CN104748693B - 一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，包括双目立体视觉测量装置，桨叶根部固定，在待测剖面两侧各选择一个测试截面，每个测试截面附着两个靶点，所述测量装置的第一成像装置、第二成像装置的光轴均贯穿于所述两测试截面，并标定测量装置的内、外参数；在加载载荷前、后分别控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的两测试截面的空载图像及加载图像；采集的空载图像、加载图像提取靶点坐标，三维重建获取靶点在同一测量坐标系下空载和加载时的三维坐标；解析靶点在加载前、后的位置关系，并计算剖面扭转刚度。本发明可以精确获取待测桨叶的位形变化，提高测量精度，增加测量灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种扭转刚度测量***，尤其涉及一种基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面扭转刚度测量***，属于测试技术领域。
背景技术
直升机是靠发动机驱动旋翼旋转产生升力和推进力，能在大气中垂直起降、悬停、定点回转、前飞、后飞和侧飞等可控飞行的飞行器。直升机主要由机体、旋翼、动力和传动***组成，其中旋翼***是直升机最明显的标志，也是直升机能够完成高机动性飞行的根本。旋翼***由桨叶和桨毂构成，桨叶围绕桨毂中心做高速旋转，产生升力、前进力和操控力，从而实现直升机的飞行。直升机桨叶使用的材料经历了木质、木质金属混合、金属到复合材料的变革，在使用复合材料以后，直升机桨叶的气动外形、动力学特性、疲劳寿命、耐撞性都得到了极大的提高。
复合材料桨叶的剖面挥舞、摆振和扭转刚度的分布规律比较复杂，而且是桨叶调频的重要因素。由于复合材料桨叶结构复杂，材料性能、内部组件的剖面尺寸常常受工艺因素影响难以准确取得，加之计算模型中含有大量的简化和与实际情况不完全相符的假设，所以复合材料桨叶剖面刚度的计算一般很难做到十分准确，这就需要通过实验手段测定桨叶各剖面在三个运动方向上的刚度。
在工程中，通过检测直升机桨叶在已知载荷作用下的变形，计算出桨叶某指定剖面的结构强度。目前对扭转变形的测量使用激光三角测距法监测待测剖面的变形。
使用激光三角测距法测量桨叶扭转变形时，通过4个激光三角测距传感器检测桨叶在给定载荷下的扭转变形，如图1所示，进而得到桨叶剖面刚度。激光三角测距的特点是结构简单、体积小、精度高，适合测量微小位移，但是由于激光器在被测面上的投射点在桨叶变形前后很难保证在同一位置，如图1所示，粗实线翼型为变形前桨叶剖面位置，细实线翼型为变形后桨叶剖面位置，变形前激光器在被测面上的投射点为A点，跟随桨叶转动变形后A点转动到A′位置，但是变形后实际测量的为B点，所以使用激光三角测距法测量桨叶扭转变形的结果精度较低。
针对现有激光三角测距法测量直升机桨叶剖面扭转变形中存在的诸多缺陷，亟需开发一种准备工作少、灵活性好、测量精度高的基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面扭转刚度测量方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量方法，本发明可以测量桨叶翼型段的刚度，并大大简化了测量准备工作、增加测量灵活性和提高了测量精度。
本发明的技术方案是提供一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其设计要点在于：包括双目立体视觉测量装置，所述双目立体视觉测量装置包括第一成像装置、第二成像装置、同步控制器和控制主机，所述第一成像装置、第二成像装置和同步控制器电连接，同步控制器和控制主机电连接；同步控制器根据所接收的来自控制主机的控制电信号触发第一成像装置、第二成像装置同步进行图像采集；
采用所述双目立体视觉测量装置测量桨叶剖面扭转刚度包括以下步骤：
S1，刚性固定待测桨叶，把待测桨叶的桨根部刚性同定在刚性支架上，使其无运动自由度，在待测桨叶的另一端固定用于施加载荷的加载夹具；
S2，选择两测试截面，在所述待测桨叶上选择两个与其长度方向相垂直的第一测试截面和第二测试截面，所述第一测试截面和第二测试截面分别位于待测桨叶的待测剖面的两侧，在第一测试截面上附着两个相间的靶点，在第二测试截面上附着两个相间的靶点；
