本發(fā)明涉及柔性結(jié)構(gòu)的定位和振動(dòng)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

展弦比的大小對飛機(jī)飛行性能有明顯的影響。展弦比增大時(shí)，機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力會(huì)降低，從而可以提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和增加亞音速航程。展弦比還影響機(jī)翼產(chǎn)生的升力，如果機(jī)翼面積相同，只要飛機(jī)沒有接近失速狀態(tài)，在相同條件下展弦比大的機(jī)翼產(chǎn)生的升力也大，因而能減小飛機(jī)的起飛和降落滑跑距離和提高機(jī)動(dòng)性。高空長航時(shí)飛行器要求留空時(shí)間長、航程遠(yuǎn)，故大多數(shù)采用高升阻比特性的大展弦比機(jī)翼布局形式。在飛行器的整個(gè)發(fā)展過程中均伴隨著氣動(dòng)彈性(簡稱“氣彈”)問題的研究。當(dāng)飛行器在氣流中以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼等彈性體結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的相互耦合作用下維持其自身的等幅振蕩現(xiàn)象稱為機(jī)翼顫振。機(jī)翼顫振是造成飛機(jī)失效的主要原因之一，機(jī)翼發(fā)生顫振時(shí)，在幾秒內(nèi)就可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡。即使發(fā)生所謂的“良性”顫振，經(jīng)過長時(shí)間的飛行也將導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。

飛行過程中的飛機(jī)機(jī)翼在空氣流場下會(huì)受到多方面氣動(dòng)載荷的作用，產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的彈性變形，且對于大型飛機(jī)，機(jī)翼的最大變形常達(dá)幾米。大型飛機(jī)在飛行過程中會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)彈性變形，變形到一定程度會(huì)嚴(yán)重影響飛行安全，因此在對飛機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性力學(xué)分析、適航認(rèn)證時(shí)都會(huì)重點(diǎn)考慮這方面因素。當(dāng)變形達(dá)到一定程度，就有了顫振的概念，顫振是變形的一種極端情況，會(huì)在很短的時(shí)間里使飛機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

三維數(shù)字散斑相關(guān)方法(3d-dscm)是一種光學(xué)測量方法，通過采集目標(biāo)變形前后的散斑圖像，利用雙目立體視覺技術(shù)進(jìn)行空間點(diǎn)的重構(gòu)、二維數(shù)字散斑相關(guān)方法(2d-dscm)進(jìn)行變形前后的空間點(diǎn)的對應(yīng)，在此基礎(chǔ)上完成三維坐標(biāo)及三維變形的測量。3d-dscm克服了2d-dscm只能測量平面物體二維形變的局限，可以獲得任意被測表面的空間位移及形變，而且具有實(shí)時(shí)性、對測量環(huán)境要求低、試樣準(zhǔn)備簡單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供了一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置，考慮到機(jī)翼振動(dòng)及變形時(shí)所測點(diǎn)位移信息獲取實(shí)時(shí)性的問題，采用三維數(shù)字散斑相關(guān)方法對機(jī)翼表面的形變進(jìn)行檢測，圖像處理和分析時(shí)根據(jù)感興趣區(qū)域的統(tǒng)計(jì)特性來提取位移或應(yīng)變信息，使得測量獲得的信息更加精確可靠。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測方法。

本發(fā)明的目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置，包括機(jī)翼本體部分、振動(dòng)檢測部分、振動(dòng)激勵(lì)部分和計(jì)算機(jī)，所述機(jī)翼本體部分包括機(jī)翼和涂畫有密集斑點(diǎn)的薄膜，薄膜緊密貼合在機(jī)翼表面，使得機(jī)翼上表面顯示有連續(xù)均勻分布的斑點(diǎn)，機(jī)翼一端與金屬支座通過夾板機(jī)械連接，金屬支座垂直安裝在水平放置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)座上，機(jī)翼的另一端為自由端，安裝完成后機(jī)翼表面處于水平狀態(tài)，且與實(shí)驗(yàn)臺(tái)座表面平行，粘貼有密集斑點(diǎn)薄膜的一端為自由端；所述振動(dòng)檢測部分包括兩個(gè)高速相機(jī)和相機(jī)支架，所述相機(jī)支架由型材連接搭建而成，兩個(gè)高速相機(jī)分別通過兩個(gè)連接塊安裝在相機(jī)支架上，安裝塊在相機(jī)支架上的位置能夠根據(jù)需要來做調(diào)整，使得兩個(gè)高速相機(jī)拍攝的視場范圍完全包含顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼表面范圍；所述振動(dòng)激勵(lì)部分包括激振器、功率放大器和信號(hào)發(fā)生器，激振器固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)座上，位于機(jī)翼的下方，激振器頂桿豎直方向向上連接到機(jī)翼的骨架上，以使得激振器產(chǎn)生的激勵(lì)作用能夠有效地傳遞；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后傳遞給激振器，激振器對機(jī)翼本體部分進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，在機(jī)翼自由端附近施加不同形式和程度的載荷，使機(jī)翼表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變，振動(dòng)檢測部分的兩個(gè)高速相機(jī)對顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼表面范圍進(jìn)行同步連續(xù)的圖像采集，采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，在圖像上劃分并選擇具有獨(dú)立斑點(diǎn)特征的子區(qū)域，經(jīng)過相應(yīng)的圖像匹配及三維數(shù)字散斑相關(guān)算法，得到子區(qū)域的位移場，其代表了機(jī)翼表面各點(diǎn)處的三維位移信息，將獲得的位移信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入至相關(guān)處理軟件，通過三維曲面擬合操作，將機(jī)翼振動(dòng)或變形時(shí)表面的形態(tài)顯示出來，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

