專利名稱：起落架落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像測(cè)量技術(shù)，用于飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)中機(jī)輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量，特別涉 及機(jī)輪轉(zhuǎn)速的圖像測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù)：
落震試驗(yàn)?zāi)M飛機(jī)著陸過(guò)程，試驗(yàn)時(shí)機(jī)輪預(yù)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨起落架從一定高度落下。由于 機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的存在，輪胎觸地瞬間受到地面摩擦力的猛烈沖擊，機(jī)輪轉(zhuǎn)速急劇變化，水平 沖擊載荷同時(shí)也向上傳遞導(dǎo)致起落架支柱的瞬間彎曲變形?？梢?jiàn)機(jī)輪是產(chǎn)生水平?jīng)_擊載荷 的重要因素，測(cè)量機(jī)輪的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速對(duì)起落架結(jié)構(gòu)受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很重要的意義。對(duì)于機(jī)輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量，傳統(tǒng)方式存在種種障礙。1)接觸式傳感器不適于使用，因?yàn)闄C(jī)輪輪軸是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，甚至連剎車盤一起較大 體積的結(jié)構(gòu)都是不動(dòng)的，通過(guò)軸來(lái)傳動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)行不通，通過(guò)機(jī)輪輪轂來(lái)傳動(dòng)則體積大、結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、安裝困難、不能保證在強(qiáng)烈沖擊下正常工作；
2)光電或磁性感應(yīng)方式的傳感器幾乎成為必然選擇，例如在中國(guó)專利授權(quán)公告號(hào)為CN 2393822Y，名稱為“起落架落震試驗(yàn)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)試裝置”的專利所描述的裝置。但通常的感 應(yīng)距離都很小，尤其在高密度光柵和振動(dòng)環(huán)境下距離必須很小才能減少干擾，而機(jī)輪運(yùn)動(dòng) 范圍很大，所以傳感器不得不安裝到機(jī)輪上。所使用的光柵轉(zhuǎn)盤必然要隨機(jī)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因 為傳感器感應(yīng)頭連著線纜不可能隨機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于輪軸甚至剎車盤是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，這個(gè)光柵 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)尺寸將比剎車盤還要大，因而重量大，要保證安全可靠、不破壞機(jī)輪結(jié)構(gòu)、適應(yīng)不 同的機(jī)輪尺寸、不同的機(jī)輪結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和安裝將面臨很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置安裝時(shí)遇到的種種困難，提供一種安裝 簡(jiǎn)單、不受機(jī)輪尺寸和結(jié)構(gòu)限制、不受機(jī)輪運(yùn)動(dòng)沖擊影響、有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的轉(zhuǎn)速圖像 測(cè)量技術(shù)。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，起落架落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量技術(shù)， 其特征在于，步驟如下
