飞机结构件运动特性的动态视觉测量系统
摘要：为了准确获得飞机在飞行状态下的运动数据，本文基于近景摄影测量理论、立体视觉技术，提出并实现了一种针对机身结构件轨迹、姿态、位移、变形等多种运动特性的动态视觉测量方法。主要研究以下关键技术：基于工业近景摄影测量的多相机快速自标定方法；飞行状态下相机动态定位及消除抖动技术；刚性结构件的运动轨迹及姿态的快速求取；通过多相机(>=3)协作实现非编码标志点阵列的精确匹配。在模拟飞行环境下的实验结果表明，该系统的运动轨迹姿态测量精度可达0.01mm/0.25m，关键点位移变形测量精度可达0.01mm/0.25m。基本满足飞机测试行业的精度和可靠性测量标准。
关键词：相机自标定；相机动态定位；轨迹姿态求取；多相机匹配
An optical system for the dynamic measurement of the movement characteristics of aircraft structural parts
Abstract: In order to accurately obtain the movement data of the aircraft in flight, an optical and dynamic measurement method, which can acquire the trajectory, attitude, displacement, deformation and other kinds of movement data of aircraft structural parts, is proposed and implemented based on the theory of close-range photogrammetry and stereo vision technology. The main contents include: Multi-camera self-calibration technique based on close-range photogrammetry; Camera dynamic positioning and jitter eliminating in flight technology; Rapid acquisition technique for the trajectory and attitude of rigid structure; Multi-camera (>=3) collaboration to achieve the matching of non-coding landmarks array. The simulation results show that the trajectory and attitude measurement accuracy of the system can be up to 0.01mm/0.25m, the key point displacement and deformation measurement accuracy is 0.01mm/0.25m. It suggests that the system have met the standards of aircraft testing industry measurement accuracy and reliability.
Key words: Camera self-calibration; Camera dynamic positioning; Trajectory and attitude acquisition; Multi-camera matching
大型飞机机翼空中三维全场变形检测数据
1 引言
在现代飞机性能测试中，飞机及其结构件的运动分析绝大多数都是基于理论模拟或者风洞实验来进行的。然而，在实际飞行中，飞机的变形和应变情况复杂多变，尤其是机翼的起伏变形、舱门的开闭轨迹、起落架的伸展姿态等，这些直接影响飞机在空中的安全性以及空气动力性能。因此，通过快速、高精度的在线测量方法，获取飞机飞行过程中的变形分布情况，对提高飞机可靠性和缩短飞机的研发测试周期具有重大意义。
视频测量模型变形VMD[1]，即在模型上粘贴标志点，采用一个或多个相机同时拍摄模型表面标志点的变形视频图像，采用摄影测量技术和立体视觉技术，计算出每帧中标志点的三维坐标，从而获得每个标志点在受载时的位移和变形。从上世纪八十年代开始，美国NASA的风洞试验室就开始研究该技术，二十多年来一直进行改进和完善，并逐步应用于各种低速、高速、超高速风洞模型的变形测量和姿态测量[2-8]。德国亚琛大学的Ballmann等在欧洲跨音速风洞对柔性机翼模型进行了高雷诺系数下空气结构动力学测试，成功获得了机翼振动时的位移分布[9]。近几年，随着相机工业的快速发展以及近景摄影测量理论的完善，该方法在国外已经成功应用在实际的飞行测试中，如荷兰的NLR国家航空实验室在2008年利用数字图像相关技术成功的实现了空中客车A380在飞行过程中机翼的变形测量[10]。而国内在这方面的应用还处于起步阶段，本课题组曾在近期与中国空气动力研究与发展中心合作，对大型飞机风洞试验的三维视频动态变形测量方法进行了研究和实验[11,12]。
本系统的开发涉及到以下关键技术：首先，相机标定是确定其内参数的过程，其精度直接影响到最终的测量结果。本文使用一种基于近景摄影测量理论的柔性自标定方法[13]，该方法不要求高精度的标定板，只需在刚性标定板上任意的放置多个标志点就可准确地标定出相机的内外参数。其次，在飞行状态下，机载相机的抖动需要予以消除或补偿。本文使用了一种动态定位相机的方法来消除相机的抖动。再次，针对飞机运动轨迹和姿态的测量，王习文、赵立荣[14,15]等提出一系列基于经纬仪测量的方法，该类方法精度较差，采集速度有限制。本文基于单像空间后方交会理论，提出一种动态定位运动目标的方法，该方法能快速并准确地获得刚体的运动轨迹和姿态。最后，在基于标志点检测的三维测量中，常用的双目立体视觉仅适用在以编码标志点为图像匹配基础的情况下或者采用稀疏非编码标志点排布的条件下。而在飞机结构件位移、变形测量中，常常需要对目标区域进行密集的点阵测量，仅使用外极线约束进行标志点匹配的方法出错率很高，已经无法满足需要。本文在普通双目测量方法的基础上，使用多个相机（>=3）进行标志点匹配。由于约束条件的增多，匹配的成功率和精度得到了大大的提升[16]。
图 10 动态测量系统Fig.10 Dynamic Measurement System
