文/吳國寶 易暉

1 引言

直升機(jī)旋翼為直升機(jī)的飛行提供所需的升力、操縱力和推進(jìn)力，是直升機(jī)最具特色的系統(tǒng)，其發(fā)展經(jīng)歷了鉸接式旋翼、無鉸式旋翼、球柔性旋翼和無軸承旋翼等過程。旋翼系統(tǒng)的構(gòu)型日趨簡單化，但其各種特性的耦合卻越來越復(fù)雜，使得旋翼系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜。旋翼試驗(yàn)對于旋翼預(yù)先研究和旋翼設(shè)計(jì)的驗(yàn)證變得越來越重要。旋翼動力學(xué)試驗(yàn)為旋翼槳葉的動力學(xué)特性分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。如何在旋翼動力學(xué)特性試驗(yàn)中對旋翼槳葉運(yùn)動參數(shù)，如揮舞角、擺振角、總距角進(jìn)行方便快捷、精確測量，已成為近年來國內(nèi)外直升機(jī)旋翼試驗(yàn)技術(shù)研究的重要課題。

目前，國內(nèi)外在課題、型號試驗(yàn)中測量旋翼槳葉運(yùn)動參數(shù)的方法主要有：

（1）應(yīng)變測量法，其通過在槳葉表面特定位置按照不同組橋方式粘貼應(yīng)變片，然后對槳葉進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定確定運(yùn)動參數(shù)與應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)態(tài)標(biāo)定確定運(yùn)動參數(shù)與應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系，該方法技術(shù)成熟、試驗(yàn)設(shè)備簡單，但粘貼應(yīng)變片會對槳葉表面氣動特性造成不同程度的破壞，且大尺寸柔性槳葉靜載荷與動載荷之間存在較大差異，至使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不高；

（2）光纖測量法，該方法與應(yīng)變片測量方法類似，同樣也存在光纖粘貼會對槳葉表面氣動特性造成不同程度的破壞及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不高的問題；

（3）激光動態(tài)測量法，該方法也是一種非接觸式測量方法，通過安裝在槳轂上的激光三角位移傳感器及線陣CCD 位移傳感器測量槳葉運(yùn)動參數(shù)，其具有抗環(huán)境噪聲干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在設(shè)備安裝不方便，可測量范圍少、三叉件結(jié)構(gòu)對旋翼動特性試驗(yàn)存在安全隱患等不足。

針對以上旋翼運(yùn)動參數(shù)測量方法存在的不足，提出了一種利用視頻圖像原理的非接觸式測量方法，以滿足在不同類型旋翼動力學(xué)試驗(yàn)中對旋翼槳葉運(yùn)動參數(shù)的測量需求。首先，通過一組或多組相機(jī)同步采集槳葉在不同試驗(yàn)狀態(tài)下的二維圖像；然后，依據(jù)雙目立體視覺原理通過反演重構(gòu)出槳葉表面的三維坐標(biāo)；最后，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)解算公式計(jì)算出不同試驗(yàn)狀態(tài)下槳葉的揮舞角、擺振角、扭轉(zhuǎn)角。該方法具有測量視場大、抗環(huán)境影響能力強(qiáng)、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 原理介紹

2.1 旋翼試驗(yàn)塔

目前國內(nèi)直升機(jī)的旋翼動力學(xué)性試驗(yàn)大部分是在中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所綜合試驗(yàn)室的旋翼試驗(yàn)塔上完成的。該旋翼試驗(yàn)塔塔高21.5m，頂部工作臺直徑約3.5 米，底部直徑12.5 米。能夠覆蓋13t 以下的直升機(jī)型號及課題旋翼性能、動力學(xué)及耐久性等試驗(yàn)。旋翼試驗(yàn)塔由動力拖動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、天平測力系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等組成。旋翼試驗(yàn)塔外觀圖如圖1。