1)在機(jī)輪輪轂一側(cè)面設(shè)置機(jī)輪標(biāo)記，在輪軸中心設(shè)置輪軸標(biāo)記，
2)安裝高速攝影機(jī)，并對(duì)準(zhǔn)設(shè)有標(biāo)記的機(jī)輪面，捕獲機(jī)輪運(yùn)動(dòng)圖像，
3)在圖像中對(duì)步驟1)中所設(shè)輪軸標(biāo)記進(jìn)行跟蹤定位，以確定輪軸中心的坐標(biāo)，
4)以輪軸中心坐標(biāo)為極坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)機(jī)輪輪轂上的機(jī)輪標(biāo)記所處圓環(huán)區(qū)域作極坐標(biāo)變 換成為平直圖像，
5)在平直圖像中對(duì)機(jī)輪標(biāo)記進(jìn)行配準(zhǔn)定位，得到每幀圖像中標(biāo)記相對(duì)前幀標(biāo)記的偏移
fid,
6)用偏移量d除以機(jī)輪標(biāo)記所處半徑即是機(jī)輪的一幀角位移，再乘以幀率即得相應(yīng)幀 的瞬時(shí)角速度，通過(guò)獲得每一幀的瞬時(shí)角速度完成落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量。
所述機(jī)輪標(biāo)記所處圓環(huán)區(qū)域是指包含所有機(jī)輪標(biāo)記的以輪軸中心為圓心的虛擬 圓環(huán)形范圍。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，采用圖像測(cè)量技術(shù)使起落架落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 且不受機(jī)輪運(yùn)動(dòng)沖擊影響、有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，而且轉(zhuǎn)速測(cè)量可與輪軸位移、輪胎壓縮量 測(cè)量有效地結(jié)合，不增加設(shè)備成本。


圖1是本發(fā)明所作的機(jī)輪標(biāo)記和輪軸標(biāo)記示意圖。圖2是本發(fā)明的圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5極坐標(biāo)變換后圖像示意圖。圖3是本發(fā)明的多標(biāo)記輪軸中心定位示意圖。圖4是本發(fā)明的高速攝像機(jī)與機(jī)輪相互位置示意圖。圖中1.機(jī)輪輪轂、2.輪軸、3.機(jī)輪標(biāo)記、4.輪軸標(biāo)記、5.圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域、6. A標(biāo) 記、7. B標(biāo)記、8. C標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，參見(jiàn)圖1、圖2和圖4，機(jī)輪轉(zhuǎn)速的圖像 測(cè)量技術(shù)，其特征在于，步驟如下
1)在機(jī)輪輪轂1一側(cè)面設(shè)置機(jī)輪標(biāo)記3，在輪軸2中心設(shè)置輪軸標(biāo)記4，
2)如圖4，安裝高速攝影機(jī)，并對(duì)準(zhǔn)設(shè)有標(biāo)記機(jī)輪面，捕獲機(jī)輪運(yùn)動(dòng)圖像，
3)在圖像中對(duì)步驟1)中所設(shè)輪軸標(biāo)記4進(jìn)行跟蹤定位，以確定輪軸中心的坐標(biāo)，
4)以輪軸2中心坐標(biāo)為極坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)輪轂上的機(jī)輪標(biāo)記3所處圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5作極 坐標(biāo)變換成為平直圖像，
5)如圖2，從第2幀開(kāi)始，用每1幀的平直圖像與前1幀的平直圖像進(jìn)行配準(zhǔn)定位，得 到每幀圖像中標(biāo)記相對(duì)前幀標(biāo)記的偏移量d，
