基于全景视觉的直升机旋翼全方位动态外形空间参数检测技术研究

Omni-directional dynamic space parameters of high-speed rotating helicopter blades are precise description of 3D vector distribution of the blades and directly related to the performance of aerodynamic and maneuvering characteristics. The state of art detection techniques based on optical and common vision always suffered from the shortages such as limited measuring range, fixed measuring position and poor extensibility. This project proposes a new method of parameter estimation based on omnidirectional vision techniques, using its advantages such as "imaging integrated, 360 degree field of view and rotation invariance", obtain high resolution image of the positions of all blades at a time. By studying calibration and high-quality imaging techniques of omnidirectional vision system and sub-pixel curve surface fitting, this project aims to solve the problems of inaccurate visual space mapping model, unbalanced distribution of image quality and low precision of dynamic shape parameters, and finalize omnidirectional and full-scale measurement of blades parameters. The success of the project would definitely improve the optimal design and analysis of helicopter blades by providing the intuitive data basis, and strongly promote the applications of omnidirectional vision systems in other related areas.

直升机旋翼高速旋转过程中的全方位动态外形空间参数是其三维空间矢量分布的精确描述，直接关系到旋翼气动和操纵特性的优劣，当前基于光学和常规视觉的检测技术普遍存在测量范围小、测量位置固定和扩展性差等缺点。本课题提出一种基于全景视觉技术实现旋翼全方位动态外形空间参数检测的新方法，利用全景视觉"成像一体化、360度大视场、旋转不变性"等优点，一次性获取整个旋转空间内所有旋翼同一时刻任意方位的全尺度旋转姿态高分辨率图像，通过研究全景系统标定技术、全尺度清晰成像技术以及基于亚像素空间平面的旋翼曲面拟合技术，解决检测应用过程中存在的视觉空间尺度映射模型不准确、成像质量分布不均衡、动态外形参数求解精度低等问题，真正实现旋翼动态外形空间参数的全方位、全尺度测量。本课题所研究关键技术的成功突破，必然能够为直升机旋翼的优化设计、性能分析提供直观数据依据，同时极大促进全景视觉技术在其它相关领域的应用。

直升机旋翼高速旋转过程中的全方位动态外形空间参数是其三维空间矢量分布的精确描述，直接关系到旋翼气动和操纵特性的优劣，当前基于光学和常规视觉的检测技术普遍存在测量范围小、测量位置固定和扩展性差等缺点。本课题提出一种基于全景视觉技术实现旋翼全方位动态外形空间参数检测的新方法，利用全景视觉"成像一体化、360度大视场、旋转不变性"等优点，一次性获取整个旋转空间内所有旋翼同一时刻任意方位的全尺度旋转姿态高分辨率图像，项目重点研究了全景视觉的标定技术、旋翼外形参数测量解算方法等关键技术。在研究全景视觉系统标定技术时，分别对全景视觉自身参数标定技术、全景视觉系统在桨毂上的空间安装参数标定技术和全景视觉空间尺度分辨率标定技术等进行了深入研究，其中，全景视觉系统在桨毂上的空间安装参数标定主要是求解视觉系统坐标和直升机桨毂系统坐标之间的平移矩阵和旋转矩阵，即反射镜坐标与旋翼零平面坐标系变换矩阵。全景视觉空间尺度分辨率标定的目的是实现空间物理距离到图像像素距离之间的映射关系，其标定精度直接影响到测量结果。在对单视点折反射全景视觉系统成像过程分析的基础上使用球面统一成像模型对单视点全景成像系统进行建模分析，推导了基于球投影的全景统一成像模型的成像过程。球面统一成像模型可准确表示所有单视点全景视觉系统的成像过程，较之光路成像模型，具有过程清晰，模型参数少，计算过程简单等优点。针对全景视觉成像的成像特点，重点分析了其构成参数对成像效果及空间测量精度影响关系，对空间定位的垂直距离、水平距离分辨率进行深入探讨，同时对基于全景视觉进行旋翼外形参数测量的不确定度进行了分析。为了验证研究算法的有效性，研制了旋翼外形参数测量试验装置。同时，本项目探索了基于双目全景视觉进行旋翼空间绝对位置参数检测涉及的立体标定及匹配问题，并分析了双目全景视觉参数检测精度的影响因素，项目研究成果为直升机旋翼全方位动态外形空间参数提供了新的技术手段和方法。