專利名稱：機載式全景旋翼共錐度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種直升機旋翼共錐度測量的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)旋翼直升機飛行時，槳葉會微微往上翹，形成一個倒置的圓錐體，若升力一 致，則各槳葉運動在同一個椎體上，通常稱為共錐面。若升力不一致，那么各槳葉運動 的軌跡不共錐，此時槳葉高度就不等高。直升機旋翼的共錐度是旋翼動平衡測量的一個 主要指標(biāo)，它直接關(guān)系到直升機的安全和其他各項重要性能的優(yōu)劣，是直升機生產(chǎn)、維 護中的重要檢查項目。由于共錐度的測量往往是在槳葉高速旋轉(zhuǎn)的動態(tài)下進行的，所以 過去一直存在著測量難度較大、測量精度較差的問題。傳統(tǒng)視覺圖像由普通鏡頭成像，只能觀測到幾十度視場內(nèi)的目標(biāo)；全景視覺傳 感器利用折反射全景成像機理可以觀察到接近一個球面的全景視場信息，具有十分重要 的應(yīng)用前景。全景視覺傳感器技術(shù)是一門新穎的技術(shù)，已經(jīng)逐步應(yīng)用到軍用機器人導(dǎo) 航、火星探測、視頻監(jiān)控、火險救災(zāi)、虛擬現(xiàn)實等眾多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)視場較小 不同，全景成像指大于半球視場(360° X180° )的球面成像，全景視覺系統(tǒng)利用單視點 雙曲面反射鏡通過CCD成像單元一次成像大于半球視場(360° X180° )，一次獲取整 個場景的目標(biāo)信息，不再需要為光電跟蹤系統(tǒng)附加一套隨動系統(tǒng)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過圖 像采集卡轉(zhuǎn)換成有效的圖像數(shù)據(jù)交由圖像處理裝置進行處理，用于直升機旋翼共錐度的 測量。公開文獻(xiàn)中關(guān)于對直升機旋翼共錐度的測量方法的報道較多，對直升機旋翼參 數(shù)的測量也有一些描述，但是在測量中采用方法和手段均與不是基于機載式全景視覺的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的機載式全景旋翼共錐度測量
直o本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的機載式全景旋翼共錐度測量裝置由取景模塊、透視成像模塊、防護模 塊和全景圖像嵌入式處理模塊組成；取景模塊通過連接器與防護模塊相連，防護模塊通 過法蘭連接固定安裝在旋翼槳轂上，透視成像模塊、全景圖像嵌入式處理模塊安裝在防 護模塊中；取景模塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡、設(shè)置在防護玻璃管頂端 的雙曲面反射鏡連接器；透視成像模塊由高幀頻科學(xué)級相機和透視鏡頭及Cameralink視 頻傳輸線組成；全景圖像嵌入式處理模塊由Cameralink視頻輸入輸出接口、圖像處理單 元、數(shù)據(jù)輸出接口組成。本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述全景圖像嵌入式處理模塊的構(gòu)成為視頻信號通過MDR26連接器輸入到Cameralink接收器，CL接收器實現(xiàn)串行視頻信號到并行處理信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的并 行視頻圖像輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA完成圖像讀取、預(yù)處理、圖像輸出，DSP完成解算， FPGA和DSP依據(jù)SDRAM進行數(shù)據(jù)通訊。防護結(jié)構(gòu)及裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計2、所述防護模塊包括防護玻璃管和支撐圓桿，防護玻璃管采用石英玻璃連熔制 成，并在內(nèi)側(cè)鍍膜，支撐圓桿由純鋼材料制成。