6)用偏移量d除以機(jī)輪標(biāo)記3所處半徑即是機(jī)輪在這一幀的角位移，再乘以幀率即 得這一幀的瞬時(shí)角速度，得到每一幀的瞬時(shí)角速度后即完成落震試驗(yàn)機(jī)輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)速圖像測(cè) 量。所述圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域是指包含所有機(jī)輪標(biāo)記的虛擬圓環(huán)形范圍，依輪轂實(shí)際結(jié)構(gòu)， 各機(jī)輪標(biāo)記可不在同一個(gè)圓周上排列，若機(jī)輪標(biāo)記排列在以輪軸中心為圓心的同一個(gè)圓周 上，則有利于提高計(jì)算效率，也可以將機(jī)輪標(biāo)記做成圓環(huán)形整體。但圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域不限制機(jī) 輪標(biāo)記為圓環(huán)形，也不限制各機(jī)輪標(biāo)記在同一個(gè)圓周上排列。如圖2中平直圖的配準(zhǔn)定位，應(yīng)考慮到標(biāo)記整體的位置是可能循環(huán)變化的，因此 可以用一個(gè)平直圖相對(duì)另一個(gè)平直圖滑動(dòng)，先試匹配重疊的部分，再試匹配不重疊的部分， 用這兩部分的總匹配度量的最佳值確定二者的偏移量，且當(dāng)偏移量大于1/2平直圖長(zhǎng)度 時(shí)，應(yīng)使偏移量減去平直圖長(zhǎng)度，這是基于這樣的基本要求，即攝像幀率必須大于機(jī)輪轉(zhuǎn)速 的2倍。本發(fā)明是首先在機(jī)輪側(cè)面輪軸中心上設(shè)置輪軸標(biāo)記4，同時(shí)在機(jī)輪輪轂的環(huán)形 區(qū)域5不等間距地設(shè)置至少二個(gè)機(jī)輪標(biāo)記3。設(shè)置多個(gè)機(jī)輪標(biāo)記3是為了加強(qiáng)抗干擾能力， 例如允許部分機(jī)輪標(biāo)記3被遮擋，環(huán)形設(shè)置機(jī)輪標(biāo)記3既支持了抗遮擋，又因共圓而減少了計(jì)算量，不等間距設(shè)置是為了最大程度地降低信號(hào)頻率，適應(yīng)于較低的攝像幀率，避免頻率 混淆現(xiàn)象，并利于圖像正確配準(zhǔn)；再安裝高速攝影裝置并將鏡頭正對(duì)機(jī)輪側(cè)面的所設(shè)標(biāo)記， 使得圖像平面與機(jī)輪或標(biāo)記的運(yùn)動(dòng)平面基本平行，即正對(duì)機(jī)輪側(cè)面是為了后面過(guò)程可直接 進(jìn)行極坐標(biāo)變換而不需進(jìn)行其他變換預(yù)處理；在落震試驗(yàn)過(guò)程中用高速攝影捕獲機(jī)輪及標(biāo) 記運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)字圖像；之后，利用已獲取的機(jī)輪運(yùn)動(dòng)圖像序列，在圖像上先對(duì)輪軸上的輪 軸標(biāo)記4進(jìn)行跟蹤定位，獲得輪軸中心圖像坐標(biāo)；轉(zhuǎn)速測(cè)量的全過(guò)程都不要求對(duì)攝像機(jī)標(biāo) 定，但如果結(jié)合攝像機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，就很容易由輪軸中心圖像坐標(biāo)計(jì)算出輪軸中心的物理位 移，并且以此位移在輪胎觸地時(shí)刻的值為基點(diǎn)，觸地后相對(duì)位移的垂直分量就是輪胎壓縮 量。以輪軸中心為極坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)機(jī)輪輪轂上的機(jī)輪標(biāo)記3所處圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5作極坐標(biāo) 變換，從第二幀圖像開(kāi)始，對(duì)變換后的機(jī)輪標(biāo)記3進(jìn)行配準(zhǔn)定位，得到每一幀圖像中的標(biāo)記 相對(duì)前幀標(biāo)記的偏移量，此偏移量除以標(biāo)記所處半徑即是機(jī)輪的一幀角位移，再乘以幀率 即得即時(shí)角速度，完成機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量。
實(shí)施例1 機(jī)輪轉(zhuǎn)速的圖像測(cè)量技術(shù)的步驟是
1)在輪軸2中心設(shè)置輪軸標(biāo)記4，同時(shí)在機(jī)輪輪轂1一側(cè)面適當(dāng)位置選擇一虛擬的圓 環(huán)區(qū)域5，在其中不等間距地設(shè)置數(shù)個(gè)機(jī)輪標(biāo)記3 ；
標(biāo)記的顏色應(yīng)利于形成高對(duì)比度圖像，如黑白色；輪軸標(biāo)記的形狀應(yīng)利于通過(guò)圖像確 定點(diǎn)的位置，如圓形、圓環(huán)形、多圓環(huán)形、對(duì)角形、十字形等，通過(guò)求矩或提取角點(diǎn)等方法可 得到其特征點(diǎn)坐標(biāo)；機(jī)輪標(biāo)記3的二種顏色塊沿圓周向應(yīng)具有足夠的長(zhǎng)度以減輕運(yùn)動(dòng)模糊 帶來(lái)的不利影響，二種顏色的交界線應(yīng)順著輪徑向以利于圖像沿圓周向匹配定位；機(jī)輪標(biāo) 記3也可以是任意可供定位的圖案，甚至是機(jī)輪結(jié)構(gòu)上的螺栓或孔洞等；機(jī)輪標(biāo)記3的設(shè)置 可以采用噴涂，或用激光打印機(jī)在白紙上打印黑色標(biāo)記圖案后粘貼等方式；
