落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法

1.落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法，步骤如下：
1）在机轮侧面轮轴的中心上设置定位标记；
2）将起落架提升到轮胎恰好接触承力平台，调整高速摄影机，并将镜头对准机轮侧面和所设定位标记；
3）对摄像机进行标定，以便确定轮轴上定位标记运动所处平面的物理坐标系与图像坐标系的关系，进而实现由定位标记的图像坐标值到物理坐标值的变换；
4）对轮胎恰好接触承力平台的状态摄取图像，提取定位标记的图像坐标，再用标定数据将图像坐标值换算为物理坐标值，作为位移测量基准点；
5）保持摄像机状态不变，在落震试验过程中，捕获机轮及定位标记运动过程的高速摄影数字图像；
6）在图像上对定位标记进行跟踪定位，获得其图像坐标值，并利用标定数据将标记的图像坐标换算为物理坐标值，即得到轮轴物理坐标值；
7）用轮轴物理坐标值的垂直分量减去基准点的垂直坐标值，即得到轮轴垂直位移；用轮轴物理坐标值的水平分量减去基准点的水平坐标值，即得到轮轴水平位移；
8）对每一帧图像按步骤6）、步骤7）进行处理，得到每帧对应时刻的轮轴水平位移和轮轴垂直位移，用时间历程曲线图表示；而基准点位置就是位移为0的位置，在曲线图中称为零位基准线；位移时间历程曲线简称位移曲线，它与零位基准线的交点称为曲线过零点；
垂直位移曲线在过零点之后，零位基准线以下部分对应轮胎压缩量，零位基准线以上部分表示轮胎跳离承力平台的高度，即当垂直位移小于0时轮胎压缩量为垂直位移的绝对值，当垂直位移大于或等于0时轮胎压缩量为0；
9）与试验中的其他测量系统采集的数据对齐：先将上述以摄影帧率获取的图像测量轮轴位移数据，按其他测量系统的数据采样率进行重采样，再以位移曲线的第一个过零点为时间参考点，将这两种系统的测量数据在时间上对齐；
该方法的特征在于：
A）定位标记[3]的形状为多圆环形；
B）当轮轴中心无法粘贴定位标记[3]时，通过如下方法获得轮轴中心的坐标 ：
a）在机轮的不转动部位轮轴[2]上相隔较大距离的位置粘贴B定位标记[6]、C定位标记[7]，再在机轮可转动部分[1]粘贴一个A定位标记[5]；
b）保持轮轴以及机轮的不转动部位轮轴[2]静止，即轮轴上的B定位标记[6]、C定位标记[7]静止，同时将机轮可转动部分[1]的A定位标记[5]转动到不同的位置并摄取相应图像；
c）在获取的图像中对机轮可转动部分[1]上的A定位标记[5]、轮轴[2]的B定位标记[6]和C定位标记[7]定位，获得相应中心坐标值，对A定位标记[5]各个位置的坐标作圆拟合，得圆心坐标，即轮轴中心坐标，再求出轮轴[2]中心相对B定位标记[6]和C定位标记[7]中心的偏移矢量；
d）由 B定位标记[6]、C定位标记[7]中心位置和相对偏移矢量确定轮轴[2]中心位置；根据以上方法，用二个标记取代定位标记[3]，并先获得轮轴[2]中心相对此二个标记的偏移矢量，在每一帧图像中对二个标记定位，并结合相对偏移矢量求得轮轴中心的坐标。

