一、實驗背景

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

旋翼揮舞運動變形的危害：

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、技術對比和重要性

數字圖像相關（DIC）是一種根據CCD工業(yè)相機記錄的單個圖像或圖像系列計算二維或三維坐標，得出二維或三維的位移、速度和加速度測量結果。通過解讀二維或三維坐標之間的局部位移，計算出應變值和應變率。DIC可測試樣品表面的全場測量數據，局部分辨率很高。

高速數字圖像相關技術（High-Speed Digital Image Correlation, HS-DIC），是一種基于光學成像和計算機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、應變場及運動軌跡。高速數字圖像相關系統(tǒng)在傳感器部件中使用高速相機，可在高動態(tài)事件中測量應變和位移。

高速DIC VS傳統(tǒng)測量技術

高速DIC技術應用的重要性

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

2、分析槳葉剖面的扭轉剛度、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，驅動旋翼結構迭代與飛行控制算法優(yōu)化。

三、方案組成和關鍵指標

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關鍵點的位移、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，基于標記點、特征點的運動測量分析。

高速攝像機：兩臺高速攝像機，超100萬幀的超高速測量，跟蹤精度高達 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藍光冷光源（避免環(huán)境光干擾），均勻照射試樣表面。

XTDIC-SPARK技術關鍵指標：

• 超過百萬幀的超高速測量；
• 跟蹤精度高達0.01px
• 2D /3D坐標、位移、變形、應變、角度、速度、加速度
• 海量目標同時追蹤，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入計算

解決的問題

采用高速數字圖像相關技術（XTDIC-SPARK系統(tǒng)），可精準量化旋翼從啟動到穩(wěn)定轉速的全流程應變場、位移分布與關鍵點運動軌跡，為無人機旋翼設計與優(yōu)化提供數據支撐。

• 動態(tài)變形測量：捕捉高速旋轉下旋翼的動態(tài)變形規(guī)律。
• 設計驗證：通過真實的飛行載荷下復雜氣動干擾的動態(tài)變形分析，對CFD仿真和設計數據進行驗證。
• 產品優(yōu)化：通過高速DIC技術，建立旋翼動態(tài)性能量化數據分析，驅動旋翼結構迭代與飛行控制算法優(yōu)化。

四、實際案例：無人機旋翼飛行受力變形測量

實驗分析場景：

階段1（啟動階段）：捕捉旋翼根部應力集中現象（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）：量化氣動升力導致的翼面彎曲變形。

實際案例：數據和分析

在XTDA軟件創(chuàng)建計算區(qū)域，創(chuàng)建種子點，計算出散斑標記點的三維坐標值，進而解算出應變場、位移場。

旋翼位移結果與關鍵點位移分析曲線

旋翼應變結果與關鍵點最大主應變工程曲線

實際案例：數據分析與結論

無人機旋翼從啟動到穩(wěn)態(tài)過程的變形分析，測試數據可用于優(yōu)化結構設計、材料選擇、動力學優(yōu)化及創(chuàng)新設計。

• 提升旋翼動態(tài)性能分析效率，實現旋翼減重的同時抗彎強度；
• 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；
• 識別高應力區(qū)域，優(yōu)化幾何形狀（如翼型厚度、扭轉角），避免局部過度變形；
• 將變形特性融入控制算法，對旋翼的揮舞運動進行精確測量和補償。