CN116091488B - 一种发动机摇摆试验的位移测试方法及位移测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机摇摆试验的位移测试方法及位移测试系统，涉及结构试验技术领域，以简化现有的发动机摇摆试验的测试过程，且在节约人力成本和时间成本的同时，提高测试精确度。所述方法包括：对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，确定对应的目标区域；基于实时获取的待测发动机结构的摇摆图像，确定在目标区域中的预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点对应的空间坐标；基于每个预设标记点的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构处于摇摆状态时相对于待测发动机结构处于零位状态时的位移。

Description

一种发动机摇摆试验的位移测试方法及位移测试系统

技术领域

本发明涉及结构试验技术领域，尤其涉及一种发动机摇摆试验的位移测试方法及位移测试系统。

背景技术

液体火箭发动机摇摆试验是考核摇摆装置的补偿能力和测试摇摆力矩的重要手段。在发动机摇摆的过程中，氧化剂与燃料入口管的空间位移也是重要的设计参数。

目前通常采用激光位移传感器，来测量入口管的位移。但这种接触式测试方法需要在发动机的周围设置一个固定的参考位置，且每次只能测量单点单方向的位移，若要测试发动机某位置处的三维空间位移，则需要布置至少三台激光位移传感器，现场布置繁琐，会耗费更多的人力成本和时间成本。此外，发动机表面多为弧面，发动机在摇摆的过程中激光测点会发生偏移，从而引入测试误差，影响摇摆试验的精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机摇摆试验的位移测试方法及位移测试系统，用于简化现有的发动机摇摆试验的测试过程，且在节约人力成本和时间成本的同时，提高测试精确度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种发动机摇摆试验的位移测试方法，位移测试方法包括：

对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域，其中，待测发动机结构上设置有多个预设标记点；

基于实时获取的待测发动机结构的摇摆图像，确定在目标区域中的预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；

基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点对应的空间坐标；

基于每个预设标记点的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构处于摇摆状态时相对于待测发动机结构处于零位状态时的位移。

与现有技术相比，本发明提供的发动机摇摆试验的位移测试方法中，在待测发动机结构表面粘贴多个预设标记点后，通过对获取的待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，从而确定以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域；在实时获取的待测发动机结构的摇摆图像中，可以仅在目标区域对预设标记点进行识别，进而能够提高对摇摆图像的识别效率，以确定预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标。而在确定预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标后，可以通过亚像素边缘检测精确能够提取椭圆中心坐标，其位移监测精度达到0.1mm，提高了摇摆试验的精确度。之后，基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，确定每个预设标记点对应的空间坐标，在确定每个预设标记点对应的空间坐标后，将摇摆图像中预设标记点对应的空间坐标与未摇摆图像中预设标记点对应的空间坐标进行分析，即可确定待测发动机结构的位移参数，以完成待测发动机结构的摇摆试验。基于此，本发明中，能够通过每个预设标记点的位移参数，观测到待测发动机机构在摇摆状态时的结构位移，相较于现有技术中通过增加激光位移传感器来增加测点，本申请仅通过增加或者减少预设标记点的个数，就可以轻松改变测点数量而不会显著增加工作量，能够缩短摇摆试验的时间。

此外，由于本申请中无需激光位移传感器就能够对待测发动机结构进行摇摆试验，也即无需在发动机结构周围寻找激光位移传感器的固定点，以及对激光位移传感器进行安装和布线，极大地简化了摇摆试验的过程，提高了摇摆试验的效率，在一定程度上节约了人力成本和时间成本。

第二方面，本发明还提供一种发动机摇摆试验的位移测试系统，使用上述第一方面技术方案所述的发动机摇摆试验位移测试方法，所述位移测试系统，包括：

待测发动机结构、伺服机构、补光装置、两个图像获取装置以及控制装置，其中：

伺服机构安装在待测发动机结构上，控制装置与图像获取装置连接；两个图像获取装置靠近待测发动机结构间隔设置，待测发动机结构上的多个预设标记点完全位于图像获取装置的视野内；补光装置靠近两个图像获取装置设置，用于对待测发动机结构上的预设标记点进行补光；

