基于數字影像的直升機旋翼槳尖運動測量

廖會生，李新民，陳垚鋒，黃建萍，熊邦書

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2. 南昌航空大學 圖像處理與模式識別江西省重點實驗室，江西 南昌 330063)

0 引言

直升機在飛行時，旋翼工作在復雜的氣動環境中。特別是在直升機前飛時，旋翼槳葉所承受的載荷及運動都比較復雜，影響的因數很多，造成了旋翼槳尖運動軌跡的復雜性，如圖 1所示。受各片槳葉的安裝角和扭轉變形不相同的影響，旋翼各片槳葉受的氣動力不一樣，導致各片槳葉的槳尖運動軌跡不在同一高度，即錐度角不相等。這種不平衡的氣動力直接導致旋翼振動增大，影響直升機的安全性、舒適性和可靠性。

圖1 槳葉運動軌跡變化情況

國內外對旋翼槳尖運動軌跡測量的研究開展較早。早期采用標桿法，需要多人操作，有很大的安全性隱患，不能進行多個飛行狀態的測試(只能進行地面懸停)，涉及錐體的調整需要有專業知識的工程師；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，涉及錐體的調整需要有專業知識的工程師。針對傳統測量中存在的有安全隱患、精度差、專業性太強等問題，本文提出一種基于數字影像的非接觸式旋翼槳尖運動監測方法，該方法是一種省時、省力且高精度的測量方法，能實現槳尖運動的精確測量。

1 原理

1.1 基本原理

基于數字影像的直升機旋翼槳尖運動軌跡(BTD)測量是采用高速相機對貼有反光材料的旋翼槳尖的運動進行圖像采集，然后對采集的圖像進行計算處理獲得槳尖位置偏移量的技術。測量系統如圖2所示，計算機視覺模塊選用UI-3130CP Rev. 2型號高速工業相機(分辨率800×600，幀率為575.0 fps，像元尺寸為4.80 μm×4.80 μm)，用于槳尖圖像數據的采集。觸發控制模塊是一個角度傳感器和倍頻同步器，每次槳尖運動掃過角度傳感器產生一個TTL信號，信號經倍頻同步轉換器倍頻處理，然后觸發相機進行實時采集。照明模塊的高頻攝影燈用于水平照射槳尖，使相機在低曝光條件下拍到清晰的槳尖圖像。

圖2 BTD測量系統

槳尖偏移測量是通過在槳葉某一方位(如900)槳尖正方向安裝一臺攝像機，在旋翼運動過程中，拍攝每片槳葉通過此方位時的槳尖圖像，采用圖像處理方法獲取每張槳葉圖像中槳葉的中心點坐標，進而計算不同槳葉槳尖中心點的偏移量。槳尖偏移測量方法的流程圖如圖3所示。

圖3 槳尖偏移測量方法流程圖

1.2 標定

本文研究中采用基于棋盤格的測量標定方法完成槳尖運動圖像標定。這種測量標定方法采用常用的棋盤格作為標定板，如圖4所示，棋盤格中每個黑色正方形區域的實際尺寸已知，其擺放方式與基于標準塊的測量標定相同。

圖4 棋盤格標定板

采集棋盤格標定圖像后，通過對標準塊圖像進行中值濾波，去除一定的噪聲干擾；采用最小化誤差的迭代方法檢測亞像素角點；最終假設棋盤格檢測出×個的棋盤格角點，則有(-1)×(-1)個棋盤方格被檢測出來，包含(2++)條邊長，鄰近的兩個棋盤格角點間的像素距離，即為方格邊長的像素距離，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際長度，完成視覺測量系統的標定。計算公式如下：

(1)

式中，為兩個相鄰棋盤格角點間的像素距離。

1.3 槳尖運動軌跡計算方法

槳葉運動軌跡計算方法包括如下三大步驟：槳葉編碼自動識別，槳尖氣動中心定位，槳尖高度差計算。

1.3.1 槳尖編碼自動識別

利用圖像處理方法在旋翼高速旋轉狀態下自動識別槳葉的二進制編碼。預先按照如圖5中標注的比例將涂有啞光漆的矩形標記粘貼在各旋翼槳尖端面處，進行槳尖編碼；然后利用槳尖灰度圖像信息，并根據槳尖上矩形標記在水平方向上與槳尖長度的比例關系，通過統計矩形標記區域滿足設定灰度級的像素點的個數來判定是否有涂黑矩形，進而達到區分各槳尖二進制編碼的目的。

