張建花，冀　芳，鄒　強(qiáng)

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試所，西安　710089)

?

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)變形測(cè)量技術(shù)研究

張建花，冀芳，鄒強(qiáng)

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試所，西安710089)

針對(duì)飛行試驗(yàn)中飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)變形測(cè)量問(wèn)題，提出了一種基于圖像的測(cè)量方法，對(duì)其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；采用10參數(shù)模型非線性成像模型補(bǔ)償攝像機(jī)系統(tǒng)誤差，引入攝像機(jī)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法，使攝像機(jī)標(biāo)校重投影誤差小于0.03 pixel；采用編碼標(biāo)志作為測(cè)量標(biāo)志，提高了圖像自動(dòng)識(shí)別和匹配效率；采用雙像機(jī)交會(huì)測(cè)量計(jì)算測(cè)量標(biāo)志位移變形量可達(dá)到0.15 mm/m；實(shí)驗(yàn)證明，該方法滿足飛行試驗(yàn)中飛機(jī)結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)變形要求。

飛行試驗(yàn)；攝像機(jī)消抖；變形測(cè)量；編碼標(biāo)志

0　引言

某型飛機(jī)在空中高速飛行時(shí)，某結(jié)構(gòu)件在閉合過(guò)程中可能會(huì)有少量的形變產(chǎn)生，對(duì)飛機(jī)安全性造成影響。在試飛測(cè)試階段需要檢驗(yàn)該結(jié)構(gòu)件閉合時(shí)形變的大小和分布位置，給飛機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)和試飛包線擴(kuò)展提供參考。高清影像具有分辨率高，影像清晰，便于高精度測(cè)量分析，并可以滿足長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的采集和記錄。本文采用了高清影像測(cè)量檢測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)形變量，以兩臺(tái)攝像機(jī)交會(huì)測(cè)量，可以得到其視場(chǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。以地面起飛前影像測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，比對(duì)空中試飛過(guò)程中影像測(cè)量的特征點(diǎn)坐標(biāo)變化，得到其變形量。

1　測(cè)量原理

1.1測(cè)量方案

采用兩臺(tái)分辨率為1 920×1 080@30 fps的高清攝像機(jī)(C1和C2)拍攝飛機(jī)結(jié)構(gòu)件A和B接縫部位，由可接收外部時(shí)間信息的機(jī)載影像采集器接收機(jī)上GPS產(chǎn)生的IRIG-B碼時(shí)間，控制攝像機(jī)的同步觸發(fā)和采集，獲取兩臺(tái)攝像機(jī)的同步圖像。通過(guò)雙像機(jī)交會(huì)測(cè)量原理，根據(jù)布設(shè)的測(cè)量標(biāo)志的空間變化，測(cè)量形變位置和形變大小。攝像機(jī)C1和C2安裝在梁架上，視場(chǎng)范圍覆蓋結(jié)構(gòu)件接縫部位和部分飛機(jī)結(jié)構(gòu)，測(cè)量范圍大約2 m，如圖1所示。

圖1　影像測(cè)量示意圖

飛行前，在地面飛機(jī)結(jié)構(gòu)A和飛機(jī)結(jié)構(gòu)B正常閉合，用C1和C2的影像測(cè)量其上各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，作為變形的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)?？罩性囷w時(shí)，拍攝飛機(jī)結(jié)構(gòu)A和飛機(jī)結(jié)構(gòu)B閉后的影像，再次計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并與地面測(cè)量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以得到變形的部位和變形量的大小。

1.2測(cè)量坐標(biāo)系

采用飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系作為影像測(cè)量的空間基準(zhǔn)。坐標(biāo)系定義為三維直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在飛機(jī)最前端，Y軸與飛機(jī)軸線平行指向機(jī)尾，X軸指向飛機(jī)的左側(cè)，Z軸垂直YX平面指向上方，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

1.3測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)

