大型飛機機翼動態變形的攝影測量

張興國

大型飛機機翼動態變形的攝影測量

張興國

根據飛行試驗中機翼動態變形測量的需求，從攝影測量和立體視覺角度出發，設計了一種基于攝影測量的機翼三維變形測量方法。該方法采用數字相機，通過拍攝機翼變形前后機翼上標志點圖像，計算出機翼關鍵點的三維坐標。給出了地面模擬試驗的步驟及數據處理結果和精度分析。

大型飛機在飛行過程中會產生氣動彈性變形。這種變形主要包括機翼的彎曲、扭轉等變形。大型飛機機翼的最大變形通常達到幾米，嚴重影響飛機的飛行安全。如何獲取大型飛機在飛行過程中的機翼變形是在試飛中需要解決的問題，而目前國內缺乏測量此類變形的方法。為此，需要研究一種可快速、精確獲得飛機機翼和機身結構件在空中飛行狀態下三維全局變形的方法。本文首先介紹了國外測試方法，然后提出了針對某型飛機的測試方法，并進行了方案驗證和實驗室模擬試驗。

測試方法

國外測試方法

國外在進行大型飛機試飛時，利用基于影像的光學測量方法進行了機翼的彈性變形測量。如空客A380在進行試飛時過程中，采用多個數字測量相機構成交會測量模式，通過獲取機翼上加裝的專用測量標志，事后分析解算測量整個機翼面的形變量。其測量相機布設位置如圖1所示。A380飛機機

翼為下單翼，在機翼變形測量試驗中，通過從機身觀察窗內架設測量相機獲取機翼上表面標志的影像，事后進行變形量解算。

某型飛機測試方案

某型飛機采用懸臂式上單翼、翼下吊掛發動機，在機身上加裝相機無法獲取到機翼上表面影像，且無法構成交會攝影模式，而機翼下發動機對攝影造成遮擋，無法獲得完整影像完成測量；本文擬采用的測試改裝方案如下。

測試方案

在機頭頂部應急逃生門或機載天線處加裝一個高清測量相機1和2，用于拍攝機翼前緣的測量標尺，采用單站測量，解算機翼前緣的二維形變量。

在垂尾的中間部位，加裝高清測量相機3、4、5，相機4和5用于拍攝機翼的上表面測量標志和機翼前緣的測量標尺；由于垂尾在飛行中自身存在形變，為保證測量精度，在垂尾中間部位加裝相機3拍攝翼身對接處（假設該部位不發生形變、或形變較小不影響測量精度）的測量標志，用于解算相機4和5的外方位元素；相機1和相機5交會測量機翼翼尖前緣的測量標尺，相機2和相機4交會測量機翼中斷前緣的測量標尺，解算出機翼中斷前緣的三維形變量。

在垂尾的頂部，加裝高清測量相機6、7、8，相機7和8用于拍攝機翼的上表面測量標志和機翼前緣的測量標尺；由于垂尾在飛行中自身存在形變，為保證測量精度，在垂尾頂部加裝相機6拍攝翼身對接處的測量標志，用于解算相機7和8的外方位元素；相機1和相機8交會測量機翼翼尖前緣的測量標尺，解算出機翼翼尖前緣的三維形變量。相機2和7用于拍攝機翼的上表面的散斑，交會測量機翼上表面散斑處的機翼形變量。

圖1　A380測量相機布設位置示意圖

方案可行性驗證

為保證在傾斜視場狀態下，透過玻璃所獲取的圖像能夠滿足三維點變形、軌跡跟蹤等數據解算的需要，要進行斜視場模擬測試。根據飛機尾翼與機背夾角的數據，將相機進行模擬排布，如圖3所示。

圖2　相機模擬排布

圖3　拉長設計的編碼點和散斑圖案

圖4　散斑測量結果

圖5　標志點測量結果

將系統搭建好后展開模擬實驗。

實驗目的：按照1：10的比例，模擬機翼變形測量過程。驗證相機在大傾角拍攝時的識別及計算效果。實驗過程中，使用標志點和散斑兩種圖案，如圖3所示。實驗時模擬實際測量環境，隔絕1.5厘米厚鋼化玻璃進行測量。測量結果及軟件界面如圖4和圖5所示。