控制装置用于，对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域，其中，待测发动机结构上设置有多个预设标记点；

控制装置还用于，基于实时获取的待测发动机结构的摇摆图像，确定在目标区域中的预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

控制装置还用于，基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；

控制装置还用于，基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点对应的空间坐标；

控制装置还用于，基于每个预设标记点的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构处于摇摆状态时相对于待测发动机结构处于零位状态时的位移。

与现有技术相比，本发明提供的发动机摇摆试验的位移测试系统的有益效果与上述技术方案所述的发动机摇摆试验的位移测试方法的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的位移测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种位移测量方法流程图；

图3为本发明实施例中提供的另一种位移测量方法流程图；

图4为本发明实施例中提供的位移测量系统的工作流程图；

图5为本发明实施例中提供的第一相机的预设标记点的识别示意图；

图6为本发明实施例中提供的第二相机的预设标记点的识别示意图；

图7为本发明实施例提供的待测发动机结构的实时摇摆曲线。

附图标记：

101-待测发动机结构， 102-伺服机构；

103-补光装置， 104-图像获取装置；

1041-第一相机， 1042-第二相机；

105-预设标记点， 106-控制装置。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

液体火箭发动机摇摆试验是考核摇摆装置的补偿能力和测试摇摆力矩的重要手段。在发动机摇摆的过程中，氧化剂与燃料入口管的空间位移也是重要的设计参数。

目前通常采用激光位移传感器，来测量入口管的位移。但在实际应用中，当采用这种接触式测量方式时，需要在发动机的周围设置一个固定的参考位置，用于安装激光位移传感器，且一台激光位移传感器只能测定单点单方向的位移，若要测试发动机某位置处的三维空间位移，则需要布置至少三台激光位移传感器，试验现场的布置较为繁琐，且会耗费更多的人力成本和时间成本。

此外，发动机结构的表面多为弧面，在发动机摇摆的过程中，激光测点会发生偏移，引入测试误差，从而影响摇摆试验的精确度。

鉴于此，为了解决上述技术问题，如图1所示，本发明实施例提供一种发动机摇摆试验的位移测试系统，所述位移测试系统包括：待测发动机结构101、伺服机构102、补光装置103、两个图像获取装置104以及控制装置106。

伺服机构102安装在待测发动机结构101上，控制装置106与图像获取装置104连接；两个图像获取装置104靠近待测发动机结构101间隔设置，待测发动机结构101上的多个预设标记点105完全位于图像获取装置104的视野内；补光装置103靠近两个图像获取装置104设置，用于对待测发动机结构101上的预设标记点105进行补光；

控制装置106用于，对待测发动机结构101的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点105为中心确定对应的目标区域，其中，待测发动机结构101上设置有多个预设标记点105；

控制装置106还用于，基于实时获取的待测发动机结构101的摇摆图像，确定在目标区域中的预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标；

控制装置106还用于，基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；

控制装置106还用于，基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点105对应的空间坐标；

控制装置106还用于，基于每个预设标记点105的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构101处于摇摆状态时相对于待测发动机结构101处于零位状态时的位移。

在本申请中，上述补光装置103可以为补光灯，控制装置106可以为安装了图像处理软件的计算机，两个图像获取装置104可以是两台高清相机，例如相机的型号可以是AVT1800U-1620，分辨率为5328×3040。相机镜头采用V5028-MPY 50mm定焦镜头，高清相机可以通过USB3.0接口与计算机连接，本发明实施例对此不做具体限定。