在飛行狀態(tài)下，雖然機(jī)身結(jié)構(gòu)件在無(wú)規(guī)律振動(dòng)，但機(jī)身局部剛性件整體的柔性變形相對(duì)于攝像機(jī)的剛性移動(dòng)可忽略。在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)尋找固定不變的區(qū)域作為變形測(cè)量的參考系統(tǒng)。設(shè)計(jì)兩組測(cè)量參考點(diǎn)，一組稱為動(dòng)點(diǎn)，粘貼在飛機(jī)結(jié)構(gòu)B上，和飛機(jī)結(jié)構(gòu)B同步運(yùn)動(dòng)，用于計(jì)算飛機(jī)結(jié)構(gòu)件B的變形；另一組稱為不動(dòng)點(diǎn)，認(rèn)為其是不動(dòng)，不變形的，粘貼在飛機(jī)結(jié)構(gòu)A上作為測(cè)量的參考系，這組標(biāo)志用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)攝像機(jī)的空間位置和姿態(tài)，如圖1分布所示。兩組標(biāo)志可以同時(shí)成像到同一個(gè)畫面上。每一時(shí)刻的畫面，先用不動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，使攝像機(jī)的外參數(shù)回復(fù)其應(yīng)有的位置。然后，根據(jù)當(dāng)前的校準(zhǔn)參數(shù)再對(duì)動(dòng)點(diǎn)標(biāo)志進(jìn)行位置坐標(biāo)解析計(jì)算。由此可消除或者減弱空中飛行狀態(tài)攝像機(jī)抖動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高動(dòng)態(tài)變形測(cè)量精度。

1.4主要計(jì)算步驟

小學(xué)生在面臨初次的習(xí)作時(shí)，常常會(huì)懷抱著很高的期待，希望自身的寫作能力能夠得到教師的認(rèn)可，因此，教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，應(yīng)該充分考慮到學(xué)生的心理，對(duì)學(xué)生的習(xí)作進(jìn)行激勵(lì)式評(píng)價(jià)，充分表?yè)P(yáng)習(xí)作中的優(yōu)秀之處，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自身的創(chuàng)造力和想象力，通過(guò)習(xí)作抒發(fā)自身豐富的情感，增長(zhǎng)自身的綜合素養(yǎng)，提高自身的藝術(shù)水平，對(duì)于習(xí)作的缺點(diǎn)則在后續(xù)的教學(xué)中不斷對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，使學(xué)生能夠逐漸得到進(jìn)步，穩(wěn)健提高習(xí)作水平。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)變形測(cè)量技術(shù)主要包括標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)與識(shí)別、攝像機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定、攝像機(jī)外方位元素標(biāo)定、交會(huì)計(jì)算等步驟。具體如下：

1.4.1測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別

設(shè)計(jì)一組具有唯一編號(hào)編碼標(biāo)志，部分如圖2所示。編碼標(biāo)志由內(nèi)圓和外圓環(huán)兩部分組成，其內(nèi)圓是實(shí)心的圓，確定標(biāo)志的中心位置；外圓環(huán)采用同心的環(huán)帶，環(huán)帶的長(zhǎng)短和相互分布位置形成了編碼。動(dòng)點(diǎn)和不動(dòng)點(diǎn)測(cè)量標(biāo)志均采用不同編號(hào)的編碼標(biāo)志，這樣便于標(biāo)志點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，降低雙像機(jī)測(cè)量特征點(diǎn)的誤匹配。確定像點(diǎn)坐標(biāo)的過(guò)程分三步: 首先,利用Canny算子提取圖像邊緣；然后，橢圓檢測(cè)，用最小二乘法擬合出中心坐標(biāo)；最后,對(duì)橢圓外圍的環(huán)帶進(jìn)行檢測(cè)，確定標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)。大量實(shí)驗(yàn)表明,該算法提取的像點(diǎn)坐標(biāo)精度優(yōu)0.02 pixel[2]。

