起落架落震试验机轮转速图像测量技术

摘要

本发明公开一种机轮转速图像测量技术。通过在轮轴上和机轮轮毂上设置标记图案，再获取机轮运动过程的高速摄影图像，对每帧图像中的标记进行定位以获得轮轴中心的坐标进而获得轮的旋转角位移，再经简单计算得到机轮转速，完成落震试验机轮转速图像测量。

说明书

技术领域

本发明涉及图像测量技术，用于飞机起落架落震试验中机轮转速的测量，特别涉及机轮转速的图像测量技术。

背景技术

落震试验模拟飞机着陆过程，试验时机轮预转动，随起落架从一定高度落下。由于机轮转动惯性的存在，轮胎触地瞬间受到地面摩擦力的猛烈冲击，机轮转速急剧变化，水平冲击载荷同时也向上传递导致起落架支柱的瞬间弯曲变形。可见机轮是产生水平冲击载荷的重要因素，测量机轮的瞬态转速对起落架结构受力分析和结构设计有很重要的意义。

对于机轮转速的测量，传统方式存在种种障碍。

1）接触式传感器不适于使用，因为机轮轮轴是不转动的，甚至连刹车盘一起较大体积的结构都是不动的，通过轴来传动测量机构行不通，通过机轮轮毂来传动则体积大、结构复杂、安装困难、不能保证在强烈冲击下正常工作；

2）光电或磁性感应方式的传感器几乎成为必然选择，例如在中国专利授权公告号为CN 2393822Y，名称为“起落架落震试验瞬态转速测试装置”的专利所描述的装置。但通常的感应距离都很小，尤其在高密度光栅和振动环境下距离必须很小才能减少干扰，而机轮运动范围很大，所以传感器不得不安装到机轮上。所使用的光栅转盘必然要随机轮一起转动，因为传感器感应头连着线缆不可能随机轮转动，由于轮轴甚至刹车盘是不转动的，这个光栅转盘结构尺寸将比刹车盘还要大，因而重量大，要保证安全可靠、不破坏机轮结构、适应不同的机轮尺寸、不同的机轮结构，其设计和安装将面临很大困难。

发明内容

本发明的目的是，克服现有转速测量装置安装时遇到的种种困难，提供一种安装简单、不受机轮尺寸和结构限制、不受机轮运动冲击影响、有良好动态响应性能的转速图像测量技术。

本发明的目的通过以下技术方案实现，起落架落震试验机轮转速图像测量技术，其特征在于，步骤如下：

1）在机轮轮毂一侧面设置机轮标记，在轮轴中心设置轮轴标记，

2）安装高速摄影机，并对准设有标记的机轮面，捕获机轮运动图像，

3）在图像中对步骤1）中所设轮轴标记进行跟踪定位，以确定轮轴中心的坐标，

4）以轮轴中心坐标为极坐标原点，对机轮轮毂上的机轮标记所处圆环区域作极坐标变换成为平直图像，

5）在平直图像中对机轮标记进行配准定位，得到每帧图像中标记相对前帧标记的偏移量d，

6）用偏移量d除以机轮标记所处半径即是机轮的一帧角位移，再乘以帧率即得相应帧的瞬时角速度，通过获得每一帧的瞬时角速度完成落震试验机轮转速图像测量。

所述机轮标记所处圆环区域是指包含所有机轮标记的以轮轴中心为圆心的虚拟圆环形范围。

本发明的优点是，采用图像测量技术使起落架落震试验机轮转速测量结构简单，且不受机轮运动冲击影响、有良好动态响应性能，而且转速测量可与轮轴位移、轮胎压缩量测量有效地结合，不增加设备成本。

附图说明

图 1是本发明所作的机轮标记和轮轴标记示意图。

图 2是本发明的圆环标记区域5极坐标变换后图像示意图。

图 3是本发明的多标记轮轴中心定位示意图。

图4 是本发明的高速摄像机与机轮相互位置示意图。

图中： 1.机轮轮毂、2.轮轴、3.机轮标记、4.轮轴标记、5.圆环标记区域、6. A标记、7.B标记、8.C标记。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进一步说明，参见图1、图2和图4，机轮转速的图像测量技术，其特征在于，步骤如下：