具体实施时，可以将伺服机构102安装在待测发动机结构101上，用于精确控制待测发动机结构101的摇摆。通过在待测发动机结构101的表面粘贴多个预设标记点105，将两台高清相机设置在待测发动机结构101的周围，同时调整相机的曝光时间，以使各个预设标记点105在结构图像中清晰显现，调整两台高清相机的位置和方向，令相机视野能够覆盖待测发动机结构101上的多个预设标记点105所在的区域。之后，可以调整相机的焦距，使得待测发动机结构101能够在相机上清晰成像。进一步的，计算机通过USB3.0接口与高清相机通信连接，以对高清相机拍摄的未摇摆图像以及摇摆图像进行处理。在本申请中，补光灯可以设置在如图1所示的位置，即位于两个相机之间，对待测发动机结构101上的多个预设标记点105进行补光。但应理解，补光灯也可以设置在其他方便补光的位置，本发明实施例对此不做具体限定。当打开补光灯对多个预设标记点105进行补光后，还需要同步调整相机的曝光时间，以增强各个预设标记点105的对比度，使其更加清晰。在实际中，预设标记点105可以采用反光区域直径为20mm的圆形标记点，对此，本发明实施例不做具体限定。

采用上述技术方案的情况下，在待测发动机结构101表面粘贴多个预设标记点105后，控制装置106可以通过对获取的待测发动机结构101的未摇摆图像进行分割处理，从而确定以每个预设标记点105为中心确定对应的目标区域；控制装置106还能够在实时获取的待测发动机结构101的摇摆图像中，可以仅在目标区域对预设标记点105进行识别，进而能够提高对摇摆图像的识别效率，以确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。而在确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标后，可以通过亚像素边缘检测能够精确提取椭圆中心坐标，其位移监测精度达到0.1mm，提高了摇摆试验的精确度。之后，基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，控制装置106能够确定每个预设标记点105对应的空间坐标，在确定每个预设标记点105对应的空间坐标后，将摇摆图像中预设标记点105对应的空间坐标与未摇摆图像中预设标记点105对应的空间坐标进行分析，即可确定待测发动机结构101的位移参数，以完成待测发动机结构101的摇摆试验。基于此，本发明实施例中，能够通过每个预设标记点105的位移参数，观测到待测发动机机构在摇摆状态时的结构位移，相较于现有技术中通过增加激光位移传感器来增加测点，本申请仅通过增加或者减少预设标记点105的个数，就可以轻松改变测点数量而不会显著增加工作量，能够缩短摇摆试验的时间。

此外，由于本申请中无需激光位移传感器就能够对待测发动机结构101进行摇摆试验，也即无需在发动机结构周围寻找激光位移传感器的固定点，以及对激光位移传感器进行安装和布线，极大地简化了摇摆试验的过程，提高了摇摆试验的效率，在一定程度上节约了人力成本和时间成本。并且，相较于传统的激光位移传感器，高清相机的硬件成本较其它位移测试仪器更低。

请参阅图2，本申请还提供一种发动机静力试验的位移测试方法，所述位移测试方法包括：

步骤101：对待测发动机结构101的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点105为中心确定对应的目标区域，其中，待测发动机结构101上设置有多个预设标记点105。

应注意，在本申请中，待测发动机结构101的未摇摆图像包括两个图像获取装置104拍摄的一组图像。当待测发动机结构101处于未摇摆状态时，即待测发动机处于零位状态，两个图像获取装置104对待测发动机结构101进行拍摄，以获取待测发动机结构101在零位状态时的一组未摇摆图像。

步骤102：基于实时获取的待测发动机结构101的摇摆图像，确定在目标区域中的预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。

可以理解的是，在实时获取待测发动机结构101的摇摆图像后，可以在上一步确定的目标区域中，快速确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标，从而进一步提高对多个预设标记点105的识别效率，减少确定椭圆亚像素级边缘坐标的算法时长，提高算法效率，以减少摇摆试验的时间成本。

步骤103：基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标。

具体的，在确定椭圆亚像素级边缘坐标后，通过亚像素边缘检测，能够精确提取椭圆中心坐标，使得摇摆试验的位移监测精度达到0.1mm，进而提高摇摆试验的精确度。

步骤104：基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点105对应的空间坐标。

在实际中，通过对两个图像获取装置104进行标定，可以确定空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，并将空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系预存在上述实施例的控制装置106中，继而结合上一步确定的椭圆中心坐标，计算出每个预设标记点105对应的空间坐标。