3、所述取景模塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡、設(shè)置在防護玻璃管 頂端的雙曲面反射鏡連接器。4、所述透視成像模塊由高幀頻科學(xué)級相機和透視鏡頭及Camemlink視頻傳輸線 組成。5、所述雙曲面反射鏡連接器是由純鋼制作的圓盤，正中央為一個和雙曲面反射 鏡通孔大小相似的通孔，外圍有一圓形凹槽。本發(fā)明的機載式全景旋翼共錐度測量裝置的取景模塊的防護玻璃采用石英玻璃 連熔制成，并在內(nèi)側(cè)鍍膜以最大限度的減小光線折返射給全景圖像帶來的影響。防護玻 璃管的高度由攝像機與雙曲面反射鏡之間的距離決定。支撐圓桿由純鋼材料制成，主要 起到支撐雙曲面反射鏡和保護玻璃管的作用，其高度應(yīng)根據(jù)攝像機與雙曲面反射鏡之間 的距離決定，半徑在能夠保證支撐強度的前提下不宜過大以免影響成像。雙曲面反射鏡 連接器是由純鋼制作的圓盤，半徑的大小由雙曲面反射鏡底面直徑?jīng)Q定。連接器的正中 央為一個和雙曲面反射鏡通孔大小相似的通孔，雙曲面反射鏡固定在該連接器上。同 時，連接器外圍有一圓形凹槽，凹槽的半徑由玻璃管決定。本發(fā)明的機載式全景旋翼共錐度測量裝置的全景圖像嵌入式處理模塊采取FPGA 與DSP協(xié)同工作模式，并為FPGA和DSP分配SDRAM作為圖像緩存空間。本發(fā)明裝置采用上述結(jié)構(gòu)后，通過懸掛在支架上的全景成像系統(tǒng)實時拍攝旋翼 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過雙曲面折反射系統(tǒng)的逆投影原理將旋翼圖像坐標(biāo)值反向推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為其在 空間中的位置來計算旋翼的錐度差。具有結(jié)構(gòu)緊湊、拍攝方便的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的機載式全景共錐度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是嵌入式全景圖象處理模塊的組成圖；圖3是雙曲面折反射系統(tǒng)的逆投影原理圖；圖4是在成像平面內(nèi)的點投影；圖5是在全景圖像平面內(nèi)的點投影；圖6是防護結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，直升機旋翼模型試驗臺采用不銹鋼材料構(gòu)成，將實際的直升機旋翼按 比例縮小，使其具有與勻速前飛旋翼直升機實物相同的物理參數(shù)和特性。機載式全景旋 翼共錐度測量裝置由取景模塊、透視成像模塊、防護模塊、全景圖像嵌入式處理模塊組成；取景模塊通過雙曲面反射鏡連接器1與防護模塊3相連，防護模塊通過法蘭連接11 固定安裝在旋翼槳轂12上，透視成像模塊、全景圖像嵌入式處理模塊安裝在防護模塊3 中；取景模塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡2、設(shè)置在防護玻璃管頂端的雙 曲面反射鏡連接器1 ；透視成像模塊由高幀頻科學(xué)級相機6和透視鏡頭5及Cameralink視 頻傳輸線8組成；全景圖像嵌入式處理模塊由Camemlink視頻輸入輸出接口 9、圖像處理 單元10等組成。實現(xiàn)機載的一個主要難題是測量系統(tǒng)的小型化，故需要將全景圖像處理系統(tǒng)進 行嵌入式設(shè)計。在具體實施過程中，采取FPGA與DSP協(xié)同工作模式，并為FPGA和 DSP分配SDRAM作為圖像緩存空間。結(jié)合圖2，全景圖像嵌入式處理模塊的構(gòu)成為 視頻信號通過MDR26連接器輸入到Camemlink接收器，CL接收器實現(xiàn)串行視頻信號到 并行處理信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的并行視頻圖像輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA在此嵌入式圖像處 理系統(tǒng)中起核心作用，主要完成圖像讀取、預(yù)處理、圖像輸出等功能。DSP依據(jù)計算優(yōu) 勢，完成解算方法。FPGA和DSP依據(jù)SDRAM進行數(shù)據(jù)通訊。