進(jìn)一步地，所述機(jī)翼為大展弦比機(jī)翼模型，由上下兩層蒙皮和機(jī)翼骨架構(gòu)成，所述機(jī)翼骨架包括翼梁、翼肋、桁條和縱檣。

進(jìn)一步地，所述薄膜上的密集斑點(diǎn)包含“十”字標(biāo)和圓點(diǎn)，大的“十”字標(biāo)用來快速定位該區(qū)域，圓點(diǎn)則用來形成特征區(qū)域。

進(jìn)一步地，所述涂畫有密集斑點(diǎn)的薄膜貼合于機(jī)翼表面的位置和大小能夠根據(jù)測量者的需要來自行設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步地，所述激振器的個(gè)數(shù)以及安裝位置能夠根據(jù)測量者想要獲得的機(jī)翼的振動(dòng)信息來自行設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的另一目的可以通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后傳遞給激振器，激振器對機(jī)翼本體部分進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，在機(jī)翼自由端附近施加不同形式和程度的載荷，使機(jī)翼表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變；

步驟二、當(dāng)機(jī)翼表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變后，振動(dòng)檢測部分的兩個(gè)高速相機(jī)對顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼表面范圍進(jìn)行同步連續(xù)的圖像采集，采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，在圖像上劃分并選擇具有獨(dú)立斑點(diǎn)特征的子區(qū)域，經(jīng)過相應(yīng)的圖像匹配及三維數(shù)字散斑相關(guān)算法，得到子區(qū)域的位移場，其代表了機(jī)翼表面各點(diǎn)處的三維位移信息；

步驟三、將步驟三獲得的三維位移信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入至相關(guān)處理軟件，通過三維曲面擬合操作，將機(jī)翼振動(dòng)或變形時(shí)表面的形態(tài)顯示出來，實(shí)現(xiàn)可視化操作；

步驟四、通過改變激勵(lì)信號(hào)的形式、頻率、幅值參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)，獲取多組數(shù)據(jù)點(diǎn)，可視化機(jī)翼的多階振動(dòng)模態(tài)并分析得到振動(dòng)特性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明的基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置采用薄壁加筋殼體式機(jī)翼模型來模擬大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)，能更真實(shí)地還原其在飛行過程中的振動(dòng)及變形情況，通過檢測和分析得到的機(jī)翼模態(tài)特性結(jié)合其他試驗(yàn)結(jié)果能相互驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和飛行響應(yīng)特性的合理性，能夠?yàn)闄C(jī)翼顫振的動(dòng)態(tài)特性和主動(dòng)控制提供真實(shí)的結(jié)果。

2、本發(fā)明利用在機(jī)翼表面粘貼斑點(diǎn)薄膜結(jié)合高速相機(jī)檢測的方式，一方面高速相機(jī)自身的圖像采集上限頻率較高，對機(jī)翼振動(dòng)時(shí)的高階模態(tài)分量也能進(jìn)行檢測，為實(shí)現(xiàn)對機(jī)翼的振動(dòng)解耦提供了基礎(chǔ)，另一方面相比于利用投點(diǎn)器在振動(dòng)本體表面投射光斑場，制作斑點(diǎn)薄膜的方式靈活性更高。

3、本發(fā)明采用三維數(shù)字散斑相關(guān)的振動(dòng)及變形檢測方法，由于散斑涂敷的連續(xù)性，因此增加了網(wǎng)格化分的靈活性，經(jīng)采集圖像的后續(xù)處理等過程，可以方便地獲取滿足特定要求的位移矢量場或應(yīng)變場等信息。三維數(shù)字散斑相關(guān)方法將數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)和雙目立體視覺技術(shù)相結(jié)合，能夠充分采集變形可視化操作中需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使得測量獲得的信號(hào)更加精確可靠。