步骤105：基于每个预设标记点105的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构101处于摇摆状态时相对于待测发动机结构101处于零位状态时的位移。

本申请中，通过确定每个预设标记点105的空间坐标，即可确定每个预设标记点105的空间位移，从而确定待测发动机结构101在摇摆状态时相对于零位状态时的位移参数，实现了对于待测发动机结构101的摇摆试验的实时监测。

通过上述实施例中提供的发动机摇摆试验的位移测试方法可知，在待测发动机结构101表面粘贴多个预设标记点105后，通过对获取的待测发动机结构101的未摇摆图像进行分割处理，从而确定以每个预设标记点105为中心确定对应的目标区域；在实时获取的待测发动机结构101的摇摆图像中，可以仅在目标区域对预设标记点105进行识别，进而能够提高对摇摆图像的识别效率，以确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。而在确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标后，可以通过亚像素边缘检测精确能够提取椭圆中心坐标，其位移监测精度达到0.1mm，可以提高摇摆试验的精确度。之后，基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，确定每个预设标记点105对应的空间坐标，在确定每个预设标记点105对应的空间坐标后，将摇摆图像中预设标记点105对应的空间坐标与未摇摆图像中预设标记点105对应的空间坐标进行分析，即可确定待测发动机结构101的位移参数，以完成待测发动机结构101的摇摆试验。基于此，本发明实施例中，能够通过每个预设标记点105的位移参数，观测到待测发动机机构在摇摆状态时的结构位移，相较于现有技术中通过增加激光位移传感器来增加测点，本申请仅通过增加或者减少预设标记点105的个数，就可以轻松改变测点数量而不会显著增加工作量，能够缩短摇摆试验的时间。

此外，由于本申请中无需激光位移传感器就能够对待测发动机结构101进行摇摆试验，也即无需在发动机结构周围寻找激光位移传感器的固定点，以及对激光位移传感器进行安装和布线，极大地简化了摇摆试验的过程，提高了摇摆试验的效率，在一定程度上节约了人力成本和时间成本。

本申请实施例还提供另一种发动机摇摆试验的位移测试方法，如图3所示，所述位移测试方法包括：

步骤201：分别确定两个图像获取装置104对应的参数矩阵，以及两个图像获取装置104之间的旋转矩阵和平移矩阵。

步骤202：基于参数矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，建立空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系。

在实际应用中，可以采用棋盘格图案标定板对两个图像获取装置104进行标定，以实现椭圆中心坐标到空间坐标系的变换。例如，利用300mm*300mm的棋盘格标定板对两个图像获取装置104进行标定。拍摄多组棋盘格标定板在不同角度和不同空间位置的图像，例如拍摄8组~20组图像，利用Matlab双目相机标定工具箱对这些图像组进行处理，获得相机的内参矩阵，并且根据两个相机拍摄的图像组之间的匹配关系，获得两个相机之间的外参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵。

之后，可以基于内参矩阵、外参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵，确定空间坐标系与椭圆中心坐标之间的转换关系。

步骤203：对待测发动机结构101的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点105为中心确定对应的目标区域，其中，待测发动机结构101上设置有多个预设标记点105。

具体的，可以获取待测发动机结构101的未摇摆图像，对未摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到第一二值化图像，确定第一二值化图像的多个连通区域，确定多个连通区域的圆度特征参数中和第一圆度特征参数匹配的连通区域为第一目标区域，以每个第一目标区域的重心为中心，预设倍数的等效直径为边长，划分形状为正方形的多个目标区域。

在本申请中，对第一圆度特征参数的具体数值不作限定，可以根据实际应用场景做具体设定。

具体实施时，两个图像获取装置104拍摄待测发动机结构101处于零位状态的未摇摆图像，之后将未摇摆图像发送至与图像获取装置104通信连接的控制装置106，控制装置106对未摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到处理后的第一二值化图像。对各个连通区域进行计算，提取各个连通区域的轮廓，之后按照圆度特征参数，确定圆度大于或者等于0.85的连通区域为第一目标区域，此时第一圆度特征参数为圆度特征大于或者等于0.85。以每个第一目标区域的重心作为重心，按照连通区域的等效直径的预设倍数为边长（例如，等效直径的1.5倍为边长），划分形状为正方形的多个目标区域，等效直径的计算方式如下所示：