實驗結論：上相機組距機背7m，下相機組距機背5m進行測量，光軸與機背的夾角為14度左右，可以完成測量。

機翼變形的地面模擬試驗

針對飛機機翼變形測量的問題，利用本文的測量原理和測量方法進行了地面模擬試驗。試驗步驟如下：

模擬機翼的制作及機翼表面編碼點制作；

地面控制點的布設及全站儀標校；

高速相機的架設、安裝及鏡頭調焦；

高速相機的標校；

驅動模擬機翼上下振動，兩臺高速相機同步觸發，進行視頻記錄；

對記錄的視頻下載至本地計算機，并進行格式轉換；

采用變形數據處理軟件進行機翼編碼點位置的三維坐標計算；

結合全站儀測量數據，對機翼編碼點及控制點的測量精度分析。

事后數據處理界面如圖6所示。

數據處理方法

本文采用國際上近幾年來發展的數字圖像相關技術，結合工業近景攝影測量技術、立體視覺技術，進行飛機機翼三維變形測量。

在測量前，選定飛機上代表飛機航跡的特征點作為被測點，也可在飛機上噴涂一些測量標志點作為被測點。利用交會測量方法獲得待測跑到坐標系坐標的步驟如下：

1.對兩臺攝像機的同步畫面影像進行被測點的判讀，獲取被測點同名點的影像坐標數據（x，y）；

2.利用（x，y）和攝像機的標校參數計算經畸變修正后的被測點的像平面坐標

3. 根據攝像機標定時所得到的相應得攝像機三個外方位角元素（φ，ω，κ），利用式（2）可計算出旋轉矩陣R中的9個方向余弦ai，bi，ci，i=1，2，3；

圖6　機翼變形測量數據處理圖

根據（1）式計算出的ai，bi，ci，標校出的攝像機主距f和像平面坐標利用（2）式可計算出被測點的像空間輔助坐標（X，Y，Z）；

計算被測點的物方坐標（Xp，Yp，Zp），采用點投影系數的空間前方交會算法

第一步計算攝影基線分量（Bx，By，Bz）；

第二步，計算點投影系數N1，N2

式中，（Xi，Yi，Zi），i=1，2，為被測點的像空間輔助坐標，已由（3）式計算出。

第三步，計算被測點物方坐標

數據處理結果

圖7為雙相機交會測量模擬機翼三維空間坐標的實驗現場圖，圖8為測量計算得到的模擬機翼上7個編碼點的三維坐標圖。圖9為機翼上53號編碼點的三位空間坐標值。

數據精度分析

精度計算分析方法如下：首先采用地面上的某個靜止不動的編碼點作為待計算的點，該點的三維坐標通過全站儀進行精確測量，然后采用本文方法計算該點的三維坐標。表1中列出了該不動點通過全站儀測量和采用本文方法計算的三維坐標值。

圖7　實驗現場圖

圖8　模擬機翼上七個編碼點的位移圖

圖9-a　模擬機翼X方向計算值曲線

圖9-b　模擬機翼Y方向計算值曲線

圖9-c　模擬機翼Z方向計算值曲線

圖10為模擬機翼在三個方向的誤差曲線。

從表1、圖9和圖10中可以看出，采用本文方法可計算出模擬機翼在三個方向的變形量及變形趨勢，且測量精度高，空間定位精度1mm。

以上測量結果為實驗室條件下不同幅面的系統測試精度。實驗室測量環境較好，測量精度較高，在實際的機載環境下，受到相機振動大氣抖動，防護罩光學玻璃畸變，拍攝范圍、地面校準環境及事后判讀精度等多方面的影響，實際測量精度較之實驗室測量精度會降低。

圖10-a　模擬機翼X方向誤差曲線圖

圖10-b　模擬機翼Y方向誤差曲線

結束語

本文根據飛機機翼三維變形測量的需求，基于攝影測量原理，構建了一種動態機翼變形測量方法，給出了三維形變測量原理及測量方法，并通過地面模擬試驗證明了該方法的有效性。在大型客機和其他新型飛機的試飛階段，本文的方法可以獲得飛機機翼或其他結構件關鍵部位的三維全場位移和應變數據，具有很好的應用前景。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.014