車兵輝，尹欣繁，彭先敏，章貴川

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

共軸雙旋翼直升機具有兩個槳轂，在設計上通過減小上下槳轂之間的距離，以減小槳轂阻力。但另一方面，共軸剛性旋翼在飛行狀態(tài)時需要承受很大的升力偏置載荷，共軸反轉(zhuǎn)的上下旋翼槳葉會發(fā)生顯著的彈性形變，過小的安裝間距可能會導致上下旋翼槳尖發(fā)生碰撞，影響直升機的飛行安全[1]。尤其是共軸雙旋翼直升機風洞實驗中，在前飛狀態(tài)時需要對旋翼配平，而實驗時的一些配平狀態(tài)是不可預測或預知的，這就增加了上下旋翼槳尖碰撞的風險。因此，在風洞實驗時，必須對共軸雙旋翼的槳尖間距進行實時測量和監(jiān)測。當槳尖距離小于預警值時，應立即對旋翼實驗系統(tǒng)緊急停車，防止旋翼實驗臺設備的損傷或者威脅人員安全。

由于直升機旋翼槳葉的槳尖位移測量是在旋翼高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)下進行的，許多靜態(tài)的測量方法難以適應高速下的實時測量。我國共軸剛性雙旋翼直升機的相關實驗研究起步較晚，共軸剛性雙旋翼直升機研究主要集中在氣動特性[2]、配平操縱[3-4]、載荷[5]等方面，對槳尖偏移或槳葉變形測量相關實驗研究較少。但近年來，對單旋翼槳尖位移測量方法的研究成果較多，文獻[6]～文獻[10]中均通過在槳尖下表面或上表面粘貼標記點，采用了機器視覺的立體測量方法,這種方法測量精度較高,但系統(tǒng)復雜、實時性差。運用高速攝影系統(tǒng)對單旋翼直升機槳尖運動軌跡進行測量，取得了較好效果[11]。由于雙旋翼旋轉(zhuǎn)時上下旋翼槳葉會彼此遮擋，現(xiàn)有方法并不能直接應用于運動過程中上下旋翼槳尖位移的測量。

共軸雙旋翼實驗具有高風險性，且槳尖測量不能影響實驗開展。因此，結(jié)合單旋翼槳尖位移測量的立體視覺測量方法，提出了一種單相機視覺測量的非接觸式雙旋翼槳尖距離實時監(jiān)測方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足實時性和精度要求，對保障共軸雙旋翼實驗的安全具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)設計要求

實驗采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺，實驗條件及工況如表1所示。

表1 實驗條件及工況

結(jié)合實驗條件和工況，以及安全監(jiān)測目的，提出以下設計要求。

① 圖像實時采集和顯示。由于實驗狀態(tài)復雜，具有一定的危險性，需要對旋翼槳尖位移進行實時監(jiān)測，所以必須對獲取的每一幀槳尖原始圖像和經(jīng)過圖像處理辨識出的待測目標點圖像實時顯示，有利于觀測獲取的圖像質(zhì)量，保證待測目標點在視場范圍內(nèi)以及圖像處理算法的有效性和可靠性。

② 上下旋翼間距實時顯示。由于實驗具有高風速和高轉(zhuǎn)速特點，操縱參數(shù)多且具有一定的探索性，在復雜的實驗狀態(tài)下，槳尖位移變化范圍不可預知，必須對獲得的每一幀圖像進行實時處理，計算出上下旋翼槳尖距離并顯示出來，時刻關注槳尖間距變化情況。

③ 適應不同實驗條件及工況。由于實驗條件復雜，且具有不同風速和轉(zhuǎn)速、配平參數(shù)的組合，系統(tǒng)必須在不斷變化的實驗條件下，獲取高質(zhì)量的圖像，并能準確分辨出目標點，計算出槳尖距離，這就要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整圖像采集參數(shù)和圖像處理參數(shù)，以保證不同實驗條件下得到準確結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分。硬件系統(tǒng)主要包括獲取圖像的高速相機、增強反光標記點亮度的LED燈、確定每片槳葉位置并觸發(fā)相機采集的傳感器以及控制相機并對圖像進行處理的計算機；軟件功能主要包括相機控制、槳尖圖像的實時處理、圖像和曲線顯示、參數(shù)設置等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.3 系統(tǒng)工作原理

