张兴国

大型飞机机翼动态变形的摄影测量

张兴国

根据飞行试验中机翼动态变形测量的需求，从摄影测量和立体视觉角度出发，设计了一种基于摄影测量的机翼三维变形测量方法。该方法采用数字相机，通过拍摄机翼变形前后机翼上标志点图像，计算出机翼关键点的三维坐标。给出了地面模拟试验的步骤及数据处理结果和精度分析。

大型飞机在飞行过程中会产生气动弹性变形。这种变形主要包括机翼的弯曲、扭转等变形。大型飞机机翼的最大变形通常达到几米，严重影响飞机的飞行安全。如何获取大型飞机在飞行过程中的机翼变形是在试飞中需要解决的问题，而目前国内缺乏测量此类变形的方法。为此，需要研究一种可快速、精确获得飞机机翼和机身结构件在空中飞行状态下三维全局变形的方法。本文首先介绍了国外测试方法，然后提出了针对某型飞机的测试方法，并进行了方案验证和实验室模拟试验。

测试方法

国外测试方法

国外在进行大型飞机试飞时，利用基于影像的光学测量方法进行了机翼的弹性变形测量。如空客A380在进行试飞时过程中，采用多个数字测量相机构成交会测量模式，通过获取机翼上加装的专用测量标志，事后分析解算测量整个机翼面的形变量。其测量相机布设位置如图1所示。A380飞机机

翼为下单翼，在机翼变形测量试验中，通过从机身观察窗内架设测量相机获取机翼上表面标志的影像，事后进行变形量解算。

某型飞机测试方案

某型飞机采用悬臂式上单翼、翼下吊挂发动机，在机身上加装相机无法获取到机翼上表面影像，且无法构成交会摄影模式，而机翼下发动机对摄影造成遮挡，无法获得完整影像完成测量；本文拟采用的测试改装方案如下。

测试方案

在机头顶部应急逃生门或机载天线处加装一个高清测量相机1和2，用于拍摄机翼前缘的测量标尺，采用单站测量，解算机翼前缘的二维形变量。

在垂尾的中间部位，加装高清测量相机3、4、5，相机4和5用于拍摄机翼的上表面测量标志和机翼前缘的测量标尺；由于垂尾在飞行中自身存在形变，为保证测量精度，在垂尾中间部位加装相机3拍摄翼身对接处（假设该部位不发生形变、或形变较小不影响测量精度）的测量标志，用于解算相机4和5的外方位元素；相机1和相机5交会测量机翼翼尖前缘的测量标尺，相机2和相机4交会测量机翼中断前缘的测量标尺，解算出机翼中断前缘的三维形变量。

在垂尾的顶部，加装高清测量相机6、7、8，相机7和8用于拍摄机翼的上表面测量标志和机翼前缘的测量标尺；由于垂尾在飞行中自身存在形变，为保证测量精度，在垂尾顶部加装相机6拍摄翼身对接处的测量标志，用于解算相机7和8的外方位元素；相机1和相机8交会测量机翼翼尖前缘的测量标尺，解算出机翼翼尖前缘的三维形变量。相机2和7用于拍摄机翼的上表面的散斑，交会测量机翼上表面散斑处的机翼形变量。

图1　A380测量相机布设位置示意图

方案可行性验证

为保证在倾斜视场状态下，透过玻璃所获取的图像能够满足三维点变形、轨迹跟踪等数据解算的需要，要进行斜视场模拟测试。根据飞机尾翼与机背夹角的数据，将相机进行模拟排布，如图3所示。

图2　相机模拟排布

图3　拉长设计的编码点和散斑图案

图4　散斑测量结果

图5　标志点测量结果

将系统搭建好后展开模拟实验。

实验目的：按照1：10的比例，模拟机翼变形测量过程。验证相机在大倾角拍摄时的识别及计算效果。实验过程中，使用标志点和散斑两种图案，如图3所示。实验时模拟实际测量环境，隔绝1.5厘米厚钢化玻璃进行测量。测量结果及软件界面如图4和图5所示。