1）在机轮轮毂1一侧面设置机轮标记3，在轮轴2中心设置轮轴标记4，

2）如图4，安装高速摄影机，并对准设有标记机轮面，捕获机轮运动图像，

3）在图像中对步骤1）中所设轮轴标记4进行跟踪定位，以确定轮轴中心的坐标，

4）以轮轴2中心坐标为极坐标原点，对轮毂上的机轮标记3所处圆环标记区域5作极坐标变换成为平直图像，

5）如图2，从第2帧开始，用每1帧的平直图像与前1帧的平直图像进行配准定位，得到每帧图像中标记相对前帧标记的偏移量d，

6）用偏移量d除以机轮标记3所处半径即是机轮在这一帧的角位移，再乘以帧率即得这一帧的瞬时角速度，得到每一帧的瞬时角速度后即完成落震试验机轮瞬时转速图像测量。

所述圆环标记区域是指包含所有机轮标记的虚拟圆环形范围，依轮毂实际结构，各机轮标记可不在同一个圆周上排列，若机轮标记排列在以轮轴中心为圆心的同一个圆周上，则有利于提高计算效率，也可以将机轮标记做成圆环形整体。但圆环标记区域不限制机轮标记为圆环形，也不限制各机轮标记在同一个圆周上排列。

如图2中平直图的配准定位，应考虑到标记整体的位置是可能循环变化的，因此可以用一个平直图相对另一个平直图滑动，先试匹配重叠的部分，再试匹配不重叠的部分，用这两部分的总匹配度量的最佳值确定二者的偏移量，且当偏移量大于1/2平直图长度时，应使偏移量减去平直图长度，这是基于这样的基本要求，即摄像帧率必须大于机轮转速的2倍。

本发明是：首先在机轮侧面轮轴中心上设置轮轴标记4，同时在机轮轮毂的环形区域5不等间距地设置至少二个机轮标记3。设置多个机轮标记3是为了加强抗干扰能力，例如允许部分机轮标记3被遮挡，环形设置机轮标记3既支持了抗遮挡，又因共圆而减少了计算量，不等间距设置是为了最大程度地降低信号频率，适应于较低的摄像帧率，避免频率混淆现象，并利于图像正确配准；再安装高速摄影装置并将镜头正对机轮侧面的所设标记，使得图像平面与机轮或标记的运动平面基本平行，即正对机轮侧面是为了后面过程可直接进行极坐标变换而不需进行其他变换预处理；在落震试验过程中用高速摄影捕获机轮及标记运动过程的数字图像；之后，利用已获取的机轮运动图像序列，在图像上先对轮轴上的轮轴标记4进行跟踪定位，获得轮轴中心图像坐标；转速测量的全过程都不要求对摄像机标定，但如果结合摄像机标定数据，就很容易由轮轴中心图像坐标计算出轮轴中心的物理位移，并且以此位移在轮胎触地时刻的值为基点，触地后相对位移的垂直分量就是轮胎压缩量。以轮轴中心为极坐标原点，对机轮轮毂上的机轮标记3所处圆环标记区域5作极坐标变换，从第二帧图像开始，对变换后的机轮标记3进行配准定位，得到每一帧图像中的标记相对前帧标记的偏移量，此偏移量除以标记所处半径即是机轮的一帧角位移，再乘以帧率即得即时角速度，完成机轮转速图像测量。

实施例1：机轮转速的图像测量技术的步骤是：

1）    在轮轴2中心设置轮轴标记4，同时在机轮轮毂1一侧面适当位置选择一虚拟的圆环区域5，在其中不等间距地设置数个机轮标记3；

标记的颜色应利于形成高对比度图像，如黑白色；轮轴标记的形状应利于通过图像确定点的位置，如圆形、圆环形、多圆环形、对角形、十字形等，通过求矩或提取角点等方法可得到其特征点坐标；机轮标记3的二种颜色块沿圆周向应具有足够的长度以减轻运动模糊带来的不利影响，二种颜色的交界线应顺着轮径向以利于图像沿圆周向匹配定位；机轮标记3也可以是任意可供定位的图案，甚至是机轮结构上的螺栓或孔洞等；机轮标记3的设置可以采用喷涂，或用激光打印机在白纸上打印黑色标记图案后粘贴等方式；