落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及图像测量技术，用于测量飞机起落架落震试验中的轮胎压缩量和轮轴位移，特别涉及落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法。\n背景技术\n[0002] 机轮轮胎是保证飞机起降安全的极为重要的部件。在飞机起落架落震试验中，需要测量机轮轮胎压缩量。\n[0003] 落震试验模拟飞机着陆过程，试验时机轮预转动并随起落架从一定高度落下。由于机轮转动惯性的存在，轮胎触地瞬间受到地面摩擦力的猛烈冲击，起落架支柱瞬间弯曲变形，在支柱弹力作用下机轮在水平方向大幅度急剧振动（参见图5），在垂直方向也受到触地冲击。在这种情形下，通常的轮胎压缩量测量装置往往失败或不理想。\n[0004] 对于轮胎压缩量的测量，通常都是经由机械系统连接的，如硬碰平行四边形连杆式测垂向位移法、单杆滑动摇臂式测角度推算垂向位移法、双拉线位移传感器式三角形测轮轴轨迹法等，无不在机轮触地瞬间的猛烈撞击和位移冲击下损坏或不能跟随，这些足以证明接触式测量在此不适用。虽然目前也有非接触式位移传感器，如激光、霍尔元件位移传感器，但因轮胎接触地面后支柱弯曲或摇臂转动，机轮上本来不动的结构也随之转动，同时在水平方向也有较大位移，这就导致无法保持传感器一直处于垂直方向对轮胎压缩量进行测量。还有是通过在轮轴上安装画针，对涂上油墨的铝板画出轮轴轨迹，这不但误差大，而且完全失去了时间信息，相对其他参数的自动测量技术来说显得极其落后。 发明内容\n[0005] 本发明的目的是，克服现有技术不能适应机械冲击和安装困难的缺点，提供一种测量轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法。\n[0006] 本发明的目的通过以下技术方案来实现，落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法，步骤如下：\n[0007] 1）在机轮侧面轮轴上设置定位标记；\n[0008] 2）将起落架提升到轮胎恰好接触承力平台，调整高速摄影机，并将镜头对准机轮侧面和所设标记；\n[0009] 3）对摄像机进行标定，以便确定轮轴上标记点运动所处平面的物理坐标系与图像坐标系的关系，进而可供实现由标记点图像坐标值到物理坐标值的变换；\n[0010] 4）对轮胎恰好接触承力平台的状态摄取图像，提取标记的图像坐标，再用标定数据将图像坐标换算为物理坐标，作为位移测量基准点；\n[0011] 5）保持摄像机状态不变，在落震试验过程中，捕获机轮及标记运动过程的高速摄影数字图像；\n[0012] 6）在图像上对标记进行跟踪定位，获得其图像坐标，并利用标定数据将标记的图像坐标换算为物理坐标，即得到轮轴物理坐标；\n[0013] 7）用轮轴物理坐标的垂直分量减去基准点的垂直坐标值，即得到轮轴垂直位移；\n用轮轴物理坐标的水平分量减去基准点的水平坐标值，即得到轮轴水平位移；\n[0014] 8）对每一帧图像按步骤6）、步骤7）进行处理，得到每帧对应时刻的轮轴水平位移和轮轴垂直位移，可用时间历程曲线图表示；而基准点位置就是位移为0的位置，在曲线图中称为零位基准线；位移时间历程曲线简称位移曲线，它与零位基准线的交点称为曲线过零点；垂直位移曲线在过零点之后，零位基准线以下部分对应轮胎压缩量，零位基准线以上部分表示轮胎跳离承力平台的高度，即当垂直位移小于0时轮胎压缩量为垂直位移的绝对值，当垂直位移大于或等于0时轮胎压缩量为0；\n[0015] 9）与试验中的其他测量系统采集的数据对齐：先将上述以摄影帧率获取的图像测量轮轴位移数据，按目标测量系统的数据采样率进行重采样，再以某个时刻，例如位移曲线的第一个过零点为时间参考点，将这两种系统的测量数据在时间上对齐。\n[0016] 本发明的优点是，以轮轴上设置的标记作为测量对象，由于测量是非接触的，避免了机轮运动对测量装置的冲击以及安装上的困难。