飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统技术方案

本发明专利技术涉及飞行器安全监测领域。一种飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，其特征在于，包括：安装在飞机舷窗内侧的CCD相机群；光源系统，为安装在飞机舷窗内侧的探测光源，以及安装在翼梢小翼内侧的辅助光源；在机翼表面设置标志若干个，形成三维重构的空间位置参考；安装在飞机内部的延时脉冲发生器；计算机；延时脉冲发生器连接所述CCD相机群并发出脉冲控制信号，使得CCD相机群能同步拍摄；所述计算机与所述CCD相机、延时脉冲发生器和光源系统连接，用于控制光源的开关、延时脉冲发生器的运行，以及完成相机群拍摄后图片的储存工作，并对后续图片进行处理、三维冰型模型进行重构。

【技术实现步骤摘要】
飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统
本专利技术涉及飞行器安全监测领域。
技术介绍
飞机结冰是指飞机飞行过程中机体上某些部件上凝聚冰层的现象。虽然现今飞机的巡航高度都已经高于容易发生结冰现象的高度，但在起飞、爬升、盘旋和降落时，仍然可能遇到比较严重的结冰事故。飞机结冰被航空界认定为影响飞机飞行的六大气象因素之一。结冰会从多方面威胁飞机的安全。机翼前缘结冰，会增加飞机的重量，改变飞机的空气动力外形，最重要的是由于空气动力外形的改变，引起飞机升力减小，阻力增大。结冰还会导致螺旋桨桨叶重量的不平衡，汽化器进气管的封闭，起落架的收放困难，无线电失去作用，还会断绝油料来源，冻结油门。最近现有技术：目前采用单个或两个相机对结冰外形进行拍摄，获取结冰的二维轮廓，得到结冰的厚度，以此预测结冰对飞机安全的危害性。但是，现有的技术不能够获得结冰的三维信息，也无法解决结冰的透明性问题，因此，提供的结冰信息十分有限。采用机器视觉可代替人眼来做测量和判断，时下机器视觉被广泛应用在医学、工业、农业、交通等诸多领域。通常，机器视觉涉及图像采集、相机标定、特征点提取及匹配、三维重建等工作。但采用机器视觉来研究飞机上结冰状态是极具挑战性的。根本难点在于，由于冰的透明性和强反射性始终会带来拍摄图片不完整，得不到完整的拍摄图片意味着信息缺失，从而后续的检测过程无从做起。止于此，从未有人尝试将机器视觉技术应用于飞机机翼上结冰的实时检测。
技术实现思路
本专利技术的目的：首次公开飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，通过在飞机舷窗内侧设置CCD相机群，构建特有的光源系统，并结合软件上的改进，完全克服结冰透明性的影响。上述目的通过如下技术方案来实现：一种飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，其特征在于，包括：安装在飞机舷窗内侧的CCD相机群；光源系统，为安装在飞机舷窗内侧的探测光源，以及安装在翼梢小翼内侧的辅助光源；在机翼表面设置标志若干个，形成三维重构的空间位置参考；安装在飞机内部的延时脉冲发生器；计算机；延时脉冲发生器连接所述CCD相机群并发出脉冲控制信号，使得CCD相机群能同步拍摄；所述计算机与所述CCD相机、延时脉冲发生器和光源系统连接，用于控制光源的开关、延时脉冲发生器的运行，以及完成相机群拍摄后图片的储存工作，并对后续图片处理、三维冰型模型重构。进一步公开，所述CCD相机群，各CCD相机单体布设于各个飞机舷窗内侧，每个CCD相机根据物距确定其焦距(属于常规技术)。本专利技术通过多目机器视觉技术对飞机机翼上结冰三维冰型进行实时检测，通过相机实时拍摄机翼上覆冰的图片，并通过三维建模处理得到机翼上结冰过程的详细三维信息。如此，飞机飞行时机翼在振动情况下进行实时的三维重建及数据获取，记录飞机飞行时每一个时刻的结冰冰型数据，提供飞行安全保障。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的的详细说明。图1是本专利技术方法的结冰测量系统的布置简图图2是单侧光照射效果图图3是本专利技术光源系统的布设及光源效果图图4是光源调试流程图图5相机内外参数的标定流程图图6是修正系数计算方法流程图图7是本专利技术方法的图像处理流程图图8是非平行配置双目视觉成像原理图图9是本专利技术方法的整体流程示意图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明本领域，所述“冰型”是指结冰的结构及形状，往往分布于机翼前缘，见图1所示。在本专利技术实施例中，所有图像均默认进行了预处理，预处理包含图像大小的调整以及彩色图像转换灰度图像处理。实施例1首先根据飞机构造布设相机组、光源系统。然后利用标定板对摆设好的相机进行标定以获取内外参数。进而拍摄结冰图像。进一步处理拍摄图像，计算修正系数，进行特征点提取与匹配，以及三维重建。最后通过三维重建结果获取结冰冰型的厚度以及表面粗糙度信息。以下给出具体的实施过程。S1、在被监测飞机上，在机舱内选择合适位置进行照相机布置，在机舱内外布设好光源系统。首先根据某型号飞机的尺寸、结构以及舷窗的位置确定相机个数以及摆放方式，然后根据摆放方式确定相机焦距，根据焦距选择便于安装且合适的相机。在本专利技术实施例中，选取了四个相机，如图1。相机布置在飞机靠近机翼的舷窗内部一侧。两两相机之间采用会聚式摆放方式。相机焦距合适，分辨率满足要求。选取五个光源，如图1，机舱内在每一个相机的附近布置一个探测光源。探测光源，每个探测灯源置于CCD相机的后方，其方向直射远端机翼处的冰(如图1所示被监测结冰位置)。但由于此处冰晶体透明、外形结构多样，当在常规的单侧光布置条件下，因存在非均匀的折射、反射等错综复杂的物理现象，被摄冰表面反光的程度不均匀，会出现有些局部反光明显，有些局部反光很弱的现象；同时，因光的折射会使冰内部形成视觉深度误差，即冰内部的一些特征产生错位，造成视觉误差。如此，引起两大问题：a、结冰轮廓不清晰,后期图像处理根本无法进行。b、前后视觉深度有误差，识别噪声后，后期3D重构时必然引起结构失真。由此，所摄图像质量完全不能进行后期的边缘检测、特征点提取。如图2所示，当单侧光照射时，冰由于其光学特性导致相机视野内外部轮廓不明显或缺失。为了克服此技术难题，本专利技术创造性的构建光源系统，包括探测光源和辅助光源。所述辅助光源，设置于探测光源的相对侧，在机翼的翼梢小翼处布置一个辅助光源。需要说明的是，机翼的翼梢小翼处本来就存在现有的光源，所以本专利技术选择在机翼的翼梢小翼处布置辅助光源是可实现的。本专利技术光源系统，包括安装在飞机舷窗内侧的探测光源，以及安装在翼梢小翼内侧的辅助光源，另外，创造性的在被测冰周围设置反射板(实施例中，选择机翼处区域表面充当反射板，如图3)，供辅助光源投射光束至反射板上形成为圆形光斑；结冰整体处于所述光斑内,如图3，通过明暗的强烈对比使外部轮廓更明显；同时，该反射的光线穿过冰，在冰的内部产生折射，通过调整辅助光源的入射角度，提供一个反向误差，和单侧光照射产生的误差相抵消。通过调整辅助光源的入射角度，提供一个反向误差，光源的角度和强度经过校验，保证相机拍照质量符合要求。如图4所示，光源调试流程为：S1.1，首先确定相机个数、探测光源个数。S1.2,预设和调整探测光源、辅助光源的强度和角度。S1.3，拍摄结冰，得到结冰图像。S1.4，将彩图灰度化。S1.5，偏转选择机翼不同部位视为反射板，使得结冰置于放射光斑内，同时通过调整辅助光源的入射角度，使反向误差效果最佳，当相机和光源的位置确定时，会得到一个结冰图像的灰度值比值，取灰度值比值最大值，即相机及光源的最佳位置。以此来确定探测光源、辅助光源的强度及角度值；否则继续S1.2调整步骤。S1.6，固定探测光源、辅助光源的强度及角度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，其特征在于，包括：/n安装在飞机舷窗内侧的CCD相机群；/n光源系统，为安装在飞机舷窗内侧的探测光源，以及安装在翼梢小翼内侧的辅助光源；/n在机翼表面设置标志若干个，形成三维重构的空间位置参考；/n安装在飞机内部的延时脉冲发生器；/n计算机；/n延时脉冲发生器连接所述CCD相机群并发出脉冲控制信号，使得CCD相机群能同步拍摄；/n所述计算机与所述CCD相机、延时脉冲发生器和光源系统连接，用于控制光源的开关、延时脉冲发生器的运行，以及完成相机群拍摄后图片的储存工作，并对后续图片进行处理、三维冰型模型进行重构。/n