2.2 視頻圖像方法

與人眼成像原理相似，視頻圖像方法的基本原理是利用一組（左、右兩臺相機(jī)）或多組相機(jī)同步獲取空間某一感興趣區(qū)的二維圖像，然后對每組圖像進(jìn)行匹配找出對應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)由事先標(biāo)定得到的兩臺相機(jī)的內(nèi)、外部參數(shù)，便可通過反演重構(gòu)出該點(diǎn)在給定空間坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其基本原理圖如圖2所示。

如圖2所示，設(shè)q 為空間中的任意一觀測點(diǎn)；OL和OR分別表示左、右兩個(gè)相機(jī)的光圈中心；qL、qR分別表示q 在左、右相機(jī)中的成像點(diǎn)；從圖中可以很直觀地看到，一臺攝像機(jī)可以確定一條直線OLqL或ORqR，由于點(diǎn)q 同時(shí)在直線OLqL、ORqR上，故通過求解這兩條直線的交點(diǎn)便可得到q 點(diǎn)三維坐標(biāo)。

令，觀測點(diǎn)在世界坐標(biāo)系（X，Y，Z）中的坐標(biāo)為q(xw,yw,zw)，其在左、右相機(jī)采集的二維圖像上的對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為qL(xL,yL)，qR(xR,yR)，則存在以下關(guān)系：

式中，為投影矩陣的第i 行，第j 列元素。公式（1）消去sL和sR，得到如下關(guān)于空間坐標(biāo)q(xw,yw,zw)的4 個(gè)線性方程：

圖1：旋翼試驗(yàn)塔外觀圖

圖2：視頻圖像法基本原理示意圖

圖3：槳葉下表面編碼標(biāo)記點(diǎn)粘貼

圖4：試驗(yàn)中使用的光源

圖5：地面相機(jī)參數(shù)標(biāo)定

圖6：視頻圖像系統(tǒng)安裝示意圖

以上公式是一個(gè)超靜定方程，可用最小二乘法對其進(jìn)行求解。對圖像對中的各點(diǎn)重復(fù)上述過程便可重構(gòu)出槳葉下表面所有特征標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)，據(jù)此便可根據(jù)旋翼運(yùn)動參數(shù)解算公式計(jì)算得到旋翼槳葉在不同運(yùn)動狀態(tài)下的運(yùn)動參數(shù)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)件

視頻圖像方法測量旋翼運(yùn)動參數(shù)應(yīng)用研究試驗(yàn)選用某型直升機(jī)旋翼縮比模型，其具體參數(shù)如下所示：

旋翼半徑： R = 5m；

槳葉片數(shù)： k = 5 片；

基本弦長： b = 0.3m；

旋翼額定轉(zhuǎn)速： n = 422 r/min；

旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3.2 測試系統(tǒng)組成

結(jié)合旋翼試驗(yàn)塔實(shí)際工作環(huán)境及試驗(yàn)件特性確定視頻圖像方法測試系統(tǒng)的組成為：一組（左、右兩個(gè)）相機(jī)選用德國Basler 生產(chǎn)的工業(yè)相機(jī)（分辨率：500 萬像素、幀率：100fps、曝光率：30us、鏡頭選用德國施耐德12mm 定焦鏡頭）；7075 航空鋁制橫梁；相機(jī)參數(shù)標(biāo)定板選用1m×1m 高強(qiáng)度合金十字尺；補(bǔ)光光源選用無頻閃LED 燈（功率：2KW，光強(qiáng)：100000 流明）；相機(jī)觸發(fā)傳感器選用邦納光電傳感器；特征標(biāo)記點(diǎn)采用編碼環(huán)標(biāo)記點(diǎn)；相機(jī)觸發(fā)控制器、工作站（用于圖像存儲及坐標(biāo)解算）。

3.3 特征標(biāo)記點(diǎn)的制作及粘貼

沿槳葉下表面在槳葉剖面1/4 弦線位置布置多個(gè)圓形編碼點(diǎn)，用于進(jìn)行揮舞角、擺振角的計(jì)算；在槳葉槳尖0.7R 剖面一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，布置多個(gè)不共線的圓形編碼點(diǎn)，形成一個(gè)平面，用于扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算。

表1：測量旋翼運(yùn)動參數(shù)試驗(yàn)狀態(tài)