圖2　編碼測(cè)量標(biāo)志

1.4.2攝像機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)攝像機(jī)內(nèi)方位元素進(jìn)行標(biāo)校。首先通過(guò)拍攝帶編碼標(biāo)志的標(biāo)校尺，根據(jù)10參數(shù)非線性模型[3]對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)方位參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校，得到攝像機(jī)的焦距、像主點(diǎn)坐標(biāo)、影像的畸變參數(shù)等。表1為C1，C2像機(jī)的內(nèi)參數(shù)值：

表1　攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)值

1.4.3攝像機(jī)外方位元素標(biāo)定

外方位元素在試飛中由于攝像機(jī)抖動(dòng)原因會(huì)微量變化，需要利用飛機(jī)結(jié)構(gòu)A上的基準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)志對(duì)外參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。首先，用全站儀測(cè)量飛機(jī)結(jié)構(gòu)A上的基準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)志在飛機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。然后，判讀試飛過(guò)程中每一幀圖像上測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的像素坐標(biāo)值，通過(guò)攝影測(cè)量的單像空間后方交會(huì)原理，計(jì)算拍攝時(shí)刻攝像機(jī)的外方位參數(shù)。具體計(jì)算方法：

(1)

(2)

1.4.4雙像機(jī)交會(huì)計(jì)算變形量

雙像機(jī)交會(huì)的基本過(guò)程是根據(jù)已知的兩臺(tái)攝像機(jī)內(nèi)、外方位元素參數(shù)以及被測(cè)物體影像測(cè)量特征點(diǎn)的圖像位置，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算得到影像測(cè)量特征點(diǎn)的幾何位置。對(duì)式(1)進(jìn)行變形，得到影像交會(huì)計(jì)算的公式如下：

(3)

其中：

l1=fa1+(x-x0+Δx)a3

l2=fb1+(x-x0+Δx)b3

l3=fc1+(x-x0+Δx)c3

l4=fa2+(y-y0+Δy)a3

l5=fb2+(y-y0+Δy)b3

l6=fc2+(y-y0+Δy)c3

lx=fa1XS+fb1YS+fc1ZS+(x-x0+Δx)a3XS+

ly=fa2XS+fb2YS+fc2ZS+(y-y0+Δy)a3XS+

根據(jù)結(jié)構(gòu)B上的測(cè)量標(biāo)志在左右兩個(gè)影像上的1個(gè)同名點(diǎn)可以列出4個(gè)線性方程，通過(guò)最小二乘得到3個(gè)未知數(shù)(X,Y,Z)。由計(jì)算得到的Z坐標(biāo)減去飛機(jī)在地面靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量得到的Z0，得到變化量ΔZ，即飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的形變量。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置上布設(shè)編碼測(cè)量標(biāo)志，模擬飛行過(guò)程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的閉合運(yùn)動(dòng)；并將攝像機(jī)加裝在振動(dòng)臺(tái)上，模擬機(jī)載振動(dòng)環(huán)境。拍攝靜態(tài)及閉合過(guò)程中實(shí)驗(yàn)裝置的圖像，利用上述方法計(jì)算實(shí)驗(yàn)裝置閉合前后的變形量。

圖3　左右攝像機(jī)拍攝的圖像

對(duì)各個(gè)測(cè)量標(biāo)志進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，抽取其中4個(gè)特征點(diǎn)，得到其變化的分布如圖4所示。

Z/mm圖4　實(shí)驗(yàn)裝置形變測(cè)量數(shù)據(jù)

其變化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：

表2　形變測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由于形變測(cè)量是相對(duì)測(cè)量，用測(cè)量值減去基準(zhǔn)值，在實(shí)驗(yàn)裝置緊閉僅有微量振動(dòng)情況下，也同時(shí)降低了系統(tǒng)誤差的影響，故此基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測(cè)量中ΔZi中沒有過(guò)大的趨勢(shì)性數(shù)據(jù)，基本在±0.15 mm以內(nèi)，其相對(duì)精度可達(dá)到0.15 mm/m，小的波動(dòng)可以認(rèn)為是測(cè)量隨機(jī)誤差與結(jié)構(gòu)件振動(dòng)時(shí)的微量抖動(dòng)引起的。