【技术特征摘要】
1.一种飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，其特征在于，包括：
安装在飞机舷窗内侧的CCD相机群；
光源系统，为安装在飞机舷窗内侧的探测光源，以及安装在翼梢小翼内侧的辅助光源；
在机翼表面设置标志若干个，形成三维重构的空间位置参考；
安装在飞机内部的延时脉冲发生器；
计算机；
延时脉冲发生器连接所述CCD相机群并发出脉冲控制信号，使得CCD相机群能同步拍摄；
所述计算机与所述CCD相机、延时脉冲发生器和光源系统连接，用于控制光源的开关、延时脉冲发生器的运行，以及完成相机群拍摄后图片的储存工作，并对后续图片进行处理、三维冰型模型进行重构。


2.如权利要求1所述的飞机机翼表面上结冰三维冰型的实时获取系统，其特征在于，构建光源系统，包括探测光源、辅助光源和反射板；
所述探测光源安装在飞机舷窗内侧；所述辅助光源，设置于探测光源的相对侧，在机翼的翼梢小翼处布置一个辅助光源；
在被测冰周围设置反射板供辅助光源投射光束至反射板上形成为圆形光斑；结冰整体处于所述光斑内，通过明暗的强烈对比使外部轮廓更明显；同时，该反射的光线穿过冰，在冰的内部产生折射，通过调整辅助光源的入射角度，提供一个反向误差。...

【专利技术属性】
技术研发人员：金哲岩，郑诚毅，黎先平，赵宾宾，东乔天，
申请(专利权)人：同济大学，中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31