車(chē)兵輝,尹欣繁,彭先敏,章貴川
(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽(yáng) 621000)
共軸雙旋翼直升機(jī)具有兩個(gè)槳轂,在設(shè)計(jì)上通過(guò)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(shí)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(huì)發(fā)生顯著的彈性形變,過(guò)小的安裝間距可能會(huì)導(dǎo)致上下旋翼槳尖發(fā)生碰撞,影響直升機(jī)的飛行安全[1]。尤其是共軸雙旋翼直升機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中,在前飛狀態(tài)時(shí)需要對(duì)旋翼配平,而實(shí)驗(yàn)時(shí)的一些配平狀態(tài)是不可預(yù)測(cè)或預(yù)知的,這就增加了上下旋翼槳尖碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí),必須對(duì)共軸雙旋翼的槳尖間距進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)。當(dāng)槳尖距離小于預(yù)警值時(shí),應(yīng)立即對(duì)旋翼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)緊急停車(chē),防止旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的損傷或者威脅人員安全。
由于直升機(jī)旋翼槳葉的槳尖位移測(cè)量是在旋翼高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的,許多靜態(tài)的測(cè)量方法難以適應(yīng)高速下的實(shí)時(shí)測(cè)量。我國(guó)共軸剛性雙旋翼直升機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究起步較晚,共軸剛性雙旋翼直升機(jī)研究主要集中在氣動(dòng)特性[2]、配平操縱[3-4]、載荷[5]等方面,對(duì)槳尖偏移或槳葉變形測(cè)量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究較少。但近年來(lái),對(duì)單旋翼槳尖位移測(cè)量方法的研究成果較多,文獻(xiàn)[6]~文獻(xiàn)[10]中均通過(guò)在槳尖下表面或上表面粘貼標(biāo)記點(diǎn),采用了機(jī)器視覺(jué)的立體測(cè)量方法,這種方法測(cè)量精度較高,但系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差。運(yùn)用高速攝影系統(tǒng)對(duì)單旋翼直升機(jī)槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量,取得了較好效果[11]。由于雙旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)上下旋翼槳葉會(huì)彼此遮擋,現(xiàn)有方法并不能直接應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上下旋翼槳尖位移的測(cè)量。
共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)具有高風(fēng)險(xiǎn)性,且槳尖測(cè)量不能影響實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。因此,結(jié)合單旋翼槳尖位移測(cè)量的立體視覺(jué)測(cè)量方法,提出了一種單相機(jī)視覺(jué)測(cè)量的非接觸式雙旋翼槳尖距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠滿足實(shí)時(shí)性和精度要求,對(duì)保障共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)的安全具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái),實(shí)驗(yàn)條件及工況如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)條件及工況
結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件和工況,以及安全監(jiān)測(cè)目的,提出以下設(shè)計(jì)要求。
① 圖像實(shí)時(shí)采集和顯示。由于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)復(fù)雜,具有一定的危險(xiǎn)性,需要對(duì)旋翼槳尖位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),所以必須對(duì)獲取的每一幀槳尖原始圖像和經(jīng)過(guò)圖像處理辨識(shí)出的待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)圖像實(shí)時(shí)顯示,有利于觀測(cè)獲取的圖像質(zhì)量,保證待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)在視場(chǎng)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(shí)時(shí)顯示。由于實(shí)驗(yàn)具有高風(fēng)速和高轉(zhuǎn)速特點(diǎn),操縱參數(shù)多且具有一定的探索性,在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下,槳尖位移變化范圍不可預(yù)知,必須對(duì)獲得的每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,計(jì)算出上下旋翼槳尖距離并顯示出來(lái),時(shí)刻關(guān)注槳尖間距變化情況。