表2：揮舞角在不同狀態(tài)下多次測量結(jié)果

表3：扭轉(zhuǎn)角在不同狀態(tài)下多次測量結(jié)果

圖7：揮舞角隨總距的變化

圖8：擺振角隨總距的變化

圖9：揮舞角隨橫向周期變距的變化

圖10：擺振角隨周期變距的變化

標(biāo)記點(diǎn)背面涂敷對槳葉無損傷的高強(qiáng)度黏合劑，保證高氣流下與被測物體表面緊密結(jié)合，黏合劑分布均勻、無間隙，背膠應(yīng)在高低溫情況(-30℃～60℃)下保持良好粘附性；標(biāo)記點(diǎn)表面覆啞光膜，保證在強(qiáng)光下不反光。啞光膜與標(biāo)記點(diǎn)表面粘合采用特制強(qiáng)力膠，保證均勻、密封、平整，在高氣流下不被沖掉。如圖3所示為槳葉下表面標(biāo)記點(diǎn)粘貼圖。

3.4 測試設(shè)備安裝調(diào)試

3.4.1 光源安裝調(diào)試

試驗(yàn)選用大光源1 個(gè)，功率約為2KW，可滿足高速相機(jī)快門調(diào)至10 微秒以內(nèi)正常使用。光源放置于升降平臺上，升降平臺升至最近的安全距離。通過調(diào)試確保光源照射到槳葉下表面，使槳葉表面特征標(biāo)記點(diǎn)能清晰成像。如圖4所示。

3.4.2 相機(jī)的安裝調(diào)試

首先在地面進(jìn)行相機(jī)參數(shù)標(biāo)定，包括確定測量幅面、確定相機(jī)間距和測量距離、相機(jī)焦距及光圈等參數(shù)。如圖5所示為相機(jī)在地面進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定情形。

視頻圖像采集設(shè)備在完成地面參數(shù)標(biāo)定后，再進(jìn)行旋翼試驗(yàn)塔頂部工作平臺試驗(yàn)安裝，安裝示意圖如圖6所示。

4 試驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)狀態(tài)

為驗(yàn)證視頻圖像方法測量不同試驗(yàn)狀態(tài)下旋翼運(yùn)動參數(shù)的有效性，結(jié)合實(shí)際情況，最終確定旋翼動力學(xué)試驗(yàn)的試驗(yàn)狀態(tài)如表1所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在橫向周期變距為0°狀態(tài)下，得到揮舞角、擺振角隨總距變化趨勢分別如圖7、圖8所示。從圖中可看出，在固定的橫向周期變距狀態(tài)下，旋翼揮舞角、擺振角隨著總距增大而增大。

在總距為7°狀態(tài)下，得到揮舞角、擺振角隨隨橫向周期總距的變化趨勢分別如圖9、圖10所示。從圖中可看出，在固定總距狀態(tài)下，旋翼揮舞角隨橫向周期變距變大而減小，擺振角隨著橫向周期變距變大而增大。

揮舞角、扭轉(zhuǎn)角在不同總距和橫向周期變距狀態(tài)下的多次測量值如表2、表3所示。

從表2、表3可知，揮舞角、扭轉(zhuǎn)角在不同總距和橫向周期變距狀態(tài)下經(jīng)多次測量其精度均在在5%以內(nèi)，滿足工程試驗(yàn)應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

通過在直升機(jī)旋翼動力學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究表明，本文提出的使用視頻圖像方法測量旋翼運(yùn)動參數(shù)取得了較理想的測量效果，測量平均精度達(dá)到了5%滿足工程應(yīng)用的使用要求，但由于受模型旋翼槳葉狀態(tài)的影響，驗(yàn)證試驗(yàn)選取的總距及橫向周期變距較小，致使測得的擺振角變化不明顯，因此本次試驗(yàn)未對擺振角的變化情況進(jìn)行有效分析，下階段將借助于其他旋翼槳葉繼續(xù)加強(qiáng)這方面的應(yīng)用研究，使該視頻圖像方法能更好的在旋翼動力學(xué)試驗(yàn)中得到更廣泛的應(yīng)用。