\n附图说明\n[0017] 图 1是本发明所作轮轴定位标记示意图。\n[0018] 图 2是本发明轮胎恰好接触承力平台以及轮胎压缩状态示意图。\n[0019] 图 3是本发明多标记轮轴定位示意图。\n[0020] 图 4 是本发明测量的轮轴垂直位移曲线、垂向零位基准线示意图。\n[0021] 图 5 是本发明测量的轮轴水平位移曲线示意图。\n[0022] 图 6 是本发明高速摄像机与机轮相互位置示意图。\n[0023] 图中：1.机轮可转动部分，2.轮轴，3.定位标记，4.承力平台，5.A定位标记，6.B定位标记，7.C定位标记。\n具体实施方式\n[0024] 现结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1、图2、图4、图5和图6，为了叙述方便，若未特别区分，所述轮轴泛指轮轴及其固结的机轮不可转动部分，如果机轮带有刹车盘，因刹车盘也是不转动的，所述轮轴则包括刹车盘。\n[0025] 落震试验轮胎压缩量和轮轴位移的图像测量方法，步骤如下：\n[0026] 1）在机轮侧面轮轴2上，设置定位标记3；\n[0027] 定位标记3的颜色应利于形成高对比度图像，如黑白色；定位标记3的形状应利于通过图像确定点的位置，如圆形、圆环形、多圆环形、对角形、十字形等；定位标记3的设置可以用喷涂或粘贴等方式；\n[0028] 2）将起落架提升到轮胎恰好接触承力平台4，如图2左边所示，调整高速摄影机，并将镜头对准机轮侧面和定位标记3，如图6所示是镜头正对机轮侧面的情形；\n[0029] 3）对摄像机进行标定，以便确定定位标记3运动所处平面的物理坐标系与图像坐标系的关系，进而可供实现由定位标记3图像坐标值到其物理坐标值的变换；\n[0030] 4）对轮胎恰好接触承力平台4的状态，如图2左边示，摄取图像，提取定位标记\n3的图像坐标，再用标定数据将图像坐标换算为物理坐标，作为位移测量基准点（或称零位点）；\n[0031] 5）保持摄像机状态不变，在落震试验过程中，捕获机轮及定位标记3运动过程的高速摄影数字图像；\n[0032] 6）在图像上对定位标记3进行跟踪定位，获得其图像坐标，并利用标定数据将定位标记3的图像坐标换算为物理坐标，即轮轴物理坐标；\n[0033] 7）用轮轴物理坐标的垂直分量减去基准点的垂直坐标值，即得到轮轴垂直位移量；用轮轴物理坐标的水平分量减去基准点的水平坐标值，即得到轮轴水平位移量；\n[0034] 8）对每一帧图像按步骤6）、步骤7）进行处理，得到每帧对应时刻的轮轴垂直位移和轮轴水平位移，如图4、图5所示，位移可用时间历程曲线图表示，而基准点位置就是位移为0的位置，在曲线图中称为零位基准线；位移时间历程曲线简称位移曲线，它与零位基准线的交点称为曲线过零点；垂直位移曲线在过零点之后，零位基准线以下部分对应轮胎压缩量，零位基准线以上部分表示轮胎跳离承力平台4的高度，如图4，即当垂直位移小于0时轮胎压缩量为垂直位移的绝对值，当垂直位移大于或等于0时轮胎压缩量为0，又如图2，其中d表示轮胎压缩量；\n[0035] 9）与试验中的其他测量系统采集的数据对齐：先将上述以摄影帧率获取的图像测量轮轴位移数据，按目标测量系统的数据采样率进行插值、抽样，再以某个时刻，例如位移曲线的第一个过零点为时间参考点，将这两种系统的测量数据在时间上对齐。\n[0036] 为了叙述方便，若未特别区分，所述轮轴泛指轮轴及其固结的机轮不可转动部分，如果机轮带有刹车盘，因刹车盘也是不转动的，所述轮轴则包括刹车盘。