一、實(shí)驗(yàn)背景

無人機(jī)旋翼在高速旋轉(zhuǎn)（5000-10000 RPM）過程中，承受著復(fù)雜氣動載荷與離心力，其動態(tài)變形（如彎曲、扭轉(zhuǎn)）直接影響飛行性能與結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)接觸式傳感器（如應(yīng)變片）難以捕捉高速旋轉(zhuǎn)下的瞬態(tài)變形場，且可能干擾流場。無人機(jī)廠商急需一套能夠精確量化高速動態(tài)變形、且可工程落地應(yīng)用的測量方案。

旋翼揮舞運(yùn)動變形的危害：

1、旋翼葉片迎角發(fā)生變化，影響旋翼的升力和力矩

2、旋翼葉片的振動，影響旋翼的壽命和可靠性

3、影響旋翼飛行器的操縱性和穩(wěn)定性

二、高速DIC原理、技術(shù)對比和重要性

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）是一種根據(jù)CCD工業(yè)相機(jī)記錄的單個(gè)圖像或圖像系列計(jì)算二維或三維坐標(biāo)，得出二維或三維的位移、速度和加速度測量結(jié)果。通過解讀二維或三維坐標(biāo)之間的局部位移，計(jì)算出應(yīng)變值和應(yīng)變率。DIC可測試樣品表面的全場測量數(shù)據(jù)，局部分辨率很高。

高速數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（High-Speed Digital Image Correlation, HS-DIC），是一種基于光學(xué)成像和計(jì)算機(jī)視覺的非接觸式全場測量方法，用于捕捉高速動態(tài)過程中物體表面的三維位移場、應(yīng)變場及運(yùn)動軌跡。高速數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)在傳感器部件中使用高速相機(jī)，可在高動態(tài)事件中測量應(yīng)變和位移。

高速DIC VS傳統(tǒng)測量技術(shù)

對比維度	高速DIC	應(yīng)變片/加速度計(jì)
測量范圍	全場三維位移/應(yīng)變（百萬級測點(diǎn)）	單點(diǎn)/局部一維數(shù)據(jù)（如單軸應(yīng)變或加速度）
動態(tài)響應(yīng)	幀率500Hz~MHz級，適合高速瞬態(tài)過程	帶寬<1kHz，信號易延遲或漂移
測量精度	位移精度：0.01像素（約亞微米級） 應(yīng)變精度：20-50με	應(yīng)變片精度：±1-10με（受貼片工藝影響大）
空間分辨率	高密度全場數(shù)據(jù)，最小可達(dá)0.1mm間距點(diǎn)云	單點(diǎn)或稀疏陣列（需鋪設(shè)多個(gè)傳感器）
適用場景	高溫、強(qiáng)振動、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境	易受電磁干擾，附加質(zhì)量影響精度

高速DIC技術(shù)應(yīng)用的重要性

1、全場捕捉旋翼從啟動到穩(wěn)態(tài)的應(yīng)變分布（如根部離心應(yīng)變與葉尖氣動彈翼變形）；

2、分析槳葉剖面的扭轉(zhuǎn)剛度、擺振剛度和揮舞剛度等；

3、建立旋翼動態(tài)性能量化分析體系，驅(qū)動旋翼結(jié)構(gòu)迭代與飛行控制算法優(yōu)化。

三、方案組成和關(guān)鍵指標(biāo)

高速DIC測量軟硬件方案組成

高速DIC測量系統(tǒng)：XTDA軟件是專門為追蹤目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)的位移、速度、加速度、角度、軌跡姿態(tài)而打造的軟件，可分析三維位移和變形和動態(tài)軌跡，基于標(biāo)記點(diǎn)、特征點(diǎn)的運(yùn)動測量分析。

高速攝像機(jī)：兩臺高速攝像機(jī)，超100萬幀的超高速測量，跟蹤精度高達(dá) 0.01px，最大分辨率2048*1024。

照明系統(tǒng)：外置大視場頻閃光源/大功率常亮光源；LED藍(lán)光冷光源（避免環(huán)境光干擾），均勻照射試樣表面。

XTDIC-SPARK技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)：

• 超過百萬幀的超高速測量；
• 跟蹤精度高達(dá)0.01px
• 2D /3D坐標(biāo)、位移、變形、應(yīng)變、角度、速度、加速度
• 海量目標(biāo)同時(shí)追蹤，特征跟蹤和匹配跟蹤算法
• 6DoF軌跡姿態(tài)
• 支持多種圖像或視頻導(dǎo)入計(jì)算

解決的問題

采用高速數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（XTDIC-SPARK系統(tǒng)），可精準(zhǔn)量化旋翼從啟動到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的全流程應(yīng)變場、位移分布與關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動軌跡，為無人機(jī)旋翼設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

• 動態(tài)變形測量：捕捉高速旋轉(zhuǎn)下旋翼的動態(tài)變形規(guī)律。
• 設(shè)計(jì)驗(yàn)證：通過真實(shí)的飛行載荷下復(fù)雜氣動干擾的動態(tài)變形分析，對CFD仿真和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。
• 產(chǎn)品優(yōu)化：通過高速DIC技術(shù)，建立旋翼動態(tài)性能量化數(shù)據(jù)分析，驅(qū)動旋翼結(jié)構(gòu)迭代與飛行控制算法優(yōu)化。

四、實(shí)際案例：無人機(jī)旋翼飛行受力變形測量

實(shí)驗(yàn)分析場景：

階段1（啟動階段）：捕捉旋翼根部應(yīng)力集中現(xiàn)象（變形量分析）；

階段2（過渡階段）：翼尖渦流引發(fā)的變形與周期性振動；

階段3（穩(wěn)態(tài)階段）：量化氣動升力導(dǎo)致的翼面彎曲變形。

實(shí)際案例：數(shù)據(jù)和分析

在XTDA軟件創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域，創(chuàng)建種子點(diǎn)，計(jì)算出散斑標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，進(jìn)而解算出應(yīng)變場、位移場。

旋翼位移結(jié)果與關(guān)鍵點(diǎn)位移分析曲線

旋翼應(yīng)變結(jié)果與關(guān)鍵點(diǎn)最大主應(yīng)變工程曲線

實(shí)際案例：數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

無人機(jī)旋翼從啟動到穩(wěn)態(tài)過程的變形分析，測試數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、動力學(xué)優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

• 提升旋翼動態(tài)性能分析效率，實(shí)現(xiàn)旋翼減重的同時(shí)抗彎強(qiáng)度；
• 分析旋翼飛行狀態(tài)下變形，可優(yōu)化旋翼形狀，提升剛性和穩(wěn)定性；
• 識別高應(yīng)力區(qū)域，優(yōu)化幾何形狀（如翼型厚度、扭轉(zhuǎn)角），避免局部過度變形；
• 將變形特性融入控制算法，對旋翼的揮舞運(yùn)動進(jìn)行精確測量和補(bǔ)償。