，

其中，d表示等效直径，S表示连通区域的面积。

应注意，由于图像获取装置104为两个，包括第一相机1041和第二相机1042。因此获取的零位状态的未摇摆图像应该为第一相机1041和第二相机1042拍摄的一组图像。在确定目标区域后，将第一相机1041拍摄的第一图像以及第二相机1042拍摄的第二图像分别按照连通区域的重心距离图像左上角的像素距离进行编号，将第一图像以及第二图像对应的预设标记点105进行匹配，确定第一相机1041拍摄的第一图像和第二相机1042拍摄的第二图像之间各个预设标记点105的匹配关系，可以对第一相机1041和第二相机1042标定后的外参矩阵进行修正，从而避免由于相机安装位置偏差导致的测量误差。

步骤204：获取待测发动机结构101的摇摆图像；在目标区域内对摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到第二二值化图像。

具体的，两个图像获取装置104拍摄待测发动机结构101处于摇摆状态的摇摆图像，之后将摇摆图像发送至与图像获取装置104通信连接的控制装置106，控制装置106对摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到处理后的第二二值化图像。

步骤205：确定第二二值化图像的多个连通区域。

具体的，可以对各个连通区域进行计算，提取各个连通区域的轮廓。

步骤206：将多个连通区域的圆度特征参数中和第二圆度特征参数匹配的连通区域按面积进行排序处理，确定面积最大的连通区域为预设标记点105对应的标记点二值化图像。

其中，本申请对第二圆度特征参数的具体数值不作限定，可以根据实际应用场景做具体设定。

按照圆度特征参数，将圆度大于或者等于0.75的连通区域确认为子目标区域，此时第二圆度特征参数为圆度特征大于或者等于0.75，之后将子目标区域按照面积进行排序处理，确定子目标区域中面积最大的连通区域为预设标记点105对应的标记点二值化图像。

应理解，上述操作应该在目标区域中进行，在各个目标区域中，连通区域有可能不止一个，只有圆度大于或者等于0.75，且在当前目标区域中面积最大的子目标区域才可以为预设标记点105对应的标记点二值化图像。

步骤207：基于标记点二值化图像，确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。

在本申请中，上述步骤207的具体实现过程可以包括以下子步骤：

子步骤A1：对标记点二值化图像进行形态学膨胀处理，得到形态学膨胀结果。

子步骤A2：基于目标区域内的索贝尔边缘检测结果与形态学膨胀结果，确定每个目标区域内预设标记点105的椭圆像素级边缘坐标。

子步骤A3：基于椭圆像素级边缘坐标，确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。

具体实施时，将步骤206中确定的标记点二值化图像进行形态学膨胀处理，得到形态学膨胀结果，之后可以将形态学膨胀结果与目标区域内的索贝尔边缘检测结果求交，得到各个目标区域内预设标记点105的椭圆像素级边缘坐标

