基于機(jī)器視覺(jué)的直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂(lè) 娟，張育斌，陳垚鋒，陳 煥，程起有，熊邦書(shū)

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.南昌航空大學(xué)江西省圖像處理與模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063）

旋翼是直升機(jī)最具特色的核心部件，為直升機(jī)飛行提供所需的升力和推進(jìn)力[1]。對(duì)旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，不僅可以為旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)旋翼系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。槳尖揮舞量是旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)參數(shù)的重要組成部分，如何對(duì)槳尖揮舞量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，進(jìn)一步提升旋翼試驗(yàn)品質(zhì)，為直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)和健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外直升機(jī)旋翼試驗(yàn)領(lǐng)域的重要研究方向[2-4]。

目前直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量方法主要包括：①激光位移測(cè)量法[5]。該方法在理論上具有較高的測(cè)量精度，但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中操作復(fù)雜，調(diào)試過(guò)程煩瑣。②應(yīng)變測(cè)量法[6]。該方法所需試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，但是存在靜態(tài)標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜，動(dòng)態(tài)測(cè)量與靜態(tài)標(biāo)定環(huán)境的不一致對(duì)測(cè)量結(jié)果的可信度影響較大的問(wèn)題。③光柵投影法[7]。該方法所需試驗(yàn)設(shè)備少，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但是槳尖揮舞量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于測(cè)試環(huán)境和光柵投影的安裝位置。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)幾何測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]。基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量技術(shù)具有非接觸、測(cè)量速度快、對(duì)測(cè)量對(duì)象干擾小的特點(diǎn)，采用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量實(shí)時(shí)測(cè)量，提高測(cè)量的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)總體方案

直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示。當(dāng)旋翼槳葉旋轉(zhuǎn)到角度傳感器所在方位時(shí)，角度傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)TTL 信號(hào)，為獲取不同槳葉的槳尖揮舞量，將信號(hào)經(jīng)倍頻同步轉(zhuǎn)換器倍頻處理，然后觸發(fā)安裝在130°方位的相機(jī)采集槳尖圖像，為了使相機(jī)在低曝光條件下能夠拍攝到清晰的槳尖圖像，將高頻攝影燈固定安裝在相機(jī)的同一方位，水平照射貼有反光片的槳尖區(qū)域，增加相機(jī)采集槳尖圖像時(shí)的進(jìn)光量。計(jì)算機(jī)與相機(jī)之間采用千兆光纖進(jìn)行連接來(lái)實(shí)現(xiàn)槳尖圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)檢測(cè)槳尖氣動(dòng)中心在槳尖圖像中不同時(shí)刻高度的像素坐標(biāo)偏移距離，結(jié)合相機(jī)標(biāo)定結(jié)果可以計(jì)算得到實(shí)際的槳尖揮舞量。

圖1 槳尖揮舞量測(cè)量方案圖

2 硬件設(shè)計(jì)

直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)硬件部分主要由工業(yè)相機(jī)、攝像頭、倍頻同步轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)以及高頻攝影燈組成，可以實(shí)現(xiàn)旋翼高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的槳尖圖像采集，并將槳尖圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行保存。

2.1 工業(yè)相機(jī)的選型

工業(yè)相機(jī)的選型既要考慮安裝位置和圖像采集范圍等因素，又要考慮系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。因此，系統(tǒng)選用了型號(hào)為IDS UI-3140CP-MGL_Rev_2 的高速工業(yè)數(shù)字單目相機(jī)。工業(yè)相機(jī)固定安裝在距離槳尖10 m 的位置，視場(chǎng)范圍大小為1 200 mm×980 mm，最高分辨率為1 280×1 024，每個(gè)像素代表的實(shí)際大小要小于2 mm，滿足槳尖揮舞量測(cè)量精度不超過(guò)±2 mm 的要求。相機(jī)的幀率為169 幀/s，具有USB3.0 接口，可以實(shí)現(xiàn)槳尖圖像實(shí)時(shí)采集和傳輸。

2.2 攝像頭的選型

相機(jī)固定位置距離槳尖為10 m，由于槳尖上下偏移的范圍在400 mm 左右，并且相機(jī)視野邊界附近存在畸變，所以相機(jī)視野高度取880 mm 左右比較合適，將上述參數(shù)代入公式（1），通過(guò)計(jì)算可以得到焦距f，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取f=50 mm，型號(hào)為PENTAX H1214-M 的攝像頭。

