針對(duì)大型上單翼飛機(jī)在飛行過(guò)程中機(jī)翼大撓度變形檢測(cè)難題，采用DIC多相機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，采集機(jī)翼動(dòng)態(tài)散斑圖像，設(shè)計(jì)大傾角散斑匹配算法和實(shí)時(shí)振動(dòng)補(bǔ)償標(biāo)定方法，解決了圖像低相關(guān)性及飛行振動(dòng)干擾問(wèn)題。

基于1:10縮比機(jī)翼試驗(yàn)臺(tái)的仿真驗(yàn)證，采用新拓三維XTDIC-STROBE三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)同步測(cè)量和精度對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)全場(chǎng)測(cè)量精度達(dá)0.21mm/2m，滿足飛行載荷下機(jī)翼?yè)隙缺O(jiān)測(cè)要求，為航空器氣動(dòng)彈性分析提供了高精度全場(chǎng)動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方案。

一、方案背景
大型上單翼飛機(jī)在飛行過(guò)程中，機(jī)翼承受氣動(dòng)載荷非常大，通常翼展為40~50m的大型飛機(jī)飛行時(shí)翼尖上下波動(dòng)超過(guò)1m。由于機(jī)翼變形幅度巨大，需要獲得大型飛機(jī)在飛行過(guò)程中的機(jī)翼變形三維分布數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)應(yīng)變片法（測(cè)點(diǎn)密度≤20點(diǎn)/m2）難以捕捉全場(chǎng)應(yīng)變分布，而攝影測(cè)量易受振動(dòng)與視角限制。NASA在A380機(jī)翼測(cè)試中曾采用DIC技術(shù)，測(cè)得機(jī)翼部分區(qū)域變形，但在大傾角（>40°）工況下面臨匹配失敗率高的難題。
通過(guò)分布式相機(jī)布局，動(dòng)態(tài)標(biāo)定補(bǔ)償算法和實(shí)時(shí)振動(dòng)補(bǔ)償標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)下全場(chǎng)變形場(chǎng)的精確重構(gòu)，對(duì)實(shí)機(jī)測(cè)量有一定的指導(dǎo)意義。
二、機(jī)翼動(dòng)態(tài)測(cè)量難題與解決方案
難點(diǎn)一：大傾角變形導(dǎo)致圖像低相關(guān)性
機(jī)翼在飛行中偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)40-50°，相機(jī)視角傾斜嚴(yán)重，導(dǎo)致散斑圖像形變劇烈、灰度分布失真，傳統(tǒng)DIC算法匹配失敗率>30%，位移場(chǎng)出現(xiàn)斷裂區(qū)域。
技術(shù)解決方案：
采用大傾角弱相關(guān)散斑匹配方法，將攝像機(jī)采集到的參考圖像序列和目標(biāo)圖像序列作為兩組圖像序列，參考子集和目標(biāo)子集分別在自身圖像序列下進(jìn)行匹配運(yùn)算。這種方法能夠提供可靠的初值，使線性迭代最小二乘算法更快速準(zhǔn)確，魯棒性更好。
多級(jí)分層匹配算法
基于特征點(diǎn)引導(dǎo)的漸進(jìn)式匹配，將全局大變形分解為局部剛體運(yùn)動(dòng)+小變形迭代。
多相機(jī)視角融合
采用“高-低”雙組相機(jī)陣列（垂尾+機(jī)身布置），覆蓋±60°視場(chǎng)。標(biāo)定時(shí)結(jié)合光束法平差優(yōu)化全局位姿，4相機(jī)系統(tǒng)將盲區(qū)覆蓋率由62%提升至98%。
難點(diǎn)二：飛行振動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量基準(zhǔn)漂移
實(shí)際飛行測(cè)量時(shí)，飛機(jī)受高速氣流影響，安裝了測(cè)量相機(jī)的尾垂部位會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，要對(duì)測(cè)量相機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正。
技術(shù)解決方案：
相機(jī)動(dòng)態(tài)校正
以上單翼飛機(jī)的機(jī)背為剛性不動(dòng)參照，基于單像后方交會(huì)方法，實(shí)時(shí)解算基準(zhǔn)相機(jī)在世界坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)即相機(jī)外方位元素。
