大型飞机采用大展弦比和柔性机翼设计, 空中飞行时机翼变形很大,对气动力和飞行安全有重要影响，如何方便快捷、精确地测量空中飞行时大型飞机机翼的三维动态变形数据极其重要。本项目基于三维数字图像相关理论，结合工业近景摄影测量技术，利用放置在飞机上的多组工业相机，拍摄飞机空中飞行时机翼的变形视频图像，通过标志点和散斑图案解算出机翼三维全场动态变形和应变数据。
课题组承担的前一个国家自然科学基金研究了风洞试验时大型飞机模型的变形检测方法，本项目在此基础上研究空中飞行的变形检测，检测对象和环境发生了重大改变，检测对象从2米大小的飞机风洞模型变为几十米的真实飞机，机载环境比风洞环境更为复杂，空中飞行比风洞试验的检测难度更大。本项目重点研究几十米大视场的变形检测方法，以及空中飞行环境下对气流、光线、振动、拍摄倾斜角等的各种抗干扰和补偿方法，为大型飞机的研制和生产提供真实的空中飞行数据。
大型飞机机翼空中三维全场变形检测数据
High-aspect-ratio and flexible wing design are often used in large aricraft design, and large in-flight wing deformation has important effect on flight safety and aerodynamci forces, so how to obtain the accurate deformation and strain data of in-flight wing accurately and quickly is of prime importance.Based on 3D digital image correlation method and digital close range industry photogrammetry technology,some mark points and random speckle pattern are pasted or painted on the aircraft surface,then the key parts deformation video images of wing in-flight are captured by several industrial cameras from multiple views placed on the aircraft.
According to the deformation video images with mark points or speckle pattern, the 3D full-field deformation and strain data can be resolved,so the 3D full-field deformation and strain distribution of in-flight wing can be obtained finally.Based on the previous project supported by Natural Science Foundation-the deformation test methods of large aircraft model in wind tunnel experiments,this research group will focus on studying the deformation detection of large aircraft in-flight.Compared with wind tunnel test,the testing objects and enviroment have been changed. The testing objects change from plane model of 2 meters long to real aircraft of dozens of meters.The deformation test for large aircraft will be more difficult than wind tunnel test because of more complicated testing enviroment in flight.The 3D full-field dynamic deformation detection method in large-field of tens of meters,the influence of airflow,light,vibration and shooting angle under flight enviroment to dynamic deformation measurement accuracy and the anti-interference method & compensation will be researched,which provides accurate and reliable data for large aircraft’s development and production.
1. 项目的立项依据
1.1 研究意义与目的
大型飞机及关键技术是《国家中长期科技发展纲要（2006-2020）》的优先主题，大型飞机一般是指大型运输机和大型客机，大型飞机在设计制造时虽然进行了大量的分析和模拟，但是其在空中飞行的姿态和变形情况必须通过试飞才能获得最终的实际数据。目前我国已经开展了大型运输机和C919大型客机的设计和制造（如图 1所示），但是对于大型飞机的试飞和空中飞行的检测方法还非常薄弱。
（a） 大型运输机 （b）C919大型客机
图 1 中国大型运输机和C919大型客机示意图
大型飞机在高亚音速条件下巡航需要采用大展弦比后掠机翼，因受材料、重量和成本等因素的制约，设计时需要牺牲一定的结构刚性以提高结构效率，必须采用柔性机翼设计原则，在设计中必须更多考虑非线性气动弹性的影响，充分估计机翼制造的型架外形与实际飞行外形的差异。机翼是飞机的重要部件之一，最主要作用是产生升力，在飞行过程中承受着巨大的气动载荷，因而会发生弹性变形。大型运输机和大型客机的翼展比较长，承载量非常大，飞行过程中机翼的弹性变形更厉害。机翼对大型客机的燃油消耗率影响很大，中国C919大型客机的指标是降低10%的燃油消耗率，因此机翼的设计尤为重要。对于大型运输机，在各种环境下的飞行安全是重要的指标，当机翼变形超过设计许可时，会对飞行安全和气动力造成严重影响。因此，获取大型飞机机翼在飞行过程中的变形及应变分布情况具有重大意义。