在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，一路高清影像測(cè)量1小時(shí)產(chǎn)生10.8萬(wàn)

幀畫面、208 GB的數(shù)據(jù)量，一個(gè)飛行架次多視角1～2小時(shí)的影像數(shù)據(jù)匯集在一起，堪稱海量。人工判讀10.8萬(wàn)幀畫面需要300小時(shí)，精度只能到像素級(jí)。采用編碼標(biāo)志，并設(shè)計(jì)了影像處理軟件，由軟件自動(dòng)識(shí)別影像中所有測(cè)量標(biāo)志，再根據(jù)自動(dòng)區(qū)分，達(dá)到了0.1像素的判讀精度，2～3 fps的處理速度。但是處理10.8萬(wàn)幀畫面仍需10小時(shí)。后續(xù)還需進(jìn)一步加強(qiáng)影像的自動(dòng)識(shí)別能力，提高影像數(shù)據(jù)處理的速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化快速處理。

3　結(jié)束語(yǔ)

采用兩臺(tái)高清攝像機(jī)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行同步拍攝，利用立體攝影測(cè)量原理處理數(shù)據(jù)，解算飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的變形量，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)條件下的變形檢測(cè)提供了新的解決思路。該系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單，精度高，可視化測(cè)量結(jié)果便于后續(xù)分析，給飛機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)和試飛包線擴(kuò)展提供參考。

[1] Burner A W,Liu T S H. Videogrammetric model deformation measurement technique[J].Journal of Aircraft,2001,38(4):745-754.

[2] 胡浩，梁晉,唐正宗,等.大視場(chǎng)多像機(jī)視頻測(cè)量系統(tǒng)的全局標(biāo)定[J].光學(xué)精密工程,2012,20(2):369-378.

[3] 黃桂平. 數(shù)字近景攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 天津:天津大學(xué)，2005.

[4] 馬揚(yáng)飚,鐘約先，戴小林.基于編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)碼相機(jī)三維測(cè)量與重構(gòu)[J].光學(xué)技術(shù),2006,32(6):865-868.

[5] 張劍清,潘勵(lì),王樹根.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[6] 馮文灝. 近景攝影測(cè)量——物體外形與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的攝影法測(cè)定[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社,2002.

[7] Tang Z T，Liang J,Xiao Z Z,et al. Three-dimensional digital image correlation system for deformation measurement in experimental mechanics[J]. Optical Eengineering,2010,49 (10): 103601.

[8] Xiao Z Z,Liang J,Yu D H ,et al. An accurate stereo vision system using cross-shaped target self-calibration method based on photogrammetry[J]. Optics and Lasers in Engineering,2010,48 (12): 1252-1261.

Research on Aircraft Structure Dynamic Deformation Measuring Technology

Zhang Jianhua,Ji Fang,Zou Qiang

( Department of Test,China- Flight Test Establishment,Xi′an710089,China)

In order to solve the problem of dynamic deformation measurement for aircraft structural parts in flight test,a method based on image is presented,and the key technologies involved are studied. 10-parameter model and the dynamic camera calibration algorithm are adopted to compensate the camera system error. After that the camera calibration re-projection error is less than 0.03 pixel.Using Coded marks as the surveying marks,the efficiency of image automatic recognition and matching are improved. The measurement accuracy of key points deformation is 0.05 mm/m using intersection measurement. The experiment results show that the proposed method in this paper can satisfy the demands for aircraft structural parts dynamic deformation measuring in flight test.

flight test; camera debounce; deformation measurement; coded mark

1671-4598(2016)04-0007-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.002

TP391

A

2015-09-23；

2015-10-18。

張建花(1983-)，女，陜西商洛人，碩士研究生，主要從事機(jī)載影像測(cè)量方向的研究。