實際直升機旋翼模型臺槳轂12直徑為25cm，該系統(tǒng)的攝像機選用Dalsa公司 生產(chǎn)的Falcon 4M60高分辨率面陣高速相機，該相機采用傳輸性能較好的Cameralink接 口，分辨率為2352*1728，鏡頭在實際應(yīng)用中選用了 Nikon AF 20mm 2.8D作為透視成像透鏡。結(jié)合圖1，利用法蘭連接11將測量系統(tǒng)固定安裝在旋翼槳轂12上。用長度適中 的Cameralink數(shù)據(jù)線8將攝像機6與嵌入式圖像處理系統(tǒng)連接，將攝像機固定安裝在設(shè)計 好的支架7上。最后設(shè)計取景模塊，在攝像機-反射鏡系統(tǒng)各參數(shù)確定后，確定防護玻 璃管[3]的高度并將其內(nèi)部鍍膜，防護玻璃管應(yīng)置于連接器上部圓盤的凹槽內(nèi)。同時，依 據(jù)上面提及到的全景視覺系統(tǒng)中雙曲面反射鏡的設(shè)計要求實際設(shè)計雙曲面反射鏡2，將其 固定在雙曲面反射鏡圓盤上，并將此整體倒置于防護玻璃罩3上，防護玻璃罩3應(yīng)置于法 蘭連接11的凹槽內(nèi)。利用調(diào)整柄14通過調(diào)整槳轂連接器13的轉(zhuǎn)軸可以獲得槳葉不同的錐度角，以槳 葉頂點為目標(biāo)觀察點，通過取景模塊將采集目標(biāo)點并交由全景圖像嵌入式處理模塊進行 處理，經(jīng)過圖像讀取、預(yù)處理、圖像輸出等功能完成旋翼槳葉錐度的測量。整套結(jié)構(gòu)防塵、抗震，系統(tǒng)可獲得水平方向360°，豎直方向240°的全景視 角?？捎糜谥鄙龣C旋翼旋轉(zhuǎn)速度最大為400r/min各種飛行場合，連續(xù)工作時間不小于2 小時。下面對本發(fā)明的原理及應(yīng)用作進一步說明旋翼錐度的解算方法1入射光線k!、k!的計算一幅全景圖像表示的是觀察時間不變而觀察方向改變所能觀察到的全部場景。 如圖3所示，F(xiàn)2分別為雙曲線的兩個焦點，e為雙曲面的焦距，辟巧，萬2$為入射光
線，廠^，為反射光線反向延長線。由于雙曲面反射鏡的上端面半徑尺寸D是已知 的，現(xiàn)將雙曲面反射鏡的上端面作為成像平面，、A2為經(jīng)反射鏡反射后的像點。雙曲面反射鏡在yoz平面內(nèi)的公式為
= 1(1) a b式中，a，b為雙曲面反射鏡的面型參數(shù)。全景圖像上任意一點所對應(yīng)空間內(nèi)的入射光線的方位角可由水平方向的向量角 和垂直方向的俯仰角(0，a)來描述。以被測槳葉尖部氐&” yi)發(fā)出的光線ii為例，入射光線的斜率為k”雙曲面
反射鏡的焦點SFJO，e), F2(0, -e),則在yoz平面內(nèi)入射光線^^的方程為z = k^+e (2) 設(shè)反射光線戶；的斜率為k3，則在yoz平面內(nèi)戶；的方程為z = k3y-e (3)由幾何關(guān)系可知K = tan <7: =(4)H為CCD靶面到雙曲面反射鏡上端面的距離。則Bi在成像平面內(nèi)的模長為
H Hy“、A = —=(5)
3 z + e其中乙入二口廠成像平面如圖4所示，像點\的極坐標(biāo)為(P n 9》。貝lj 所以已知三維空間中物點Bi坐標(biāo)，可以唯一確定一條入射光線。已知全景圖的半徑為R(像素單位)，在全景圖中建立相對于圖像中心的極坐標(biāo) 系，如圖5所示，對應(yīng)的像素點An(p2，e2)與成像平面內(nèi)AA^Pi，0》與幅角相同，
而模長成一定倍數(shù)關(guān)系X，其中義=￥。p 2 = p ！ X 人(6)0 2=0! (7)設(shè)全景圖的中心坐標(biāo)為Ot(xQ，y0), An(xt, yt)貝ljxt = x0+ P 2 cos 0 2 (8)yt = y0+ P 2 sin 0 2 (9)通過圖像處理可以計算出An的坐標(biāo)(xt，yt)、全景圖像中心坐標(biāo)(xQ，xy0)及全 景圓半徑R，代入公式⑶ (9)可以求得p2，e2。將p 2，e2代入公式(6) (7)求得P i，e 10將耳^與交點PAX-，ypl)代入公式(5)、(10)可知 解方程組求得
權(quán)利要求