2)如圖4，安裝高速攝影裝置并將鏡頭正對(duì)機(jī)輪側(cè)面所設(shè)輪軸標(biāo)記4和機(jī)輪標(biāo)記3，使 得圖像平面與機(jī)輪以及輪軸標(biāo)記4和機(jī)輪標(biāo)記3的運(yùn)動(dòng)平面基本平行；使用輔助光源從稍 偏的位置照亮輪側(cè)面的輪軸標(biāo)記4和機(jī)輪標(biāo)記3 ；調(diào)節(jié)鏡頭光圈和焦距并對(duì)焦，以使輪軸標(biāo) 記4和機(jī)輪標(biāo)記3的圖像清晰，設(shè)定一種攝影幀率，并確保幀率大于機(jī)輪最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的2 倍，在確保圖像清晰的前提下設(shè)定最短的曝光時(shí)間；
3)在落震試驗(yàn)過(guò)程中，捕獲機(jī)輪及輪軸標(biāo)記4和機(jī)輪標(biāo)記3運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速攝影數(shù)字 圖像；
4)在已獲取的圖像序列上先對(duì)輪軸2上的輪軸標(biāo)記4進(jìn)行跟蹤定位，一種方法是先取 第一幀圖像中包含輪軸標(biāo)記4的局部圖作為模板，在后續(xù)幀中結(jié)合預(yù)測(cè)進(jìn)行匹配搜索，通 過(guò)對(duì)最佳匹配區(qū)去背景后求一階矩獲得新的輪軸標(biāo)記4的中心坐標(biāo)，即輪軸中心坐標(biāo)；
5)以輪軸2中心為極坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)機(jī)輪輪轂1上的機(jī)輪標(biāo)記3所處圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5作 極坐標(biāo)變換，得到的平直圖像，參見(jiàn)圖2 ；
確定圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5的半徑范圍的一種方法是通過(guò)某種交互方式在圖像上用鼠標(biāo)劃 定，或?qū)C(jī)輪圖像的梯度圖的極坐標(biāo)變換圖沿圓周向投影，從投影曲線中自動(dòng)選定一段峰 值區(qū)；
6)參見(jiàn)圖2，不妨設(shè)其中的二個(gè)平直圖由相鄰二幀圖像所得，它們對(duì)應(yīng)機(jī)輪1的不同轉(zhuǎn) 動(dòng)角度，對(duì)平直圖像進(jìn)行配準(zhǔn)獲得二者的偏移量d。此偏移量d除以機(jī)輪標(biāo)記3所處半徑為 機(jī)輪1的一幀角位移，再乘以幀率即得角速度；實(shí)施例2 參見(jiàn)圖3，機(jī)輪轉(zhuǎn)速的圖像測(cè)量技術(shù)的步驟是
當(dāng)輪軸2為剎車盤時(shí)，若其中心無(wú)法設(shè)置輪軸標(biāo)記4，可通過(guò)如下方法獲得輪軸2中心 坐標(biāo)
1)在剎車盤上相隔較大距離的位置粘貼B標(biāo)記7和C標(biāo)記8，再在機(jī)輪輪轂或輪胎較 平的側(cè)面位置上粘貼A標(biāo)記6;
2)如圖4，安裝好攝像機(jī)，安裝要求基本同實(shí)施例1中步驟2)；
3)保持輪軸2中心靜止，且剎車盤也靜止，同時(shí)將機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的角度并攝取相應(yīng) 圖像；
4)在獲取的圖像中對(duì)標(biāo)記定位，獲得相應(yīng)標(biāo)記的中心坐標(biāo)值。對(duì)A標(biāo)記6中心在機(jī)輪 各個(gè)轉(zhuǎn)角下的位置作圓擬合，得圓心坐標(biāo)，即輪軸中心坐標(biāo)，再求出輪軸中心相對(duì)B標(biāo)記7 和C標(biāo)記8中心的偏移矢量；
5)由于輪軸2中心、B標(biāo)記7、C標(biāo)記8三者是相對(duì)固定的，因此反過(guò)來(lái)可以由B標(biāo)記 7、C標(biāo)記8中心位置和相對(duì)偏移矢量確定輪軸2中心位置，也就是說(shuō)，得到偏移矢量后，B標(biāo) 記7、C標(biāo)記8可完全取代圖1中輪軸標(biāo)記4對(duì)輪軸2中心的定位作用；
6)根據(jù)以上方法，用二個(gè)標(biāo)記取代圖1中輪軸標(biāo)記4，并先獲得輪軸2中心相對(duì)偏移矢 量；將輪軸標(biāo)記4的定位過(guò)程替換為對(duì)B標(biāo)記7、C標(biāo)記8定位并結(jié)合相對(duì)偏移矢量求得輪 軸2中心坐標(biāo)。其他過(guò)程同實(shí)施例1 ；