实验结论：上相机组距机背7m，下相机组距机背5m进行测量，光轴与机背的夹角为14度左右，可以完成测量。

机翼变形的地面模拟试验

针对飞机机翼变形测量的问题，利用本文的测量原理和测量方法进行了地面模拟试验。试验步骤如下：

模拟机翼的制作及机翼表面编码点制作；

地面控制点的布设及全站仪标校；

高速相机的架设、安装及镜头调焦；

高速相机的标校；

驱动模拟机翼上下振动，两台高速相机同步触发，进行视频记录；

对记录的视频下载至本地计算机，并进行格式转换；

采用变形数据处理软件进行机翼编码点位置的三维坐标计算；

结合全站仪测量数据，对机翼编码点及控制点的测量精度分析。

事后数据处理界面如图6所示。

数据处理方法

本文采用国际上近几年来发展的数字图像相关技术，结合工业近景摄影测量技术、立体视觉技术，进行飞机机翼三维变形测量。

在测量前，选定飞机上代表飞机航迹的特征点作为被测点，也可在飞机上喷涂一些测量标志点作为被测点。利用交会测量方法获得待测跑到坐标系坐标的步骤如下：

1.对两台摄像机的同步画面影像进行被测点的判读，获取被测点同名点的影像坐标数据（x，y）；

2.利用（x，y）和摄像机的标校参数计算经畸变修正后的被测点的像平面坐标

3. 根据摄像机标定时所得到的相应得摄像机三个外方位角元素（φ，ω，κ），利用式（2）可计算出旋转矩阵R中的9个方向余弦ai，bi，ci，i=1，2，3；

图6　机翼变形测量数据处理图

根据（1）式计算出的ai，bi，ci，标校出的摄像机主距f和像平面坐标利用（2）式可计算出被测点的像空间辅助坐标（X，Y，Z）；

计算被测点的物方坐标（Xp，Yp，Zp），采用点投影系数的空间前方交会算法

第一步计算摄影基线分量（Bx，By，Bz）；

第二步，计算点投影系数N1，N2

式中，（Xi，Yi，Zi），i=1，2，为被测点的像空间辅助坐标，已由（3）式计算出。

第三步，计算被测点物方坐标

数据处理结果

图7为双相机交会测量模拟机翼三维空间坐标的实验现场图，图8为测量计算得到的模拟机翼上7个编码点的三维坐标图。图9为机翼上53号编码点的三位空间坐标值。

数据精度分析

精度计算分析方法如下：首先采用地面上的某个静止不动的编码点作为待计算的点，该点的三维坐标通过全站仪进行精确测量，然后采用本文方法计算该点的三维坐标。表1中列出了该不动点通过全站仪测量和采用本文方法计算的三维坐标值。

图7　实验现场图

图8　模拟机翼上七个编码点的位移图

图9-a　模拟机翼X方向计算值曲线

图9-b　模拟机翼Y方向计算值曲线

图9-c　模拟机翼Z方向计算值曲线

图10为模拟机翼在三个方向的误差曲线。

从表1、图9和图10中可以看出，采用本文方法可计算出模拟机翼在三个方向的变形量及变形趋势，且测量精度高，空间定位精度1mm。

以上测量结果为实验室条件下不同幅面的系统测试精度。实验室测量环境较好，测量精度较高，在实际的机载环境下，受到相机振动大气抖动，防护罩光学玻璃畸变，拍摄范围、地面校准环境及事后判读精度等多方面的影响，实际测量精度较之实验室测量精度会降低。

图10-a　模拟机翼X方向误差曲线图

图10-b　模拟机翼Y方向误差曲线

结束语

本文根据飞机机翼三维变形测量的需求，基于摄影测量原理，构建了一种动态机翼变形测量方法，给出了三维形变测量原理及测量方法，并通过地面模拟试验证明了该方法的有效性。在大型客机和其他新型飞机的试飞阶段，本文的方法可以获得飞机机翼或其他结构件关键部位的三维全场位移和应变数据，具有很好的应用前景。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.014