，之后利用亚像素边缘检测，结合椭圆像素级边缘坐标/>

，确定椭圆亚像素级边缘坐标/>

。且实时分析仅在目标区域内进行图像处理，采用索贝尔边缘检测算法可以大幅度提高检测效率。

具体的，子步骤A3的具体实现可以包括以下子步骤：

子步骤B1：利用索贝尔算子确定椭圆像素级边缘坐标对应的像素点的梯度方向。

在本申请中，可以利用索贝尔算子确定摇摆图像在宽度方向的梯度值和高度方向的梯度值，进一步的，基于宽度方向的梯度值和高度方向的梯度值，确定像素点的梯度方向。

具体的，可以利用索贝尔算子计算摇摆图像在宽度方向的梯度值dx和高度方向的梯度值dy，基于宽度方向的梯度值dx和高度方向的梯度值dy，计算梯度方向θ：

。

子步骤B2：以像素点为中心，沿梯度方向两边分别扩大预设个数的像素点，得到目标像素点集合。

其中，预设个数的像素点可以是2个，还可以是3个等，本申请实施例对此不作具体限定。

例如，以当前像素点

为中心，沿梯度方向的两边分别扩大2个像素点，得到包括当前像素点在内的5个像素点的目标像素点集合。

子步骤B3：利用双线性差值确定目标像素点集合的梯度值。

例如，在获得目标像素点集合后，可以利用双线性差值算法计算这5个像素点的梯度值。

子步骤B4：基于目标像素点集合的梯度值，确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。

具体的，可以基于目标像素点集合的梯度值，以目标像素点集合中每个点的坐标为自变量，目标像素点集合的梯度值为函数值，进行二次曲线插值计算，确定目标像素点集合对应的抛物线的顶点横坐标；基于顶点横坐标确定预设标记点105的椭圆亚像素级边缘坐标。

例如，以目标像素点集合中的5个像素点，以坐标-2、-1、0、1、2为自变量，目标像素点集合的梯度值为函数值，进行二次曲线插值计算，确定目标像素点集合对应的抛物线的顶点横坐标

；根据顶点横坐标/>

，计算椭圆亚像素边缘点/>

的坐标，计算公式如下：

由上可知，在确定梯度方向θ、抛物线的顶点横坐标

以后，就可以根据椭圆像素级边缘坐标确定椭圆亚像素边缘坐标。

步骤208：基于椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标。

示例性的，可以基于椭圆亚像素级边缘坐标，采用最小二乘拟合法确定平面椭圆方程中的多个拟合系数，基于多个拟合系数与椭圆中心坐标的对应关系，确定平面椭圆方程的中心坐标。

具体的，在每个目标区域内，利用上一步确定的椭圆亚像素级边缘坐标，采用最小二乘拟合法求取平面椭圆方程

的拟合系数A、B、C、D和E，进而确定椭圆的中心坐标/>

，椭圆的中心坐标和拟合系数A、B、C、D和E的对应关系如下所示：

可以理解的是，在实际应用中，当获取待测发动机结构101的摇摆图像时，为了保证测量的精确度，两个图像获取装置104可以处于连拍模式，在确定上一帧中预设标记点105对应的中心坐标后，当前帧可以以上一帧确定的中心坐标对目标区域进行更新，以进一步缩小目标区域的范围，从而提高对预设标记点105的识别速率，进一步增强本申请的实时性。

步骤209：基于预存的空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，结合椭圆中心坐标确定预设标记点105对应的空间坐标。

在实际中，通过对两个图像获取装置104进行标定，确定空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系，并将空间坐标系与椭圆中心坐标之间的对应关系预存在上述实施例的控制装置106中，继而结合上一步确定的椭圆中心坐标，计算出每个预设标记点105对应的空间坐标。

步骤210：基于每个预设标记点105的空间坐标，确定位移参数，位移参数为待测发动机结构101处于摇摆状态时相对于待测发动机结构101处于零位状态时的位移。

本申请中，通过确定每个预设标记点105的空间坐标，即可确定每个预设标记点105的空间位移，从而确定待测发动机结构101在摇摆状态时相对于零位状态时的位移参数，实现了对于待测发动机结构101的摇摆试验的实时监测。

下面将结合图1、图4~图6，详细说明本发明提供的发动机静力试验的位移测试系统的具体实施过程。

第一步进行位移测试系统的搭建。首先，将伺服机构102安装在待测发动机结构101上。之后，在待测发动机结构101周围布置第一相机1041和第二相机1042以及补光灯，调整两台相机的位置和方向，使得两台相机的视野覆盖待测发动机结构101的主要观测区域。调整焦距，使得待测发动机结构101在相机中成像清晰。在待测发动机结构101的表面主要观测区域粘贴多个高反光圆形标记点作为预设标记点105（例如，粘贴5个高反光圆形标记点），打开补光灯对预设标记点105进行补光，调整相机的曝光时间，使得各预设标记点105更加清晰。