實(shí)施例3
在機(jī)輪1的攝像面有輪叉的情形下，隨著機(jī)輪1的旋轉(zhuǎn)，機(jī)輪標(biāo)記3所處圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域 5始終有一部分被遮擋，此時(shí)僅需對(duì)實(shí)施例1中求轉(zhuǎn)速的過(guò)程中對(duì)圖2中的二幀圖像進(jìn)行配 準(zhǔn)的過(guò)程作小的改進(jìn)，方法如下
1)通常輪叉相對(duì)輪軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是有限的，即使是搖臂式起落架，輪叉轉(zhuǎn)動(dòng)范圍也 不可能達(dá)到180度，故機(jī)輪標(biāo)記3所處圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5始終有大部分未被輪叉遮擋，并且其 在圖像上的方位固定。根據(jù)實(shí)際情況先以某種簡(jiǎn)單形式指定這個(gè)未遮擋區(qū)；
2)未遮擋區(qū)在圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域5的極坐標(biāo)變換后的平直圖中也有相應(yīng)范圍，這個(gè)范圍也 是固定的，限制對(duì)二幀圖像的配準(zhǔn)僅在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于此范圍兩端的不匹配度還可 進(jìn)一步忽略或減輕以提高配準(zhǔn)精度。
權(quán)利要求
1.起落架落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量技術(shù)，其特征在于，步驟如下1)在機(jī)輪輪轂[1]一側(cè)面設(shè)置機(jī)輪標(biāo)記[3]，在輪軸[2]中心設(shè)置輪軸標(biāo)記W]，2)安裝高速攝影機(jī)，并對(duì)準(zhǔn)設(shè)有標(biāo)記機(jī)輪面，捕獲機(jī)輪運(yùn)動(dòng)圖像，3)在圖像中對(duì)步驟1)中所設(shè)輪軸標(biāo)記[4]進(jìn)行跟蹤定位，以確定輪軸[2]中心的坐標(biāo)，4)以輪軸[2]中心坐標(biāo)為極坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)機(jī)輪標(biāo)記[3]所處圓環(huán)區(qū)域[5]作極坐標(biāo)變 換成為平直圖像，5)在平直圖像中對(duì)機(jī)輪標(biāo)記[3]進(jìn)行配準(zhǔn)定位，得到每幀圖像中標(biāo)記相對(duì)前幀標(biāo)記的 偏移量d，6)用偏移量d除以機(jī)輪標(biāo)記[3]所處半徑即是機(jī)輪的一幀角位移，再乘以幀率即得相 應(yīng)幀的瞬時(shí)角速度，通過(guò)獲得每一幀的瞬時(shí)角速度完成落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起落架落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量技術(shù)，其特征在于，所述 圓環(huán)標(biāo)記區(qū)域[5]是指包含所有機(jī)輪標(biāo)記[3]的以輪軸中心為圓心的虛擬圓環(huán)形范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量技術(shù)。通過(guò)在輪軸上和機(jī)輪輪轂上設(shè)置標(biāo)記圖案，再獲取機(jī)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速攝影圖像，對(duì)每幀圖像中的標(biāo)記進(jìn)行定位以獲得輪軸中心的坐標(biāo)進(jìn)而獲得輪的旋轉(zhuǎn)角位移，再經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到機(jī)輪轉(zhuǎn)速，完成落震試驗(yàn)機(jī)輪轉(zhuǎn)速圖像測(cè)量。
文檔編號(hào)G01M7/08GK102141573SQ20101060270
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者萬(wàn)健平, 劉群根, 孫福強(qiáng) 申請(qǐng)人:江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司