大场景高速旋转下直升机旋翼桨叶运动参数立体视觉测量方法研究

Measurement technology of the motion parameters of helicopter rotor blades is an important inspection item of research, production and maintenance of helicopters, which concerns safety, convenience and reliability of helicopters and accuracy of weapon systems. Some achievements have been gained in measurement methods of the stereo vision, however, the existing calibration methods and error revising methods can hardly be applied to large-scale scenes and measured objects of high speed. In this project, Z-8 and Z-11 are taken as testing objects and a test platform is established to verify and analyze the new principle and algorithm. Geometry analysis method is used to establish geometric model between three-dimensional field region and pixels of two-dimensional image and analyze the mechanism how large-scale scenes and objects of high speed affect measurement accuracy, which provides theoretical guidance for research of error correction methods. Array target method which consists of multiple planes and multiple one-dimensional objects is used to propose a calibration method which is suitable for large-scale scenes and high accuracy. Methods like mark coding, nonlinear optimization, mathematical statistics and surface reconstruction are used to propose measurement methods of the motion parameters of helicopter rotor blades with high accuracy and 3D visualization of blades deformation is realized.A practical and highly accurate measurement technology of the motion parameters of helicopter rotor blades is expected to be gained, which will not only enrich, expand and improve detection technology of helicopter, but also provide a core method for our country to develop measuring apparatus of the motion parameters of helicopter rotor blade with independent intellectual property rights.

旋翼桨叶运动参数测量技术关系到直升机的安全性、舒适性、可靠性和武器系统的准确性，是直升机研制、生产和维护的重要检查项目，在立体视觉测量方法上取得了一些成果，但仍存在标定方法和误差校正方法不适用于大场景环境和高速旋转测量对象的问题。本项目以直八、直十一为试验对象，构建试验平台，用于新原理、新算法的验证和分析；采用几何分析法，建立三维视场区域与二维图像中像素之间的几何模型，分析大场景环境、高速旋转对象影响测量精度的机理，为误差校正方法研究提供理论指导；采用多个平面和多个一维靶标组成阵列靶标的方法，提出适合大场景环境的高精度标定方法；采用标记点编码、非线性优化、数理统计、曲面重建等方法，提出高精度的桨叶运动参数测量方法，并实现桨叶形变的三维可视化。预期成果将给出高精度的桨叶运动参数立体视觉测量方法，丰富、扩充和发展直升机检测技术，为我国开发具有自主知识产权的旋翼桨叶运动参数测量仪器提供核心方法。

本项目以高速旋转的直升机旋翼为研究对象，围绕大视场立体视觉技术，开展了旋翼桨叶运动参数测量方法研究。具体研究工作和成果如下：.针对在大视场环境下传统立体视觉方法很难保障测量精度的问题，系统分析了高速旋转和大视场影响测量精度的机理，提出了基于立体视觉的旋翼共锥度动态测量系统精度分析，为后续研究提供了理论基础。.针对传统标定方法在大视场环境下存在精度不高、大靶标不方便携带、平面性难于保障的问题，提出了基于虚拟平面靶标的大视场摄像机标定方法，具有较高精度，且携带方便，但不稳定。据此，提出了基于散焦图像的大视场立体视觉系统标定方法，较好地解决了上述问题，能满足桨叶运动参数测量。.采用投影光栅方法，研究并提出了基于二进制彩色编码边缘散焦投影的高速高精度三维测量、基于彩色相位编码的快速三维形状测量等系列方法，但是，旋翼在高速旋转状态下，很难清楚拍摄桨叶上的投影光栅。因此，开展了基于标记点的桨叶三维信息测量方法研究，提出了直升机桨叶共锥度测量中圆形标记点高精度定位、基于四目立体视觉的直升机旋翼桨叶动态轨迹测量等系列桨叶三维信息测量方法。进而，提出了基于立体视觉的直升机旋翼桨叶挥舞、摆振、扭转和共锥度等运动参数测量系列方法。. 为了验证项目所提方法的有效性，在景德镇中国直升机设计研究所开展了三次试验，取得了满意的试验结果，验证了所提方法的有效性。.在理论研究成果的基础上，开发了基于立体视觉的直升机旋翼桨叶运动参数测量和基于计算机视觉的桨叶桨尖偏差实时测量等两个系统，已应用于中国直升机设计研究所和中国空气动力研究与发展中心，为我国新型直升机旋翼设计提供了具有自主知识产权的核心技术。.通过本项目研究，发表学术论文16篇，其中SCI检索7篇，EI检索2篇；申报国家发明专利9件，其中授权4件；获计算机软件著作权登记1项；培养硕士研究生18名，其中已毕业11名，达到了预期研究结果。