式（1）中：L為相機(jī)與待測(cè)物的距離；Lc為相機(jī)的光學(xué)靶面高度；Lview為相機(jī)的視場(chǎng)寬度。

2.3 計(jì)算機(jī)的選型

計(jì)算機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制中心，主要負(fù)責(zé)接收槳尖圖像數(shù)據(jù)、分析處理槳尖圖像數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋Ｒ驗(yàn)楣I(yè)相機(jī)的接口是USB3.0，為了不降低槳尖圖像數(shù)據(jù)傳輸速率，所選用的計(jì)算機(jī)包含USB3.0接口，通過(guò)50 m 混合有源光纜與相機(jī)進(jìn)行連接。系統(tǒng)選用的計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)為Window7，處理器為Intel Core i7，內(nèi)存為8 G，硬盤(pán)空間為2 T，滿足槳尖圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求，能夠快速地處理圖形運(yùn)算工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)軟件是基于Window 操作系統(tǒng)下的Visual Studio 2013 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，測(cè)量系統(tǒng)主界面如圖2 所示。

圖2 槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)主界面

首先利用工業(yè)相機(jī)自帶的軟件開(kāi)發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)控制以及參數(shù)設(shè)置，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的SDK 實(shí)現(xiàn)對(duì)倍頻同步轉(zhuǎn)換器的控制與參數(shù)設(shè)置，然后采用工業(yè)相機(jī)SDK 函數(shù)獲取槳尖圖像，接著使用C++語(yǔ)言基于OpenCV 編寫(xiě)了槳尖圖像信息處理程序，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)標(biāo)定、槳尖氣動(dòng)中心定位和槳尖揮舞量計(jì)算等功能，最后將槳尖揮舞量計(jì)算結(jié)果顯示在測(cè)量系統(tǒng)主界面中的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。

3.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)標(biāo)定

通過(guò)對(duì)槳尖圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲取槳尖氣動(dòng)中心在槳尖圖像中不同時(shí)刻高度的像素坐標(biāo)偏移距離。為了得到實(shí)際的槳尖揮舞量，需要知道實(shí)物尺寸與像素的比例關(guān)系，因此本系統(tǒng)采用基于棋盤(pán)格的單目視覺(jué)標(biāo)定方法[9]進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)標(biāo)定，標(biāo)定步驟如下：①采集棋盤(pán)格標(biāo)定圖像；②對(duì)棋盤(pán)格標(biāo)定圖像進(jìn)行中值濾波，減少噪聲干擾；③采用Harris 角點(diǎn)檢測(cè)算法[10]對(duì)棋盤(pán)格角點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，再使用基于最小化誤差的亞像素級(jí)角點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)；④若棋盤(pán)格檢測(cè)出m×n個(gè)角點(diǎn)，則有（m－1）×（n－1）個(gè)棋盤(pán)格方格被檢測(cè)出來(lái)，鄰近的兩個(gè)棋盤(pán)格角點(diǎn)間的像素距離表示方格邊長(zhǎng)的像素距離，由于棋盤(pán)格方格的實(shí)際尺寸是已知的，因此可以獲得單位像素所代表的實(shí)際長(zhǎng)度，從而完成計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定。

3.2 槳尖圖像的處理

旋翼槳尖揮舞量是根據(jù)槳尖氣動(dòng)中心偏移量計(jì)算得到，因此需要對(duì)槳尖氣動(dòng)中心進(jìn)行定位。槳尖氣動(dòng)中心位于槳尖弦線的3/4 位置，為了定位槳尖氣動(dòng)中心，應(yīng)該先確定槳尖弦線的位置。本系統(tǒng)首先采用大津法[11]對(duì)槳尖圖像進(jìn)行二值化，然后利用得到的二值化圖像求取最大連通區(qū)域，實(shí)現(xiàn)槳尖區(qū)域定位，最后計(jì)算最大連通區(qū)域的最小外接圓，因?yàn)橛?jì)算得到的最小外接圓與槳尖區(qū)域的兩端相交，所以可以根據(jù)最小外接圓的位置來(lái)獲得槳尖弦線的位置，通過(guò)槳尖氣動(dòng)中心點(diǎn)與槳尖弦線長(zhǎng)度的比例關(guān)系能夠得到槳尖氣動(dòng)中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)。槳尖氣動(dòng)中心定位過(guò)程示意圖如圖3 所示。

圖3 槳尖氣動(dòng)中心定位過(guò)程示意圖

對(duì)于參考狀態(tài)高度方向的像素坐標(biāo)偏移距離，結(jié)合相機(jī)標(biāo)定結(jié)果和像素坐標(biāo)偏移距離能夠計(jì)算得到槳尖揮舞量。假設(shè)試驗(yàn)操縱參數(shù)為p1時(shí)，旋翼0～4 號(hào)槳葉槳尖氣動(dòng)中心不同時(shí)刻高度的像素坐標(biāo)為Uij，其中i表示不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，j表示槳葉的編號(hào)；U0j為旋翼槳尖氣動(dòng)中心在參考狀態(tài)時(shí)高度方向的像素坐標(biāo)，其中0 表示參考狀態(tài)，則在操縱參數(shù)為p1時(shí)，旋翼槳尖在不同時(shí)刻相對(duì)參考狀態(tài)的位移量ΔUij為：