③ 適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件及工況。由于實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜,且具有不同風(fēng)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(shí)驗(yàn)條件下,獲取高質(zhì)量的圖像,并能準(zhǔn)確分辨出目標(biāo)點(diǎn),計(jì)算出槳尖距離,這就要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整圖像采集參數(shù)和圖像處理參數(shù),以保證不同實(shí)驗(yàn)條件下得到準(zhǔn)確結(jié)果。
系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)主要包括獲取圖像的高速相機(jī)、增強(qiáng)反光標(biāo)記點(diǎn)亮度的LED燈、確定每片槳葉位置并觸發(fā)相機(jī)采集的傳感器以及控制相機(jī)并對(duì)圖像進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī);軟件功能主要包括相機(jī)控制、槳尖圖像的實(shí)時(shí)處理、圖像和曲線顯示、參數(shù)設(shè)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
基于視覺(jué)測(cè)量的槳尖距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在槳葉槳盤(pán)某一方位槳尖正方向安裝一臺(tái)高速相機(jī),在旋翼旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,當(dāng)槳葉通過(guò)此位置時(shí),安裝于槳轂上的轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖,觸發(fā)相機(jī)采集圖像,然后通過(guò)數(shù)字圖像處理算法對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理,獲取每張槳尖圖像中的槳尖中心的坐標(biāo),通過(guò)坐標(biāo)到位置的轉(zhuǎn)換計(jì)算槳尖中心點(diǎn)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(shí)時(shí)顯示在界面上,便于工作人員監(jiān)測(cè)。
硬件系統(tǒng)是獲取滿足要求的圖像的關(guān)鍵,由于所測(cè)對(duì)象是高速旋轉(zhuǎn)的,因此對(duì)硬件系統(tǒng)有特殊要求,需要根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。硬件系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、槳葉位置傳感器等。
相機(jī)負(fù)責(zé)采集槳尖圖像,由于直升機(jī)旋翼實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速較高,每一轉(zhuǎn)都要多次采集圖像,相機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jī)在外觸發(fā)工作模式下要達(dá)到60幀以上的幀率。相機(jī)的分辨率決定了測(cè)量的精度,因此需要選擇較高分辨率的相機(jī)以滿足測(cè)量精度。由于旋翼的高轉(zhuǎn)速,槳尖的線速度非???,每片槳葉經(jīng)過(guò)視場(chǎng)的時(shí)間非常短,這就要求相機(jī)具有很短的曝光時(shí)間,否則獲得的圖像就會(huì)模糊,為后續(xù)的圖像處理帶來(lái)困難,相機(jī)的曝光時(shí)間通常與幀率有關(guān)。綜上所述,綜合考慮幀率、分辨率、曝光時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù),所選擇相機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。
表2 相機(jī)參數(shù)
攝像系統(tǒng)中鏡頭決定了系統(tǒng)的視場(chǎng)大小,既要保證目標(biāo)在視場(chǎng)范圍內(nèi),又要保證目標(biāo)位移具有足夠的分辨率,因此鏡頭的選取綜合考慮視場(chǎng)大小和目標(biāo)位移的大小。在實(shí)際應(yīng)用中,待測(cè)目標(biāo)應(yīng)遠(yuǎn)離視場(chǎng)邊緣,避免圖像產(chǎn)生畸變,因此在計(jì)算視場(chǎng)大小時(shí)應(yīng)留一些余量。所需鏡頭的焦距可按式(1)計(jì)算。
f=LHc/Hv
(1)
式中:f為鏡頭焦距;L為相機(jī)到拍攝目標(biāo)的距離;Hc為相機(jī)光學(xué)成像靶面的高度;Hv為拍攝視場(chǎng)的高度。在實(shí)驗(yàn)時(shí)L為2 m,根據(jù)相機(jī)參數(shù)可知Hc為20.48 mm,Hv為800 mm,代入式(1)可計(jì)算出焦距約為50 mm。因此,選擇焦距為50 mm的鏡頭。