S3，设置成像装置，将双目立体视觉测量装置的第一成像装置、第二成像装置固定在待测桨叶的上方，第一成像装置、第二成像装置的光轴均贯穿于所述两测试截面，标定第一成像装置、第二成像装置的内部参数，以及第一成像装置、第二成像装置之间的外部参数；
S4，图像采集，在加载载荷前，控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面和第二测试截面的空载图像；
通过加载夹具施加载荷，在待测桨叶稳定后，控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面和第二测试截面的加载图像；
S5，三维重建，对所述第一成像装置、第一成像装置获取的空载图像和加载图像分别进行特征提取，获取靶点图像坐标，根据所标定的第一成像装置、第二成像装置的内部参数以及第一成像装置和第二成像装置之间的外部参数，对第一成像装置、第二成像装置获取的空载图像进行匹配，并对所述空载图像进行三维重建，获取靶点在测量坐标系下空载时的三维坐标，对第一成像装置、第二成像装置获取的加载图像进行匹配，并对所述加载图像进行三维重建，获取靶点在同一测量坐标系下加载时的三维坐标；
S6，剖面扭转刚度计算，对上述加载前、加载后的同名点的三维坐标进行解析，计算得出第一测试截面和第二测试截面之间的相对位置关系，进而得到待测桨叶的待测剖面扭转刚度。
本发明在应用中，还有如下进一步优化的技术方案。
进一步地，所述施加载荷为力偶载荷，第一测试截面和第二测试截面之间的相对位置关系为相对扭转角，根据相对扭转角计算获取待测桨叶的待测剖面扭转刚度。
进一步地，所述步骤S2中，第一测试截面上的两个相间的靶点附着在第一测试截面与待测桨叶表面的交线上，第二测试截面上的两个相间的靶点附着在第二测试截面与待测桨叶表面的交线上。
进一步地，所述第一成像装置、第二成像装置均为工业相机。
进一步地，所述第一测试截面、第二测试截面间距为100-200mm。
本发明方法与激光三角测距方法相比，准备工作步、灵活性好，并且能够更加精确地捕捉到桨叶的变形。
有益效果
能够更加精确地捕捉到桨叶的变形，通过双成像装置采集图像，并进行三维重建，可以精确获取待测桨叶的位形变化，提高测量精度。
附图说明
图1激光测距仪测量桨叶剖面扭转刚度原理图。
图2双目立体视觉测量装置布置图。
图3待测桨叶示意图。
图4加载夹具结构示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。
现代新型直升机的桨叶几乎毫无例外使用复合材料，复合材料桨叶铺层结构非常复杂，桨叶具有非均匀性和各向异性，不同位置剖面刚度差异较大，仅测量一个剖面的变形无法准确获得桨叶的剖面刚度。本发明通过测量具有相同铺层结构的桨叶的两个相近的第一截面S1和第二截面S2(如图3所示)之间的相对变形，通过三维重建获得该段内的剖面扭转刚度。第一截面S1和第二截面S2之间的间距过大，测量获得的剖面扭转刚度可能会偏离桨叶的真实值，间距太小，则两剖面之间的相对变形很小，视觉***难以检测，一般两剖面间距在100～200nm之间比较合适，具体测量时的两剖面间距还要根据桨叶铺层的实际情况和双目立体测量***的测量精度而定。
在测量过程中直升机桨叶尽可能只发生扭转变形。加载载荷的大小和位置均已知。桨叶的加载载荷通过加载夹具(如图4所示)进行加载。
在待测的两个截面上各附着两个靶点，可以直接附着在桨叶表面或者附着在可夹持于桨叶表面的刚性机构上，增加两个靶点之间的跨度，在一定程度上可以提高***的测量精度。
如图2所示，本发明的一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，包括双目立体视觉测量装置，所述双目立体视觉测量装置包括第一成像装置、第二成像装置、同步控制器和控制主机，所述第一成像装置、第二成像装置和同步控制器电连接，同步控制器和控制主机电连接；同步控制器根据所接收的来自控制主机的控制电信号触发第一成像装置、第二成像装置同步进行图像采集。
采用本发明***的双目立体视觉测量装置测量桨叶剖面扭转刚度，具体包括以下步骤：
S1，刚性固定待测桨叶，把待测桨叶的桨根部刚性同定在刚性支架上，使其无运动自由度，在待测桨叶的另一端固定用于施加载荷的加载夹具。加载夹具的结构如图4所示，两侧分别设有一个加载臂，通过加载臂可以施加载荷力大小相等方向相反的力偶载荷，用于测试桨叶剖面的扭转刚度。