式（2）中：d為單位像素所代表的實(shí)際長(zhǎng)度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 標(biāo)定結(jié)果分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)采用的標(biāo)定方法的精度，在旋翼槳尖位置采用7×10 的棋盤(pán)格進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖4 所示。

圖4 棋盤(pán)格圖像標(biāo)定結(jié)果

從圖4 中可以看出，本系統(tǒng)采用的標(biāo)定方法能夠檢測(cè)出棋盤(pán)格中的所有角點(diǎn)，通過(guò)獲取相鄰的兩個(gè)棋盤(pán)格角點(diǎn)間的像素距離得到方格邊長(zhǎng)的像素距離，結(jié)合標(biāo)定值計(jì)算出棋盤(pán)格方格邊長(zhǎng)的測(cè)量值。棋盤(pán)格標(biāo)定板方格的實(shí)際邊長(zhǎng)為25 mm，以圖像中左上角的角點(diǎn)為起始點(diǎn)，將每個(gè)方格4 條邊的平均計(jì)算值作為方格邊長(zhǎng)的測(cè)量值，檢測(cè)出的5×8 個(gè)方格邊長(zhǎng)的測(cè)量值與真值的誤差，如表1 所示。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，棋盤(pán)格標(biāo)定誤差值都在±0.5 mm 范圍內(nèi)，滿足槳尖揮舞量測(cè)量的設(shè)計(jì)要求。

表1 棋盤(pán)格標(biāo)定誤差

4.2 槳尖位移量測(cè)量結(jié)果分析

采用直徑為4 m 的旋翼模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)量不同轉(zhuǎn)數(shù)、總距和縱向周期變距狀態(tài)下的槳尖揮舞量。為保證數(shù)據(jù)可靠性，減少偶然誤差，旋翼每個(gè)狀態(tài)重復(fù)采集100 張槳尖圖像，將相同狀態(tài)下的槳尖氣動(dòng)中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)進(jìn)行平均計(jì)算，結(jié)合標(biāo)定值得出槳尖揮舞量。

4.2.1 不同轉(zhuǎn)速和總距角的槳尖揮舞量

轉(zhuǎn)速為778 r/min 和900 r/min 時(shí)，總距角為0°、2°、4°、6°、8°、10°，縱向周期變距為0°狀態(tài)下，130°方位的槳尖揮舞量如圖5 所示，圖中橫坐標(biāo)表示總距角，縱坐標(biāo)表示槳尖運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)總距角為0°的槳尖揮舞量。

圖5 不同轉(zhuǎn)速和總距角的槳尖揮舞量

從圖5 可以看出，在轉(zhuǎn)速和縱向周期變距角相同的情況下，槳尖揮舞量隨著總距角的增大而增大，總距角越大，槳葉受到的升力越大，因此槳尖揮舞量越大。

4.2.2 不同轉(zhuǎn)速和縱向周期變距角時(shí)的槳尖揮舞量

在上述相同的轉(zhuǎn)數(shù)下，測(cè)量總距角為6°，縱向周期變距角為0°、1°、2°、3°、4°狀態(tài)下130°方位的槳尖揮舞量，結(jié)果如圖6 所示，圖中橫坐標(biāo)表示縱向周期變距角，縱坐標(biāo)表示槳尖運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)縱向周期變距角為0°的槳尖揮舞量。

由圖6 可以看出，在轉(zhuǎn)速和總距角相同的情況下，槳尖揮舞量隨著縱向周期變距角的增大而增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是縱向周期變距角增大時(shí)，該方位槳葉整體向下?lián)]舞加大，因此槳尖揮舞量不斷增大。

圖6 不同轉(zhuǎn)速和變距角的槳尖揮舞量

5 結(jié)論

文中基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的硬件和軟件功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描述。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，系統(tǒng)的最大標(biāo)定誤差不超過(guò)±0.5 mm，可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速、總距和縱向周期變距角狀態(tài)下的槳尖揮舞量測(cè)量。基于機(jī)器視覺(jué)的直升機(jī)旋翼槳尖揮舞量測(cè)量系統(tǒng)的提出與完成，給槳葉運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量的研究提供了新的思路和方向，為中國(guó)自主研發(fā)直升機(jī)的旋翼設(shè)計(jì)、健康監(jiān)測(cè)和性能評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。