4、本發(fā)明采用密集程度更高的斑點(diǎn)特征，能為機(jī)翼變形檢測提供更多可供劃分的特征區(qū)域，便于進(jìn)行后續(xù)的曲面擬合和形態(tài)可視化操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中機(jī)翼結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中機(jī)翼變形前后圖像子區(qū)的示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中三維數(shù)字散斑相關(guān)匹配算法的示意圖。

其中，1-相機(jī)支架，2-高速相機(jī)，3-薄膜，4-機(jī)翼(4-1-蒙皮，4-2-翼梁，4-3-翼肋，4-4桁條，4-5縱墻)，5-夾板，6-金屬支座，7-實(shí)驗(yàn)臺(tái)座，8-激振器，9-功率放大器，10-信號(hào)發(fā)生器，11-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測裝置，包括機(jī)翼本體部分、振動(dòng)檢測部分、振動(dòng)激勵(lì)部分和計(jì)算機(jī)(11)，所述機(jī)翼本體部分包括機(jī)翼(4)和涂畫有密集斑點(diǎn)的薄膜(3)，薄膜(3)緊密貼合在機(jī)翼(4)表面，使得機(jī)翼(4)上表面顯示有連續(xù)均勻分布的斑點(diǎn)，機(jī)翼(4)一端與金屬支座(6)通過夾板(5)機(jī)械連接，金屬支座(6)垂直安裝在水平放置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)座(7)上，機(jī)翼(4)的另一端為自由端，安裝完成后機(jī)翼(4)表面處于水平狀態(tài)，且與實(shí)驗(yàn)臺(tái)座(7)表面平行，粘貼有密集斑點(diǎn)薄膜(3)的一端為自由端；所述振動(dòng)檢測部分包括兩個(gè)高速相機(jī)(2)和相機(jī)支架(1)，所述相機(jī)支架(1)由型材連接搭建而成，兩個(gè)高速相機(jī)(2)分別通過兩個(gè)連接塊安裝在相機(jī)支架(1)上，安裝塊在相機(jī)支架(1)上的位置能夠根據(jù)需要來做調(diào)整，使得兩個(gè)高速相機(jī)(2)拍攝的視場范圍完全包含顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼(4)表面范圍；所述振動(dòng)激勵(lì)部分包括激振器(8)、功率放大器(9)和信號(hào)發(fā)生器(10)，激振器(8)固定在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)座(7)上，位于機(jī)翼(4)的下方，激振器頂桿豎直方向向上連接到機(jī)翼(4)的骨架上，以使得激振器(8)產(chǎn)生的激勵(lì)作用能夠有效地傳遞；信號(hào)發(fā)生器(10)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器(9)放大后傳遞給激振器(8)，激振器(8)對機(jī)翼本體部分進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，在機(jī)翼(4)自由端附近施加不同形式和程度的載荷，使機(jī)翼(4)表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變，振動(dòng)檢測部分的兩個(gè)高速相機(jī)(2)對顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼(4)表面范圍進(jìn)行同步連續(xù)的圖像采集，采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(11)，在圖像上劃分并選擇具有獨(dú)立斑點(diǎn)特征的子區(qū)域，經(jīng)過相應(yīng)的圖像匹配及三維數(shù)字散斑相關(guān)算法，得到子區(qū)域的位移場，其代表了機(jī)翼(4)表面各點(diǎn)處的三維位移信息，將獲得的位移信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入至相關(guān)處理軟件，通過三維曲面擬合操作，將機(jī)翼(4)振動(dòng)或變形時(shí)表面的形態(tài)顯示出來，實(shí)現(xiàn)可視化操作。

所述機(jī)翼(4)為大展弦比機(jī)翼模型，機(jī)翼(4)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由上下兩層蒙皮(4-1)和機(jī)翼骨架構(gòu)成，所述機(jī)翼骨架包括翼梁(4-2)、翼肋(4-3)、桁條(4-4)和縱檣(4-5)。

所述薄膜(3)上的密集斑點(diǎn)包含“十”字標(biāo)和圓點(diǎn)，大的“十”字標(biāo)用來快速定位該區(qū)域，圓點(diǎn)則用來形成特征區(qū)域。所述涂畫有密集斑點(diǎn)的薄膜(3)貼合于機(jī)翼(4)表面的位置和大小能夠根據(jù)測量者的需要來自行設(shè)計(jì)。所述激振器(8)的個(gè)數(shù)以及安裝位置能夠根據(jù)測量者想要獲得的機(jī)翼(4)的振動(dòng)信息來自行設(shè)計(jì)。