1.一種機載式全景旋翼共錐度測量裝置，由取景模塊、透視成像模塊、防護模塊和 全景圖像嵌入式處理模塊組成；其特征是取景模塊通過連接器與防護模塊相連，防 護模塊通過法蘭連接固定安裝在旋翼槳轂上，透視成像模塊、全景圖像嵌入式處理模塊 安裝在防護模塊中；取景模塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡、設(shè)置在防護 玻璃管頂端的雙曲面反射鏡連接器；透視成像模塊由高幀頻科學(xué)級相機和透視鏡頭及 Camemlink視頻傳輸線組成；全景圖像嵌入式處理模塊由Cameralink視頻輸入輸出接 口、圖像處理單元、數(shù)據(jù)輸出接口組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載式全景旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述全景 圖像嵌入式處理模塊的構(gòu)成為視頻信號通過MDR26連接器輸入到Camemlink接收 器，CL接收器實現(xiàn)串行視頻信號到并行處理信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的并行視頻圖像輸入到 FPGA中，F(xiàn)PGA完成圖像讀取、預(yù)處理、圖像輸出，DSP完成解算，F(xiàn)PGA和DSP依據(jù) SDRAM進行數(shù)據(jù)通訊。防護結(jié)構(gòu)及裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機載式全景旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述防護模 塊包括防護玻璃管和支撐圓桿，防護玻璃管采用石英玻璃連熔制成，并在內(nèi)側(cè)鍍膜，支 撐圓桿由純鋼材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機載式全景旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述取景模 塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡、設(shè)置在防護玻璃管頂端的雙曲面反射鏡連 接器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機載式全景旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述透視成 像模塊由高幀頻科學(xué)級相機和透視鏡頭及Camemlink視頻傳輸線組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機載式全景旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述雙曲 面反射鏡連接器是由純鋼制作的圓盤，正中央為一個和雙曲面反射鏡通孔大小相似的通 孔，外圍有一圓形凹槽。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種機載式全景旋翼共錐度測量裝置。由取景模塊、透視成像模塊、防護模塊和全景圖像嵌入式處理模塊組成；取景模塊通過連接器與防護模塊相連，防護模塊通過法蘭連接固定安裝在旋翼槳轂上，透視成像模塊、全景圖像嵌入式處理模塊安裝在防護模塊中；取景模塊包括安裝在防護玻璃管內(nèi)的雙曲面反射鏡、設(shè)置在防護玻璃管頂端的雙曲面反射鏡連接器；透視成像模塊由高幀頻科學(xué)級相機和透視鏡頭及Cameralink視頻傳輸線組成；全景圖像嵌入式處理模塊由Cameralink視頻輸入輸出接口、圖像處理單元、數(shù)據(jù)輸出接口組成。本測量裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便、安裝維修簡捷、工作穩(wěn)定可靠的特點，用于直升機旋翼共錐度的測量。
文檔編號G01B11/26GK102012219SQ201010526289
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者夏桂華, 姜邁, 朱齊丹, 王立輝, 蔡成濤, 鄧超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)