S2，在桨叶的待测剖面的两侧分别选择两个测试截面，分别为第一测试截面S1和第二测试截面S2，第一测试截面S1和第二测试截面S2分别于与桨叶的长度方向相垂直，第一测试截面S1和第二测试截面S2间距为l，l值过大，测量获得的剖面扭转刚度可能会偏离桨叶的真实值，l值太小，则两测试截面之间的相对变形很小，视觉***难以检测，一般两剖面间距在100～200mm之间比较合适，具体测量时两测试截面间距还要根据桨叶铺层的实际情况和***的测量精度而定。如图3所示，在两个测试截面上各附着两个相间的靶点，所述两个靶点分布在靠近前缘一侧和后缘一侧，增加两靶点之间间距有助于提高***的测量精度。
S3，设置成像装置，将双目立体视觉测量装置的第一成像装置、第二成像装置固定在支撑架上，并将其设置在待测桨叶的上方，第一成像装置、第二成像装置的光轴均贯穿于所述两测试截面S1、S2。对设置好位置的两个双目立体视觉测量装置进行标定，标定第一成像装置、第二成像装置的内部参数，以及第一成像装置、第二成像装置之间的外部参数；第一成像装置、第二成像装置均采用工业相机，以下分别称为第一工业相机、第二工业相机。
S4，图像采集，根据测量需求，包括以下几个子步骤：
在加载载荷前，固定好的桨叶静止后，通过控制主机向同步控制器发送图像采集控制信号，同步控制器根据控制信号来控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面S1和第二测试截面S2的空载图像；
通过加载夹具施加载荷力大小相等方向相反的力偶载荷，在待测桨叶稳定静止后，通过控制主机向同步控制器发送图像采集控制信号，同步控制器根据控制信号来控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面S1和第二测试截面S2的加载图像；
S5，三维重建，对所述成像装置获取的空载图像进行特征提取，获取第一测试截面、第二测试截面上的靶点的图像坐标，对所述成像装置获取的加载图像进行特征提取，获取第一测试截面、第二测试截面上的靶点的图像坐标。根据已标定的第一成像装置、第二成像装置的内部参数以及第一成像装置和第二成像装置之间的外部参数，对第一成像装置、第二成像装置获取的空载图像进行匹配，并对所述空载图像进行三维重建，获取靶点在测量坐标系下空载时的三维坐标，对第一成像装置、第二成像装置获取的加载图像进行匹配，并对所述加载图像进行三维重建，获取靶点在同一测量坐标系下加载时的三维坐标。
S6，剖面扭转刚度计算，对上述加载前、加载后的同名点的三维坐标进行解析。施加载荷为力偶载荷，计算得出第一剖面S1和第二剖面S2之间相对位相对扭转角，根据相对扭转角计算获取桨叶剖面扭转刚度。
加载变形量的计算：
将加载前和加载后同一剖面上两个靶点连线分别记为向量和向量则该剖面的转角可表示为：
其中
剖面扭转刚度的计算：
本发明利用两剖面的相对扭转角求取桨叶的剖面扭转刚度。根据杆件的扭转模型，有
其中，表示相距为dx的两个截面之间的相对转角，T为长度为dx的杆件承受的扭矩，GIp为相距dx的两个截面之间的平均抗扭刚度。沿轴线对x积分，则相距为l的两个截面之间的相对转角表达式为：
其中，为两个截面之间的相对扭转角，表示为：
和为两截面的扭转角，T为加载的载荷，l为两个截面之间的距离，则待测剖面的扭转刚度为：
为了使本领域的普通技术人员，能更清晰地理解本发明的技术方案，下面结合具体实例对本发明的实施方式做进一步介绍。
该实例采用分辨率为1392×1040的两个数字CCD摄像机(第一成像装置、第二成像装置)和17mm焦距的两个光学镜头；测量***的程序以VS2010为工具编写，程序算法为现有技术在此不再详述，在Windows7平台上运行。桨叶总长为1630mm，翼型段弦长为108mm，测量Y750mm和Y1150mm的剖面刚度。测量Y750mm剖面刚度时，在Y700mm处选取第一测试截面S1、Y800mm处选取第二测试截面S2，第一测试截面S1、第二测试截面S2的每个测试截面上各附着两个靶点，两靶点间距80mm。测量Y1150mm剖面刚度时，在Y1100mm处选取第一测试截面S1、Y1200mm处选取第二测试截面S2，第一测试截面S1、第二测试截面S2的每个测试截面上各附着两个靶点，两靶点间距80mm。
应用本发明方法测量桨叶Y1150mm剖面的扭转刚度、挥舞刚度和摆振刚度的重复精度统计如表1所示，扭转刚度的重复测量精度为7％。
表1 重复精度验证 单位：N·m2
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 扭转刚度 | 161.8 | 162.4 | 164.7 | 169.5 | 168.4 | 167.9 | 166.3 | 165.5 |