通過(guò)預(yù)先標(biāo)定的相對(duì)外參數(shù)，解算共軛測(cè)量相機(jī)在每一幀狀態(tài)下的圖像絕對(duì)外參數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量相機(jī)的動(dòng)態(tài)校正。
相機(jī)振動(dòng)補(bǔ)償
標(biāo)定時(shí)先校準(zhǔn)所有相機(jī)內(nèi)方位元素，相機(jī)間相對(duì)位置關(guān)系是已知的。對(duì)于給定任意一個(gè)相機(jī)的外參數(shù)，共軛相機(jī)的絕對(duì)外參數(shù)可通過(guò)相對(duì)外參數(shù)算得。
三、機(jī)翼三維全場(chǎng)動(dòng)態(tài)變形測(cè)量
針對(duì)上單翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)機(jī)翼三維全場(chǎng)變形的測(cè)量方案。
測(cè)量流程與結(jié)果
經(jīng)過(guò)內(nèi)、外參數(shù)分別標(biāo)定后，開(kāi)始采集機(jī)翼變形圖像，此時(shí)根據(jù)機(jī)背固定點(diǎn)三維坐標(biāo)，實(shí)時(shí)反算相機(jī)位置，然后進(jìn)行機(jī)翼全場(chǎng)變形信息解算。
采用新拓三維XTDIC-STROBE系統(tǒng)驗(yàn)證本次研究的測(cè)量精度，通過(guò)同步計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)來(lái)比對(duì)全場(chǎng)解算精度。該系統(tǒng)在300mm×400mm幅面下測(cè)量精度可達(dá)0.01mm，測(cè)得結(jié)果可用于評(píng)估機(jī)翼全場(chǎng)變形測(cè)量精度。
四、試飛方案驗(yàn)證
搭建仿真試驗(yàn)環(huán)境，采用1：10縮小飛機(jī)模型作為測(cè)量對(duì)象，對(duì)測(cè)量方案的可行性及有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
為了評(píng)估測(cè)量精度，采用新拓三維XTDIC-STROBE系統(tǒng)同步追蹤機(jī)翼表面的標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)比對(duì)分析標(biāo)志點(diǎn)動(dòng)態(tài)三維坐標(biāo)驗(yàn)證本方案測(cè)量精度。
模擬測(cè)量結(jié)果
六相機(jī)測(cè)頭與2個(gè)XTDIC-STROBE系統(tǒng)同步采集圖像；最后進(jìn)行全場(chǎng)變形解算，得到機(jī)翼的全場(chǎng)位移變形結(jié)果。
將測(cè)得4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)與XTDIC-STROBE系統(tǒng)測(cè)到的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析差值的平均絕對(duì)值，得到機(jī)翼全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)的精度，位移測(cè)量誤差小于0.21mm/2m。
不同拍攝狀態(tài)下的機(jī)翼變形三維位移場(chǎng)色譜云圖如圖所示：
五、分析結(jié)論
提出了一套上單翼飛機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中的機(jī)翼三維全場(chǎng)變形測(cè)量方案，開(kāi)發(fā)了一套專(zhuān)用測(cè)量系統(tǒng)并進(jìn)行了模擬測(cè)量，使用新拓三維XTDIC-STROBE三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了同步測(cè)量和精度對(duì)比，誤差結(jié)果使用圖表的形式進(jìn)行分析。
１）試驗(yàn)機(jī)翼位移測(cè)量誤差小于0.21mm/2m。
２）模擬測(cè)量結(jié)果證明，采用所述DIC測(cè)量方案是有效、可行的。
本研究為飛行過(guò)程中上單翼飛機(jī)機(jī)翼變形的 實(shí)際工程測(cè)量提供了參考價(jià)值。
案例摘自：【魏斌，梁晉，任茂棟，西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大型上單翼飛機(jī)機(jī)翼三維全場(chǎng)變形測(cè)量方案】