飞机机翼动态变形及颤振三维散斑图像相关检测关键技术研究

The wing dynamic deformation and flutter characteristics are not only the important factors affecting the performance and safety of the aircraft, but also the important parameters of aeroelastic deformation analysis and airworthiness certification. 3D speckle digital image correlation technique and three-dimensional stereo vision coordinate measuring technique are applied in the project to do the whole scale measurement of wing dynamic deformation and flight flutter. On the basis of the analysis of the flight test requirements, the retroreflective material, special light sources and the defogging algorithm based on dichroism atmospheric scattering model are utilized to achieve high-speed clear imaging. The adaptive genetic algorithm is used for the two-dimensional digital speckle image matching and the interpolation for sub-pixel positioning; At the same time, by the constraints of epipolar restriction on outer polar angle, the corresponding stereo matched points in three-dimensional speckle grid units are taken for 3D coordinates’ optimized triangulation measurement. Besides, speckle grid cell’s coordinates and displacement vectors are received after deformation and flutter. In order to improve measurement accuracy and air dynamic adaptability test, the high-precision camera internal reference calibration methods of joint partition calibration and independent parameter calibration are put forward. Moreover, the means based on spatial encoding points and special devices for stereo cameras’ external orientation parameters calibration and self-calibration compensation are introduced. By the implementation of this project, more complete testing methods and data sources will be provided for the theory of our aircraft research, design, finalization, and flight testing.

机翼动态变形及颤振特性是影响飞机性能和安全的重要因素，也是气动弹性变形分析与适航认证的重要参数。本项目应用三维数字散斑相关技术及立体视觉三维坐标测量技术实现飞行测试状态下的机翼动态变形及颤振全场测量。在对飞行测试需求分析的基础上，应用回光反射材料、特殊光源及二色大气散射模型去雾算法等实现高速清晰成像；应用自适应遗传算法实现二维数字散斑图像相关匹配及插值亚像素定位；并利用外极线约束外极角三维散斑网格单元立体匹配后的点对应实现空间三维坐标优化三角测量，获取散斑网格单元变形及颤振后的三维坐标和位移矢量。为提高测量精度和空中动态测试的适应能力，提出了联合分区校准及独立内参数校准的高精度像机内参校准方法，以及基于空间编码点和特殊装置的立体像机外部方位参数现场校准及自校准补偿方法。项目的实施将为我国飞机理论研究、设计、定型以及飞行测试提供更加完善的测试手段及数据来源。

飞机机翼动态变形是飞机气动特性、结构设计、强度及疲劳分析等重点考虑的因素，同时也是气动弹性、载荷等飞行试验科目和颤振适航认证的重点测试内容之一。飞机机翼动态变形受诸多因素影响，并且造成机翼外载荷大小及分布变化，内部结构载荷分布失衡，最终影响飞机性能、安全及寿命。其中颤振是飞机机翼变形的极端表现形式，因此对颤振的有效测量是飞机制造及适航审定的重要环节之一。针对当前机翼变形测量中存在的实时性差、测量点少、测量精度不高等问题，本项目重点研究了采用三维散斑图像的机翼变形动态测量方法，主要研究内容为：.1.对机翼模型进行了基于流固耦合的颤振特性分析，得到了全机翼在耦合流场条件下的振动特性与规律，以及最大位移变形部位，为机翼变形测试区域选取提供了理论依据。.2.面向机翼变形的大尺寸空间测量，项目组研究了精密内参校准方法，首先采用虚拟立体校准技术在大范围空间内实现较高的校准精度，然后基于非参数校准模型对相机内参实现逐像素校准；.3.针对大空间视觉测量，项目组研究了基于光学参考棒的立体视觉动态校准方法，对双相机在空间的方位关系作了精确标定；.4.为将散斑测量技术应用于机翼变形测量，项目组研究了散斑图像理论模型，对散斑制作的最优尺寸、分布规律进行了仿真，并对测量光照条件、成像姿态、温度梯度对测量精度的影响进行了研究，得出了散斑优化及最佳识别方法；.5.针对散斑匹配速度慢、精度差的问题，提出了基于GSI编码的立体散斑匹配方法，并采用PCA算法对SIFT匹配算法进行优化，极大地提高了散斑匹配的效率，为散斑分布的测量及机翼颤振模型的建立提供了理论基础；.6.最后将三维散斑相关方法用于实际制得的机翼模型中，将机翼固定于六自由度移动平台，通过控制器驱动机翼模型进行平移与微角度转动，并同步触发CCD相机，在机翼发生运动的同时，同步采集散斑图像，对本项目算法的可行性与稳定性进行了验证。.综上，本项目基本完成了预期任务，实现了对机翼变形的动态测量，为飞机制造与适航验证中的机翼颤振变形分析提供了可行的方法。本项目已经发表论文19篇，其中SCI、EI检索8篇，授权专利1项，培养硕士研究生7名。