\n[0037] 实施例1：\n[0038] 在前述具体实施方式中，摄像机正对轮胎侧面和定位标记3，即摄像机镜头光轴垂直机轮侧面，并尽量靠近轮轴，以便定位标记3的运动平面与摄像机成像平面基本平行，且定位标记3的运动范围处于图像中央部位，如图6；虽然摄像机不正对轮胎侧面也可以进行标定和测量，但正对轮胎侧面更利于提高测量精度。\n[0039] 实施例2：\n[0040] 在前述具体实施方式中，定位标记3的位置，设置在机轮侧面轮轴中心。\n[0041] 实施例3：\n[0042] 在前述具体实施方式中，定位标记3的位置设置在轮轴中心最为理想，当起落架为支柱式起落架，且起落架的支柱弯曲变形的影响可忽略时，可设置在机轮不可转动部分上任何位置，但越靠近轮轴中心越好。\n[0043] 实施例4：\n[0044] 参见图3，在前述具体实施方式中，轮轴中心是理想的测量点位置，当轮轴中心无法粘贴定位标记3时，可通过如下方法获得轮轴中心坐标：\n[0045] 1）在机轮的不转动部位轮轴2（包括刹车盘）上相隔较大距离的位置粘贴B定位标记6、C定位标记7，再在机轮可转动部分1粘贴一个A定位标记5；\n[0046] 2）保持轮轴以及机轮的不转动部位轮轴2静止，即轮轴上的B定位标记6、C定位标记7静止，同时将机轮可转动部分1的A定位标记5转动到不同的位置并摄取相应图像；\n[0047] 3）在获取的图像中对机轮可转动部分1上的A定位标记5、轮轴2的B定位标记6和C定位标记7定位，获得相应中心坐标值，对A定位标记5各个位置的坐标作圆拟合，得圆心坐标，即轮轴中心坐标，再求出轮轴2中心相对B定位标记6和C定位标记7中心的偏移矢量；\n[0048] 4）由于轮轴2中心、B定位标记6、C定位标记7三者是相对固定的，因此反过来可以由B定位标记6、C定位标记7中心位置和相对偏移矢量确定轮轴2中心位置；根据以上方法，用二个标记取代图1中定位标记3，并先获得轮轴2中心相对此二个标记的偏移矢量，在每一帧图像中对二个标记定位，并结合相对偏移矢量求得轮轴中心坐标；其他步骤过程不变。\n[0049] 目前可从很多书刊等公开文献中获得对摄像机标定的方法，但精确标定的过程通常都比较繁杂，在此介绍一种近似的线性摄像机模型方法，可供测量精度要求不高时使用，即在实施例1中，用平面靶标，如通常使用的黑白棋盘格靶标，进行标定:\n[0050] 1）假定平面靶标的厚度相对拍摄距离而言很小，在此忽略不计，将平面靶标背面紧靠在轮轴定位标记3之上，这样就可近似认为靶标正面所在平面就是标记(3)的运动平面；调整靶标角度，使靶标上棋盘格的2个边界分别指向水平向和垂直向，并用作物理坐标系的x轴、y轴，在图像中它们分别与图像坐标系的u轴、v轴平行；\n[0051] 2）摄取靶标棋盘格图像，提取棋盘格的各个角点的图像坐标；提取角点图像坐标的方法，目前也有公开文献可供查阅；\n[0052] 3）棋盘格尺寸是已知的，即每个格子的角点在前述坐标系中的物理坐标是已知的，其中所有角点的z坐标值都为0；\n[0053] 4）对线性摄像机而言，从角点的物理齐次坐标[x, y, z, 1]到图像齐次坐标[u, v, 1]存在一个投影矩阵M，矩阵M有3行4列共12个元素，是未知待定的；通常棋盘格有几十个角点，用这些角点的物理坐标经投影矩阵M变换后的理论值与实际提取的相应角点的图像坐标进行最小二乘拟合，即可得到M中的12个元素的近似值；\n[0054] 5）利用获得的M矩阵的12个元素，靶标平面上的任何一点的物理坐标[x, y]就可以反过来用相应点的图像坐标[u, v]来表示，于是由轮轴定位标记3的图像坐标值可得到其物理坐标值，即完成轮轴位移测量。