基于視覺測量的槳尖距離監(jiān)測系統(tǒng)是在槳葉槳盤某一方位槳尖正方向安裝一臺高速相機，在旋翼旋轉(zhuǎn)過程中，當槳葉通過此位置時，安裝于槳轂上的轉(zhuǎn)速傳感器會產(chǎn)生一個脈沖，觸發(fā)相機采集圖像，然后通過數(shù)字圖像處理算法對獲取的圖像進行處理，獲取每張槳尖圖像中的槳尖中心的坐標，通過坐標到位置的轉(zhuǎn)換計算槳尖中心點的位置。上下槳葉槳尖位置的差值即為槳尖距離，并將原始圖像和槳尖距離實時顯示在界面上，便于工作人員監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)是獲取滿足要求的圖像的關鍵，由于所測對象是高速旋轉(zhuǎn)的，因此對硬件系統(tǒng)有特殊要求，需要根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術要求對硬件系統(tǒng)進行設計和選型。硬件系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機、鏡頭、光源、槳葉位置傳感器等。

2.1 相機選型

相機負責采集槳尖圖像，由于直升機旋翼實驗轉(zhuǎn)速較高，每一轉(zhuǎn)都要多次采集圖像，相機必須具有較高的幀率以滿足高轉(zhuǎn)速下槳尖圖像的采集。4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺最大轉(zhuǎn)速為900 r/min，有4片槳葉，每轉(zhuǎn)需要采集4次，則每秒鐘產(chǎn)生60幀圖像，因此相機在外觸發(fā)工作模式下要達到60幀以上的幀率。相機的分辨率決定了測量的精度，因此需要選擇較高分辨率的相機以滿足測量精度。由于旋翼的高轉(zhuǎn)速，槳尖的線速度非?？欤科瑯~經(jīng)過視場的時間非常短，這就要求相機具有很短的曝光時間，否則獲得的圖像就會模糊，為后續(xù)的圖像處理帶來困難，相機的曝光時間通常與幀率有關。綜上所述，綜合考慮幀率、分辨率、曝光時間、數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)，所選擇相機的主要參數(shù)如表2所示。

表2 相機參數(shù)

2.2 鏡頭選型

攝像系統(tǒng)中鏡頭決定了系統(tǒng)的視場大小，既要保證目標在視場范圍內(nèi)，又要保證目標位移具有足夠的分辨率，因此鏡頭的選取綜合考慮視場大小和目標位移的大小。在實際應用中，待測目標應遠離視場邊緣，避免圖像產(chǎn)生畸變，因此在計算視場大小時應留一些余量。所需鏡頭的焦距可按式(1)計算。

f=LHc/Hv

(1)

式中：f為鏡頭焦距；L為相機到拍攝目標的距離；Hc為相機光學成像靶面的高度；Hv為拍攝視場的高度。在實驗時L為2 m，根據(jù)相機參數(shù)可知Hc為20.48 mm,Hv為800 mm，代入式(1)可計算出焦距約為50 mm。因此，選擇焦距為50 mm的鏡頭。

2.3 同步與觸發(fā)

為了保證每片槳葉進入拍攝視場時采集圖像，同時確保每片槳葉在同一位置采集圖像，相機采集圖像需要通過槳葉位置信號觸發(fā)和同步相機采集。觸發(fā)信號用于控制相機開始采集圖像，當相機啟動后，如果處于外觸發(fā)模式，則相機等待觸發(fā)信號，當觸發(fā)信號到達時，相機才進入采集圖像的狀態(tài)，此時相機并不采集圖像，而是等待同步信號的到來；同步信號用于控制相機的快門，每一個同步信號到達，相機就采集一幅圖像，此時的幀頻由同步信號的頻率決定。觸發(fā)與同步時序如圖2所示。選取一個槳葉作為基準槳葉，在該槳葉對準相機的位置處安裝光電傳感器，并將該信號作為開始采集的觸發(fā)信號，則采集到的第1幅圖像就是基準槳葉。同時另外一個光電傳感器檢測每一片槳葉對準相機的位置，將該信號作為同步信號。這樣采集到的圖像序列按照1號槳葉、2號槳葉、3號槳葉、4號槳葉的順序往復排列，這樣就可以分辨出每一片槳葉。