為了保證每片槳葉進(jìn)入拍攝視場(chǎng)時(shí)采集圖像,同時(shí)確保每片槳葉在同一位置采集圖像,相機(jī)采集圖像需要通過(guò)槳葉位置信號(hào)觸發(fā)和同步相機(jī)采集。觸發(fā)信號(hào)用于控制相機(jī)開(kāi)始采集圖像,當(dāng)相機(jī)啟動(dòng)后,如果處于外觸發(fā)模式,則相機(jī)等待觸發(fā)信號(hào),當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí),相機(jī)才進(jìn)入采集圖像的狀態(tài),此時(shí)相機(jī)并不采集圖像,而是等待同步信號(hào)的到來(lái);同步信號(hào)用于控制相機(jī)的快門(mén),每一個(gè)同步信號(hào)到達(dá),相機(jī)就采集一幅圖像,此時(shí)的幀頻由同步信號(hào)的頻率決定。觸發(fā)與同步時(shí)序如圖2所示。選取一個(gè)槳葉作為基準(zhǔn)槳葉,在該槳葉對(duì)準(zhǔn)相機(jī)的位置處安裝光電傳感器,并將該信號(hào)作為開(kāi)始采集的觸發(fā)信號(hào),則采集到的第1幅圖像就是基準(zhǔn)槳葉。同時(shí)另外一個(gè)光電傳感器檢測(cè)每一片槳葉對(duì)準(zhǔn)相機(jī)的位置,將該信號(hào)作為同步信號(hào)。這樣采集到的圖像序列按照1號(hào)槳葉、2號(hào)槳葉、3號(hào)槳葉、4號(hào)槳葉的順序往復(fù)排列,這樣就可以分辨出每一片槳葉。
圖2 觸發(fā)與同步時(shí)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(huì)變的,因此這種采集方式與轉(zhuǎn)速不相關(guān),可以適應(yīng)任何轉(zhuǎn)速狀態(tài)。
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(jī)曝光時(shí)間就必須非常短,否則圖像會(huì)出現(xiàn)拖影;另一方面當(dāng)曝光時(shí)間非常短時(shí),進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部感光元件的光就會(huì)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(gè)矛盾體。要獲得清晰、槳尖明亮的圖像,就必須增強(qiáng)光照和反光貼的反光量。因此選用無(wú)頻閃的大功率LED燈作為補(bǔ)充光源。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jī)的拍攝位置對(duì)準(zhǔn)旋翼270°方位角處。監(jiān)測(cè)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(shì)(修改圖)
共軸雙旋翼槳尖位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件基于Matlab軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā),采用相機(jī)廠商提供的API實(shí)現(xiàn)相機(jī)的控制,并利用Matlab強(qiáng)大的圖像處理能力實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)處理。軟件主要包括相機(jī)控制與標(biāo)定、圖像采集與顯示、參數(shù)配置、圖像處理、槳尖距離計(jì)算與顯示等功能,軟件運(yùn)行流程如圖4所示。
圖4 軟件運(yùn)行流程
其中,相機(jī)標(biāo)定和槳尖距離計(jì)算是軟件的核心功能,也是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
攝影測(cè)量獲得的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為成像平面坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo),要獲得被測(cè)物體的物理位置,就必須通過(guò)標(biāo)定獲得像素坐標(biāo)系與物理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系[12-13]。
標(biāo)定采用棋盤(pán)格測(cè)量標(biāo)定方法,棋盤(pán)格如圖5所示,將棋盤(pán)格標(biāo)定板放置在槳尖正對(duì)相機(jī)的位置,獲取棋盤(pán)格標(biāo)定板圖像,通過(guò)濾波去噪、角點(diǎn)檢測(cè)等圖像處理方法[14],獲得所有棋盤(pán)格邊長(zhǎng)的平均像素距離。每個(gè)棋盤(pán)格的實(shí)際邊長(zhǎng)是已知的,從而就可以獲得每個(gè)像素表示的物理長(zhǎng)度K,在測(cè)量時(shí)獲得像素長(zhǎng)度乘以K,就可以獲得被測(cè)目標(biāo)的物理長(zhǎng)度。
圖5 棋盤(pán)格
(2)
槳尖距離的計(jì)算是根據(jù)上下旋翼的位置差量計(jì)算的,因此需要獲得上下旋翼各自的位置。在系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)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?yàn)闃饨孛妫梢?jiàn)通過(guò)補(bǔ)光、調(diào)整曝光時(shí)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(duì)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(guò)邊緣檢測(cè)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(jì)算簡(jiǎn)便且提高計(jì)算速度,取槳尖截面的重心坐標(biāo)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(cè)