本實(shí)施例中使用的機(jī)翼模型采用naca0012翼型，寬度300mm，長度1800mm，其翼肋(4-3)使用的材料為日本東邦公司生產(chǎn)的型號(hào)為tenaxhts40的單項(xiàng)碳纖維，翼梁(4-2)的材料為玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，粘接膠的型號(hào)為huntsmanaralditely5052，蒙皮(4-1)的材料為聚氯乙烯。高速相機(jī)(2)選用瑞士aostechnologiesag公司生產(chǎn)的型號(hào)為s-mizehd的v2gig一體式相機(jī)，采用cmos感光芯片，最高幀率1000fps，分辨率為1280×720。激振器(8)選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為jzk-2的慣性式激振器，測量范圍為dc-15khz；功率放大器(9)采用美國ar公司的型號(hào)為50wd1000的功率放大器，工作頻率為dc-1000mhz；信號(hào)發(fā)生器(10)選用keysight公司生產(chǎn)的型號(hào)為n9310a寬頻段射頻信號(hào)發(fā)生器，測量范圍射頻段為9khz-3ghz，低頻段20hz-80khz，幅度為-127至+13dbm。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例提供了一種基于三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的機(jī)翼振動(dòng)檢測方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、信號(hào)發(fā)生器(10)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器(9)放大后傳遞給激振器(8)，激振器(8)對機(jī)翼本體部分進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，在機(jī)翼(4)自由端附近施加不同形式和程度的載荷，使機(jī)翼(4)表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變；

步驟二、當(dāng)機(jī)翼(4)表面產(chǎn)生相應(yīng)的形變后，振動(dòng)檢測部分的兩個(gè)高速相機(jī)(2)對顯示有密集斑點(diǎn)的機(jī)翼(4)表面范圍進(jìn)行同步連續(xù)的圖像采集，采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(11)，在圖像上劃分并選擇具有獨(dú)立斑點(diǎn)特征的子區(qū)域，經(jīng)過相應(yīng)的圖像匹配及三維數(shù)字散斑相關(guān)算法，得到子區(qū)域的位移場，其代表了機(jī)翼(4)表面各點(diǎn)處的三維位移信息；

本步驟中，所述三維數(shù)字散斑相關(guān)算法中圖像匹配的具體過程如下：

如圖3所示，其中一幅圖像作為參考圖像，表示為f(x,y)，另一幅作為待匹配圖像，表示為g(x,y)，在參考圖像f(x,y)中選一個(gè)以m(x0,y0)為中心的(2n+1)×(2n+1)的子區(qū)，利用子區(qū)中的灰度信息，通過一定的相關(guān)匹配算法，在待匹配圖像g(x,y)中找到以m′(x′0,y′0)為中心的目標(biāo)圖像子區(qū)。相比于振動(dòng)過程中圖像子區(qū)的變形量較小，為了檢測機(jī)翼表面的形態(tài)，變形前后圖像子區(qū)斑點(diǎn)間的位移及斑點(diǎn)的位置需要進(jìn)行量化。

在進(jìn)行相關(guān)匹配時(shí)，變形前后的圖像以及左右圖像需按照某一映射函數(shù)來進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。常用的映射函數(shù)有零階形函數(shù)、一階形函數(shù)、二階形函數(shù)等。本實(shí)施例中采用的映射函數(shù)為一階形函數(shù)，表達(dá)式為：x′i＝x0+δx+u+uxδx+uyδy，y′j＝y(tǒng)0+δy+v+vxδx+vyδy，其中：δx＝xi-x0，δy＝y(tǒng)j-y0；u，v分別為子區(qū)中心點(diǎn)在x和y方向的位移分量；ux，uy，vx，vy為圖像子區(qū)的一階位移梯度。

三維數(shù)字相關(guān)方法將二維數(shù)字相關(guān)方法與雙目立體視覺測量相結(jié)合，在三維數(shù)字相關(guān)方法的測量過程中匹配包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：二維匹配和立體匹配，如圖4所示。本實(shí)施例中采用的相似度判別準(zhǔn)則為零均值歸一化互相關(guān)(zncc)，計(jì)算公式為：

其中：該算法能夠適應(yīng)較強(qiáng)的光照變化。

步驟三、將步驟三獲得的三維位移信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入至相關(guān)處理軟件，通過三維曲面擬合操作，將機(jī)翼(4)振動(dòng)或變形時(shí)表面的形態(tài)顯示出來，實(shí)現(xiàn)可視化操作；

步驟四、通過改變激勵(lì)信號(hào)的形式、頻率、幅值參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)，獲取多組數(shù)據(jù)點(diǎn)，可視化機(jī)翼(4)的多階振動(dòng)模態(tài)并分析得到振動(dòng)特性。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。