在保持切变模量G、极惯性矩Ip和剖面间距l不变的情况下，剖面的扭转角与载荷T成线性关系。同理，在保持弹性模量E、惯性矩I、载荷加载位置a、待测剖面位置x1和x2不变情况下，剖面的弯曲挠度ω与载荷F成线性关系。因此通过改变载荷，剖面变形量之间的线性关系也可以从一个侧面验证***的检测精度。
测量抗扭刚度时，在Y1500mm截面分别加载10.2N·m2、13.26N·m2和16.32N·m2三种情况，每次加载有效测量次数不少于三次，实验结果取其平均值。加载10.2N·m2时将测得的两截面扭转角视为1，加载13.26N·m2时，加载载荷是10.2N·m2的1.3倍，则理想情况下，两截面的扭转角应为1.3，加载16.32N·m2时，两截面扭转角应为1.6。实际统计结果如表2所示。
表2 剖面扭转角线性关***计
本发明方法与激光三角测距方法相比，准备工作少、灵活性好，并且能够更加精确地捕捉到桨叶的变形；
和现有技术相比，本发明具有以下技术进步性：
1)能够更加精确地捕捉到桨叶的变形，通过双成像装置采集图像，并进行三维重建，可以精确获取待测桨叶的位形变化，提高测量精度。
2)准备工作少、灵活性好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其特征在于：包括双目立体视觉测量装置，所述双目立体视觉测量装置包括第一成像装置、第二成像装置、同步控制器和控制主机，所述第一成像装置、第二成像装置和同步控制器电连接，同步控制器和控制主机电连接；同步控制器根据所接收的来自控制主机的控制电信号触发第一成像装置、第二成像装置同步进行图像采集；
采用所述双目立体视觉测量装置测量桨叶剖面扭转刚度包括以下步骤：
S1，刚性固定待测桨叶，把待测桨叶的桨根部刚性固定在刚性支架上，使其无运动自由度，在待测桨叶的另一端固定用于施加载荷的加载夹具；
S2，选择两测试截面，在所述待测桨叶上选择两个与其长度方向相垂直的第一测试截面和第二测试截面，所述第一测试截面和第二测试截面分别位于待测桨叶的待测剖面的两侧，在第一测试截面上附着两个相间的靶点，在第二测试截面上附着两个相间的靶点；
S3，设置成像装置，将双目立体视觉测量装置的第一成像装置、第二成像装置固定在待测桨叶的上方，第一成像装置、第二成像装置的光轴均贯穿于所述两测试截面，标定第一成像装置、第二成像装置的内部参数，以及第一成像装置和第二成像装置之间的外部参数；
S4，图像采集，在加载载荷前，控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面和第二测试截面的空载图像；
通过加载夹具施加载荷，在待测桨叶稳定后，控制第一成像装置、第二成像装置同步采集附着靶点的第一测试截面和第二测试截面的加载图像；
S5，三维重建，对所述第一成像装置、第二成像装置获取的空载图像和加载图像分别进行特征提取，获取靶点图像坐标，根据所标定的第一成像装置、第二成像装置的内部参数以及第一成像装置和第二成像装置之间的外部参数，对第一成像装置、第二成像装置获取的空载图像进行匹配，并对所述空载图像进行三维重建，获取靶点在测量坐标系下空载时的三维坐标，对第一成像装置、第二成像装置获取的加载图像进行匹配，并对所述加载图像进行三维重建，获取靶点在同一测量坐标系下加载时的三维坐标；
S6，剖面刚度计算，对S5中得到的空载时、加载时的同名靶点的三维坐标进行解析，计算得出第一测试截面和第二测试截面之间的相对位置关系，进而得到桨叶的待测剖面扭转刚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其特征在于：所述施加载荷为力偶载荷，第一测试截面和第二测试截面之间的相对位置关系为相对扭转角，根据相对扭转角计算获取待测桨叶的待测剖面扭转刚度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其特征在于：所述步骤S2中，第一测试截面上的两个相间的靶点附着在第一测试截面与待测桨叶表面的交线上，第二测试截面上的两个相间的靶点附着在第二测试截面与待测桨叶表面的交线上。
4.根据权利要求3所述的一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其特征在于：所述第一成像装置、第二成像装置均为工业相机。
5.根据权利要求4所述的一种基于双目立体视觉的桨叶剖面扭转刚度测量***，其特征在于：第一测试截面、第二测试截面间距为100-200mm。
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