圖2 觸發(fā)與同步時序

采用這種觸發(fā)和同步方式，保證每片槳葉在同一位置采集，且不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，槳葉位置是不會變的，因此這種采集方式與轉(zhuǎn)速不相關，可以適應任何轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

2.4 光源選擇

由于系統(tǒng)必須滿足旋翼高速旋轉(zhuǎn)工況下的圖像獲取，要獲取清晰的圖像，相機曝光時間就必須非常短，否則圖像會出現(xiàn)拖影；另一方面當曝光時間非常短時，進入相機內(nèi)部感光元件的光就會很小，從而使粘貼在槳尖的反光貼圖像亮度不夠，不適于圖像的處理，兩者是一個矛盾體。要獲得清晰、槳尖明亮的圖像，就必須增強光照和反光貼的反光量。因此選用無頻閃的大功率LED燈作為補充光源。

2.5 監(jiān)測位置選取

在實驗過程中，上下旋翼在相互重合的位置可能發(fā)生槳尖碰撞。上下旋翼最近的位置為270°方位角處[1]，如圖3所示。因此相機的拍攝位置對準旋翼270°方位角處。監(jiān)測此處的槳尖距離，避免上下旋翼槳尖碰撞。

圖3 旋翼距離變化趨勢(修改圖)

3 系統(tǒng)軟件設計

共軸雙旋翼槳尖位移實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于Matlab軟件平臺開發(fā)，采用相機廠商提供的API實現(xiàn)相機的控制，并利用Matlab強大的圖像處理能力實現(xiàn)圖像的實時處理。軟件主要包括相機控制與標定、圖像采集與顯示、參數(shù)配置、圖像處理、槳尖距離計算與顯示等功能，軟件運行流程如圖4所示。

圖4 軟件運行流程

其中，相機標定和槳尖距離計算是軟件的核心功能，也是軟件設計的重點。

3.1 相機標定

攝影測量獲得的目標點坐標為成像平面坐標系下的像素坐標，要獲得被測物體的物理位置，就必須通過標定獲得像素坐標系與物理坐標系的轉(zhuǎn)換關系[12-13]。

標定采用棋盤格測量標定方法，棋盤格如圖5所示，將棋盤格標定板放置在槳尖正對相機的位置，獲取棋盤格標定板圖像，通過濾波去噪、角點檢測等圖像處理方法[14]，獲得所有棋盤格邊長的平均像素距離。每個棋盤格的實際邊長是已知的，從而就可以獲得每個像素表示的物理長度K，在測量時獲得像素長度乘以K，就可以獲得被測目標的物理長度。

圖5 棋盤格

(2)

3.2 槳尖距離計算

槳尖距離的計算是根據(jù)上下旋翼的位置差量計算的，因此需要獲得上下旋翼各自的位置。在系統(tǒng)工作時，通過外觸發(fā)的方式獲得旋翼旋轉(zhuǎn)工況下的槳尖圖像，如圖6所示。圖6中白色區(qū)域為槳尖截面，可見通過補光、調(diào)整曝光時間等措施獲得的圖像清晰，槳尖區(qū)域明亮，這為后續(xù)的圖像處理提供了有利條件。

圖6 槳尖原始圖像

首先對原始圖像采用灰度閾值分割，將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖，如圖7所示，這樣就可以將槳尖區(qū)域與背景分割[15-16]，然后通過邊緣檢測算法獲得槳尖截面的輪廓，從而可以獲得槳尖截面的封閉圖形。為了使計算簡便且提高計算速度，取槳尖截面的重心坐標作為槳尖的位置，如圖8所示。

圖7 二值圖像

圖8 槳尖位置檢測

結(jié)合標定獲得的坐標轉(zhuǎn)換系數(shù)K和上下旋翼槳尖的像素坐標，可計算出上下旋翼之間的距離。計算上下旋翼槳尖之間的距離只關心垂向的距離，因此,設yup、ydown分別為上、下旋翼旋轉(zhuǎn)時槳尖的垂向像素坐標，y0up、y0down分別為上、下旋翼靜止時的垂向像素坐標。則上下旋翼的位移分別為

Dup=K(yup-y0up)

(3)

Ddown=K(ydown-y0down)

(4)

則上下旋翼槳尖距離為

ΔD=K(yup-ydown)

(5)

