測量值對準度和重復性進行驗證。選取上下槳尖距離的27次測量值考核準度，如圖9所示，藍色為槳尖距離實測值；綠色為槳尖設計理論值；紅色為槳尖距離實測平均值。槳尖設計理論值為300 mm，實測平均值為299.3 mm，實測平均值與理論值相差0.7 mm，實測值的誤差帶為2.95 mm，實驗結果表明，系統具有較高準確度，能夠滿足實驗需求。

圖9 槳尖距離準確度

選取同一片槳葉槳尖位移的27次測量值考核重復性，如圖10所示，藍色為下旋翼槳尖位移實測值，綠色為上旋翼槳尖位移實測值。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，實測值中的波動是由于旋翼在高速旋轉過程中出現槳葉振動引起的，在實際應用中取多次測量的平均值，可減小測量誤差。

圖10 槳尖位移重復性

4.2 雙旋翼懸停狀態槳尖位移測量

雙旋翼懸停狀態槳尖位移測量，轉速為896 r/min，通過操縱系統改變槳葉的總距角，獲得了雙旋翼槳尖位置隨總距角的變化數據，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，這是由于槳葉產生的升力隨總距角增大而增大，槳尖位移也隨之增大;同時,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規律[3]。

圖11 相對靜止狀態槳尖位移

圖12 上下旋翼槳尖距離

4.3 雙旋翼前飛狀態槳尖位移測量

雙旋翼前飛狀態時，影響槳尖距離的因素有升力偏置、前進比、交叉角、提前操縱角、旋翼氣動干擾等，其中升力偏置是最重要和最顯著的影響因素[3]。實驗風速為28 m/s，旋翼轉速447 r/min，前進比為0.3。圖13給出了不同升力偏置和傾角狀態的槳尖距離結果。

圖13 不同升力偏置狀態的槳尖距離

圖13數據表明，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，數據符合共軸雙旋翼空氣動力學理論。

5 結束語

共軸雙旋翼實驗時，由于實驗狀態的不可預知性，上下旋翼槳葉有可能發生碰撞，造成實驗模型和設備損壞，因此在實驗時必須對上下旋翼槳尖距離實時測量與監測。筆者主要采用圖像處理相關方法，提出了一種基于單目視覺的共軸雙旋翼槳尖位移測量方法。根據實驗條件和工況對硬件系統進行了詳細設計，采用外部觸發的圖像采集方式，獲取了清晰的槳尖圖像。基于 Matlab軟件平臺開發了軟件系統，采用測量標定、圖像處理與識別等技術，完成了槳尖位移的測量。在4 m共軸旋翼實驗中得到應用，獲取了懸停及前飛狀態的槳尖距離數據，數據符合共軸雙旋翼空氣動力學理論。結果表明該系統滿足實驗要求，并保證了實驗的安全完成。