获得大型飞机空中飞行时的机翼三维全场变形及应变数据有以下意义：①可以分析大型飞机的结构负荷，评估飞机在飞行过程中的安全性，分析和查找飞机飞行中存在的隐患；②检验大型飞机制造精度，为飞机的制造和加工提供指导和参考；③优化大型飞机的设计，通过实际的测量来验证飞机的设计模型，优化飞机的气动性能；④快速、高精度的全场位移和应变检测方法可以减少飞机测试时间，大大缩短新机型或改进机型的研发周期。
传统的变形和应变检测方法主要是采用用电阻应变片、引伸计、位移、加速度传感器等，虽然具有精度高、测量结果稳定等优点，但是存在致命的缺点，即这些接触式测量装置很难安装在空中飞行的机翼表面，而且这些传统检测方法一般是单点测量，无法获得全场的变形数据。
本项目基于三维数字图像相关理论（3D Digital Image Correlation, 3D-DIC），结合工业近景摄影测量技术，在飞机上事先绘制或粘贴一些标志点和散斑图案，通过放置在飞机上的多组工业相机，拍摄飞机空中飞行时机翼等关键部件的变形视频图像，通过标志点和散斑图案来解算出三维全场变形和应变数据，获得大飞机飞行过程中机翼的三维全场变形及应变分布数据。本项目具有重要的理论和应用价值，将为我国大型飞机的研制和试飞提供可靠的飞行试验数据。
1.2 国内外发展现状及分析
对飞机机翼及结构件的变形测量除了传统的接触式测量外，光学测量技术因其非接触、实时和易于实现自动化等特点而发展迅速，其中粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）、视频测量模型变形法（Videogrammetric Model Deformation，VMD）和数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC））在国内外应用最为广泛。
（1）20世纪80年代发展起来的粒子图像测速技术是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的流动测试手段[1]。德国宇航研究院的J.KOMPENHANS等[2]将PIV技术应用到包括从低速流到跨声速流、从增升装置到螺旋桨和旋翼、从弹射装置到三角翼上涡流破裂现象等的研究上。日本庆应大学的Alexandre Suryadi等[3]用一个可以周期性偏摆的刚体模型来模拟机翼的振动，利用立体粒子图像测速仪对带有示踪粒子的墨汁流线进行实时观测，得到了刚体边缘的速度场，并对刚体所受的作用力进行了评估。粒子图像测速法需要在视场中放入示踪粒子，并用光束进行追踪，无法应用于飞机的空中飞行测试。
（2）视频测量模型变形VMD[4]也简单称为视觉测量（Vision metrology，VM），是在飞机模型上粘贴标志点，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机器视觉技术，计算出每一时刻的标志点的三维坐标，从而计算出每个标志点在受载时的位移和变形。从二十世纪八十年代，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[5-9]。德国亚琛大学的Josef Ballmann[10]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。本课题组在国家自然科学基金资助下，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，取得了丰硕成果[11]。综合国内外的研究可知，视频测量模型变形VMD技术主要应用于风洞实验中飞机的变形测量上，虽然可以用于飞机空中试飞，一般只能提供影像，无法提供定量的变形数据，只能定性观察变形大小，无法定量分析。
（3）数字图像相关法DIC，其基本原理是利用变形前后两幅图像的相关性获得速度场、位移场以及应变场，具有简便，灵活，高精度，且应变测量范围大等优点。其原理如图 2和图 3所示，将散乱图案首先分割为众多的相关窗口（子窗口），跟踪每个相关窗口的变形（如图 2所示），进而得到众多相关窗口的全场变形和应变数据（如图 3所示）。
(a)被测物体表面散乱图案 (b)相关窗口（15×15像素） (c)利用相关性跟踪变形（各个相关窗口）
（4）图 2 数字图像相关法图像匹配的原理
(a) 计算机自动划分的众多相关窗口 (b) 计算出的应变网格 (c) 全场应变的彩色显示
图 3 数字图像相关法全场应变的计算结果示意图
数字图像相关法DIC是在上世纪八十年代由日本的 Yamaguchi[13]和美国South Carolina大学的W.H.Peters[14]和W.F.Ranson[15]等人同时独立提出的。20世纪80年代DIC技术应用到应变测量领域，但因为其测量精度较差而且相关性计算速度太慢，所以在二十世纪很少有论文研究，直至2008年以后数字图像相关法本身技术和应用推广得到戏剧性快速发展。美国佐治亚理工学院的Uttam Kumar Chakravarty等[16]和佛罗里达大学的R.Albertani等[17]分别利用数字图像相关技术测得了微型飞行器的柔性机翼在静载和动载实验下的机翼全场变形。美国佛罗里达大学的Pin Wu等[18]等分别利用PIV技术和DIC技术测得了微型飞行器的铝制柔性机翼在悬停状态下的流速矢量和变形分布，测量结果与计算结果吻合很好。德国空客公司的B.Gölling等[19]利用两台高速相机组成的双目视觉系统对跨声速风洞中三角形机翼周期性滚转试验进行了观测，通过DIC技术获得了三角翼的应变分布。加拿大国家研究理事会在2009年利用数字图像相关法测量了飞机结构件在断裂过程中的应变分布[20]。
近几年我国的大型运输机和大型客机将陆续升空试飞和定型，迫切需要研究大型飞机的机翼在空中飞行时的三维全场变形和应变的检测和试验方法。本项目的研究基础是课题组承担的前一个国家自然基金，研究了风洞试验时大型飞机模型的变形检测方法，本项目在此基础上研究空中飞行的变形检测，检测对象和环境发生了重大改变，检测对象从2米大小的飞机风洞模型变为几十米的真实飞机，机载环境比风洞环境更为复杂，空中飞行比风洞试验的检测难度更大。本项目重点研究几十米大视场的变形检测方法，以及空中飞行环境下对气流、光线、振动、拍摄倾斜角等的各种抗干扰和补偿方法，为大型飞机的研制和生产提供真实的空中飞行数据。