2）    如图4，安装高速摄影装置并将镜头正对机轮侧面所设轮轴标记4和机轮标记3，使得图像平面与机轮以及轮轴标记4和机轮标记3的运动平面基本平行；使用辅助光源从稍偏的位置照亮轮侧面的轮轴标记4和机轮标记3；调节镜头光圈和焦距并对焦，以使轮轴标记4和机轮标记3的图像清晰，设定一种摄影帧率，并确保帧率大于机轮最大瞬时转速的2倍，在确保图像清晰的前提下设定最短的曝光时间；

3）    在落震试验过程中，捕获机轮及轮轴标记4和机轮标记3运动过程的高速摄影数字图像；

4）    在已获取的图像序列上先对轮轴2上的轮轴标记4进行跟踪定位，一种方法是先取第一帧图像中包含轮轴标记4的局部图作为模板，在后续帧中结合预测进行匹配搜索，通过对最佳匹配区去背景后求一阶矩获得新的轮轴标记4的中心坐标，即轮轴中心坐标；

5）    以轮轴2中心为极坐标原点，对机轮轮毂1上的机轮标记3所处圆环标记区域5作极坐标变换，得到的平直图像，参见图2；

确定圆环标记区域5的半径范围的一种方法是通过某种交互方式在图像上用鼠标划定，或对机轮图像的梯度图的极坐标变换图沿圆周向投影，从投影曲线中自动选定一段峰值区；

6）    参见图2，不妨设其中的二个平直图由相邻二帧图像所得，它们对应机轮1的不同转动角度，对平直图像进行配准获得二者的偏移量d。此偏移量d除以机轮标记3所处半径为机轮1的一帧角位移，再乘以帧率即得角速度；

实施例2：参见图3，机轮转速的图像测量技术的步骤是：

当轮轴2为刹车盘时，若其中心无法设置轮轴标记4，可通过如下方法获得轮轴2中心坐标：

1）    在刹车盘上相隔较大距离的位置粘贴B标记7和C标记8，再在机轮轮毂或轮胎较平的侧面位置上粘贴A标记6；

2）    如图4，安装好摄像机，安装要求基本同实施例1中步骤2）；

3）    保持轮轴2中心静止，且刹车盘也静止，同时将机轮转动到不同的角度并摄取相应图像；

4）    在获取的图像中对标记定位，获得相应标记的中心坐标值。对A标记6中心在机轮各个转角下的位置作圆拟合，得圆心坐标，即轮轴中心坐标，再求出轮轴中心相对B标记7和C标记8中心的偏移矢量；

5）    由于轮轴2中心、B标记7、C标记8三者是相对固定的，因此反过来可以由B标记7、C标记8中心位置和相对偏移矢量确定轮轴2中心位置，也就是说，得到偏移矢量后，B标记7、C标记8可完全取代图1中轮轴标记4对轮轴2中心的定位作用；

6）    根据以上方法，用二个标记取代图1中轮轴标记4，并先获得轮轴2中心相对偏移矢量；将轮轴标记4的定位过程替换为对B标记7、C标记8定位并结合相对偏移矢量求得轮轴2中心坐标。其他过程同实施例1；

实施例3：

在机轮1的摄像面有轮叉的情形下，随着机轮1的旋转，机轮标记3所处圆环标记区域5始终有一部分被遮挡，此时仅需对实施例1中求转速的过程中对图2中的二帧图像进行配准的过程作小的改进，方法如下：

1）通常轮叉相对轮轴2的转动范围是有限的，即使是摇臂式起落架，轮叉转动范围也不可能达到180度，故机轮标记3所处圆环标记区域5始终有大部分未被轮叉遮挡，并且其在图像上的方位固定。根据实际情况先以某种简单形式指定这个未遮挡区；

2）未遮挡区在圆环标记区域5的极坐标变换后的平直图中也有相应范围，这个范围也是固定的，限制对二帧图像的配准仅在这个范围内进行，对于此范围两端的不匹配度还可进一步忽略或减轻以提高配准精度。