4 實驗結(jié)果分析

本次實驗采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實驗臺，實驗條件如表1所示。實驗內(nèi)容包括雙旋翼懸停和雙旋翼前飛兩種狀態(tài)。

4.1 槳尖位移測量重復性實驗

在懸停狀態(tài)下對系統(tǒng)的測量準確度和重復性進行實驗，實驗在轉(zhuǎn)速896 r/min、總距角0°狀態(tài)下進行。選取同一片槳葉在不同時刻的若干測量值對準度和重復性進行驗證。選取上下槳尖距離的27次測量值考核準度，如圖9所示，藍色為槳尖距離實測值；綠色為槳尖設計理論值；紅色為槳尖距離實測平均值。槳尖設計理論值為300 mm，實測平均值為299.3 mm，實測平均值與理論值相差0.7 mm，實測值的誤差帶為2.95 mm，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高準確度，能夠滿足實驗需求。

圖9 槳尖距離準確度

選取同一片槳葉槳尖位移的27次測量值考核重復性，如圖10所示，藍色為下旋翼槳尖位移實測值，綠色為上旋翼槳尖位移實測值。下旋翼槳尖位移誤差帶為1.03 mm，上旋翼槳尖位移誤差帶為2.97 mm，實測值中的波動是由于旋翼在高速旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)槳葉振動引起的，在實際應用中取多次測量的平均值，可減小測量誤差。

圖10 槳尖位移重復性

4.2 雙旋翼懸停狀態(tài)槳尖位移測量

雙旋翼懸停狀態(tài)槳尖位移測量，轉(zhuǎn)速為896 r/min，通過操縱系統(tǒng)改變槳葉的總距角，獲得了雙旋翼槳尖位置隨總距角的變化數(shù)據(jù)，由于4片槳葉在同一方位角的槳尖位移基本相同，圖11和圖12為槳葉的槳尖位移和間距的平均值。結(jié)果表明，上下旋翼槳尖位移隨總距角的增大而增大，且上旋翼位移變化比下旋翼位移變化大，這是由于槳葉產(chǎn)生的升力隨總距角增大而增大，槳尖位移也隨之增大;同時,由于上下旋翼之間相互影響，上旋翼升力變化要大于下旋翼的升力變化，槳尖距離也隨著總距角的增大而增大。當總距角大于8°以后，上下旋翼槳尖位置變化趨于同步，槳尖距離也基本保持不變，這也符合共軸雙旋翼的氣動規(guī)律[3]。

圖11 相對靜止狀態(tài)槳尖位移

圖12 上下旋翼槳尖距離

4.3 雙旋翼前飛狀態(tài)槳尖位移測量

雙旋翼前飛狀態(tài)時，影響槳尖距離的因素有升力偏置、前進比、交叉角、提前操縱角、旋翼氣動干擾等，其中升力偏置是最重要和最顯著的影響因素[3]。實驗風速為28 m/s，旋翼轉(zhuǎn)速447 r/min，前進比為0.3。圖13給出了不同升力偏置和傾角狀態(tài)的槳尖距離結(jié)果。

圖13 不同升力偏置狀態(tài)的槳尖距離

圖13數(shù)據(jù)表明，上下旋翼槳尖距離隨著升力偏置的增大而呈線性減小，在相同升力偏置條件下，隨著傾角的增大而呈線性增大，數(shù)據(jù)符合共軸雙旋翼空氣動力學理論。

5 結(jié)束語

共軸雙旋翼實驗時，由于實驗狀態(tài)的不可預知性，上下旋翼槳葉有可能發(fā)生碰撞，造成實驗模型和設備損壞，因此在實驗時必須對上下旋翼槳尖距離實時測量與監(jiān)測。筆者主要采用圖像處理相關方法，提出了一種基于單目視覺的共軸雙旋翼槳尖位移測量方法。根據(jù)實驗條件和工況對硬件系統(tǒng)進行了詳細設計，采用外部觸發(fā)的圖像采集方式，獲取了清晰的槳尖圖像?；?Matlab軟件平臺開發(fā)了軟件系統(tǒng)，采用測量標定、圖像處理與識別等技術，完成了槳尖位移的測量。在4 m共軸旋翼實驗中得到應用，獲取了懸停及前飛狀態(tài)的槳尖距離數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)符合共軸雙旋翼空氣動力學理論。結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實驗要求，并保證了實驗的安全完成。