第二步进行双目相机标定，实现椭圆中心坐标到空间坐标系的变换。采用棋盘格图案标定板，拍摄多组棋盘格图案标定板不同角度和不同空间位置的图像，将拍摄的图像导入Matlab双目相机标定工具箱，获得相机内参矩阵、旋转矩阵和平移矩阵。

第三步进行采集未摇摆图像，作为参考图像。利用控制装置106控制两台相机拍摄待测发动机结构101的一组图像，将采集到的未摇摆图像传递至控制装置106。控制装置106对第一相机1041和第二相机1042拍摄的图像进行大津阈值分割处理，将目标图像二值化，获得第一二值化图像，计算图像中的连通区域，将圆度大于或者等于0.85的连通区域作为第一目标区域，以其重心为中心，按照1.5倍的等效直径划分正方形的目标区域，之后按照每个目标区域的重心距离图像左上角的像素距离进行编号，将第一相机1041拍摄的图像与第二相机1042拍摄的图像中对应的预设标记点105进行匹配。例如，第一相机1041拍摄的图像中共有1、2…L个连通区域，第二相机1042拍摄的图像中共有1、2…R个连通区域，将第一相机1041和第二相机1042中对应的预设标记点105匹配，共得到N个标记点对，其中N≤L且N≤R。根据匹配关系，更新相机标定的外参矩阵参数。

第四步进行采集摇摆图像，利用控制装置106控制两台相机拍摄待测发动机结构101的一组图像，将采集到的摇摆图像传递至控制装置106。控制装置106对第一相机1041和第二相机1042拍摄的到的图像进行大津阈值分割处理，将目标图像二值化，获得第二二值化图像，计算图像中的连通区域，在目标区域中，将圆度大于或者等于0.75的连通区域按照面积进行排序，确定面积最大的连通区域为预设标记点105对应的标记点二值化图像，对标记点二值化图像进行形态学膨胀处理，得到形态学膨胀结果，将形态学膨胀结果与索贝尔边缘检测结果求交，确定每个目标区域内预设标记点105的椭圆像素级边缘坐标，之后利用亚像素边缘检测，结合椭圆像素级边缘坐标，确定椭圆亚像素级边缘坐标。

第五步利用最小二乘法拟合椭圆，确定每个预设标记点105对应的椭圆中心坐标。在每个目标区域内，利用上一步确定的椭圆亚像素级边缘坐标，采用最小二乘拟合法求取平面椭圆方程的拟合系数，进而确定椭圆的中心坐标。

第六步进行双目立体匹配。对第一相机1041和第二相机1042拍摄的摇摆图像中的椭圆的中心坐标进行匹配。如图5和图6所示，图5为第一相机1041拍摄的摇摆图像中拟合得到的6个椭圆中心点，图6为第二相机1042拍摄的摇摆图像中拟合得到的6个椭圆中心点。

第七步进行实时预设标记点105的位移计算。根据预存的相机的内参矩阵、外参矩阵、旋转矩阵以及平移矩阵，确定各个预设标记点105中性的实时空间坐标。

图7示例出了待测发动机结构101的实时摇摆曲线，横轴表示时间，单位是秒，纵轴表示待测发动机结构101的位移距离，单位是毫米。三条曲线分别表示待测发动机结构101在空间坐标系中沿X方向、Y方向以及Z方向的摇摆曲线。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”（comprising）一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种发动机摇摆试验的位移测试方法，其特征在于，所述位移测试方法包括：

对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域，其中，所述待测发动机结构上设置有多个所述预设标记点；

基于实时获取的所述待测发动机结构的摇摆图像，确定在所述目标区域中的所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

基于所述椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；

基于预存的空间坐标系与所述椭圆中心坐标之间的对应关系，结合所述椭圆中心坐标确定所述预设标记点对应的空间坐标；

基于每个所述预设标记点的空间坐标，确定位移参数，所述位移参数为所述待测发动机结构处于摇摆状态时相对于所述待测发动机结构处于零位状态时的位移；

所述基于实时获取的所述待测发动机结构的摇摆图像，确定在所述目标区域中的所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标，包括，