圖5 槳尖編碼示意圖

1.3.2 槳尖氣動中心定位

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

圖6 槳尖定位過程示意圖

1.3.3 槳尖高度差計算

結合相機標定結果和槳尖氣動中心定位中得到的氣動中心像素坐標信息，可計算得到槳尖偏移距離。

設試驗操縱參數時，槳葉槳尖氣動中心不同時刻高度的像素坐標為(表示運動狀態不同時刻，表示槳葉的編號)；令0(0表示靜止狀態時，表示槳葉的編號)表示旋翼槳尖氣動中心在靜止狀態下高度的像素坐標，則在操縱參數下，旋翼槳尖不同時刻相對靜止位置偏移量分別為Δ，計算如公式(2)。

Δ=(0-)

(2)

2 試驗步驟

將相機正對槳尖架于距直升機槳尖1 m左右位置，同時將高頻攝影燈正對槳尖端面打光，然后進行運動槳尖實時抓拍，試驗系統如圖7。

圖7 試驗系統搭建

采用棋盤格測量標定法獲得直升機旋翼槳尖圖像靜態標定結果，如表1所示。獲得靜態標定結果后進行旋翼旋轉狀態下槳尖運動動態測量，試驗狀態為：旋翼轉速600 rpm，試驗總距0～9°，共9個試驗狀態。

表1 標定結果

3 試驗結果分析

直升機旋翼槳葉運動是揮擺扭耦合的結果，故在進行旋翼槳尖運動分析過程中，將槳葉偏移量分解為揮舞、擺振、扭轉三個量進行分析，其計算方式都一樣。獲得的初始標定值和實測值代入公式(2)中，獲得揮舞、擺振、扭轉偏移量結果。

1)槳尖揮舞量隨總距變化趨勢

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基本符合理論分析。

圖8 編碼10號槳尖揮舞量

通過對四片槳葉揮舞量取平均，進行對比分析，獲得如圖9所示的四片槳葉揮舞量均值對比。從圖中可以看出，四片槳葉揮舞量的隨總距變化的趨勢基本一致。

圖9 四片槳尖揮舞量均值對比

2)槳尖擺振量隨總距變化趨勢

圖10所示為編碼為00號的槳葉槳尖擺振量。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比揮舞量小。

圖10 編碼00號槳尖擺振量

圖11對四片槳尖擺振量均值進行了對比分析，擺振量均值變化趨勢基本一致，低總距時擺振量變化趨勢一致性較好。

圖11 四片槳尖擺振量均值對比

3)槳尖扭轉量隨總距變化趨勢

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

圖12 編碼00號槳尖扭轉量

圖13為四片槳尖扭轉量均值對比。從圖中可以看出，扭轉量變化趨勢基本一致，并且00號與11號較為一致，01號與10號基本一致。

圖13 四片槳尖扭轉量均值對比

綜合上述分析，槳尖揮擺扭運動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，各片槳尖運動存在波動。通過四片槳尖揮舞量和扭轉量均值的對比分析可知，00號與11號變化趨勢較為一致，01號與10號變化一致性較好，說明00號與11號槳葉物理特性較為一致，01號與10號物理特性較為一致。

4 結論

提出了一種基于數字影像的直升機旋翼槳尖運動參數測量方法。該方法采用數字圖像處理技術，克服了現有旋翼槳葉槳尖運動測量方法的不足；另外，使用編碼標記點有效解決了槳尖特征不明顯的問題，提高了特征識別與匹配的效率和精度。對模型旋翼槳尖進行了多次測量試驗，結果表明該方法具有動態測量、非接觸式、操作簡單、危險性小和精度高的優點，可為直升機旋翼槳葉的日常維護提供一種新的技術手段。