結(jié)合標(biāo)定獲得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)K和上下旋翼槳尖的像素坐標(biāo),可計(jì)算出上下旋翼之間的距離。計(jì)算上下旋翼槳尖之間的距離只關(guān)心垂向的距離,因此,設(shè)yup、ydown分別為上、下旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)槳尖的垂向像素坐標(biāo),y0up、y0down分別為上、下旋翼靜止時(shí)的垂向像素坐標(biāo)。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)
本次實(shí)驗(yàn)采用4 m直徑的共軸剛性雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái),實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括雙旋翼懸停和雙旋翼前飛兩種狀態(tài)。
在懸停狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)速896 r/min、總距角0°狀態(tài)下進(jìn)行。選取同一片槳葉在不同時(shí)刻的若干測(cè)量值對(duì)準(zhǔn)度和重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證。選取上下槳尖距離的27次測(cè)量值考核準(zhǔn)度,如圖9所示,藍(lán)色為槳尖距離實(shí)測(cè)值;綠色為槳尖設(shè)計(jì)理論值;紅色為槳尖距離實(shí)測(cè)平均值。槳尖設(shè)計(jì)理論值為300 mm,實(shí)測(cè)平均值為299.3 mm,實(shí)測(cè)平均值與理論值相差0.7 mm,實(shí)測(cè)值的誤差帶為2.95 mm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)具有較高準(zhǔn)確度,能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。
圖9 槳尖距離準(zhǔn)確度
選取同一片槳葉槳尖位移的27次測(cè)量值考核重復(fù)性,如圖10所示,藍(lán)色為下旋翼槳尖位移實(shí)測(cè)值,綠色為上旋翼槳尖位移實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值中的波動(dòng)是由于旋翼在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)槳葉振動(dòng)引起的,在實(shí)際應(yīng)用中取多次測(cè)量的平均值,可減小測(cè)量誤差。
圖10 槳尖位移重復(fù)性
雙旋翼懸停狀態(tài)槳尖位移測(cè)量,轉(zhuǎn)速為896 r/min,通過(guò)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(shí),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(dāng)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(dòng)規(guī)律[3]。
圖11 相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)槳尖位移
圖12 上下旋翼槳尖距離
雙旋翼前飛狀態(tài)時(shí),影響槳尖距離的因素有升力偏置、前進(jìn)比、交叉角、提前操縱角、旋翼氣動(dòng)干擾等,其中升力偏置是最重要和最顯著的影響因素[3]。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為28 m/s,旋翼轉(zhuǎn)速447 r/min,前進(jìn)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(dòng)力學(xué)理論。
共軸雙旋翼實(shí)驗(yàn)時(shí),由于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的不可預(yù)知性,上下旋翼槳葉有可能發(fā)生碰撞,造成實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃驮O(shè)備損壞,因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)必須對(duì)上下旋翼槳尖距離實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)測(cè)。筆者主要采用圖像處理相關(guān)方法,提出了一種基于單目視覺(jué)的共軸雙旋翼槳尖位移測(cè)量方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和工況對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),采用外部觸發(fā)的圖像采集方式,獲取了清晰的槳尖圖像。基于 Matlab軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了軟件系統(tǒng),采用測(cè)量標(biāo)定、圖像處理與識(shí)別等技術(shù),完成了槳尖位移的測(cè)量。在4 m共軸旋翼實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)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(dòng)力學(xué)理論。結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實(shí)驗(yàn)要求,并保證了實(shí)驗(yàn)的安全完成。