获取所述待测发动机结构的所述摇摆图像；

在所述目标区域内对所述摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到第二二值化图像；

确定所述第二二值化图像的多个连通区域；

将多个所述连通区域的圆度特征参数中和第二圆度特征参数匹配的连通区域按面积进行排序处理，确定面积最大的所述连通区域为所述预设标记点对应的标记点二值化图像；

基于所述标记点二值化图像，确定所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

基于所述标记点二值化图像，确定所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标，包括：

对所述标记点二值化图像进行形态学膨胀处理，得到形态学膨胀结果；

基于所述目标区域内的索贝尔边缘检测结果与所述形态学膨胀结果，确定每个所述目标区域内所述预设标记点的椭圆像素级边缘坐标；

基于所述椭圆像素级边缘坐标，确定所述预设标记点的所述椭圆亚像素级边缘坐标；

所述基于所述椭圆像素级边缘坐标，确定所述预设标记点的所述椭圆亚像素级边缘坐标，包括：

利用索贝尔算子确定所述椭圆像素级边缘坐标对应的像素点的梯度方向；

以所述像素点为中心，沿所述梯度方向两边分别扩大预设个数的像素点，得到目标像素点集合；

利用双线性差值确定所述目标像素点集合的梯度值；

基于所述目标像素点集合的梯度值，确定所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

所述利用索贝尔算子确定所述椭圆像素级边缘坐标对应的像素点的梯度方向，包括：

利用所述索贝尔算子确定所述摇摆图像在宽度方向的梯度值和高度方向的梯度值；

基于所述宽度方向的梯度值和所述高度方向的梯度值，确定所述像素点的梯度方向；

所述基于所述目标像素点集合的梯度值，确定所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标，包括：

基于所述目标像素点集合的梯度值，以所述目标像素点集合中每个点的坐标为自变量，所述目标像素点集合的梯度值为函数值，进行二次曲线插值计算，确定所述目标像素点集合对应的抛物线的顶点横坐标；

基于所述顶点横坐标确定所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标。

2.根据权利要求1所述的发动机摇摆试验的位移测试方法，其特征在于，所述对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域，包括：

获取所述待测发动机结构的所述未摇摆图像；

对所述未摇摆图像进行大津阈值分割处理，得到第一二值化图像；

确定所述第一二值化图像的多个连通区域；

确定多个所述连通区域的圆度特征参数中和第一圆度特征参数匹配的连通区域为第一目标区域；

以每个所述第一目标区域的重心为中心，预设倍数的等效直径为边长，划分形状为正方形的多个所述目标区域。

3.根据权利要求1所述的发动机摇摆试验的位移测试方法，其特征在于，

所述基于所述椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标，包括：

基于所述椭圆亚像素级边缘坐标，采用最小二乘拟合法确定平面椭圆方程中的多个拟合系数；

基于多个所述拟合系数与所述椭圆中心坐标的对应关系，确定所述平面椭圆方程的中心坐标。

4.根据权利要求1所述的发动机摇摆试验的位移测试方法，其特征在于，在所述基于预存的空间坐标系与所述椭圆中心坐标之间的对应关系，结合所述椭圆中心坐标确定所述预设标记点对应的空间坐标之前，所述方法还包括：

分别确定两个图像获取装置对应的参数矩阵，以及两个所述图像获取装置之间的旋转矩阵和平移矩阵；

基于所述参数矩阵、所述旋转矩阵和所述平移矩阵，建立所述空间坐标系与所述椭圆中心坐标之间的对应关系。

5.一种发动机摇摆试验的位移测试系统，使用上述权利要求1~4任一项所述的发动机摇摆试验的位移测试方法，其特征在于，所述位移测试系统包括：待测发动机结构、伺服机构、补光装置、两个图像获取装置以及控制装置，其中：

所述伺服机构安装在所述待测发动机结构上，所述控制装置与所述图像获取装置连接；两个所述图像获取装置靠近所述待测发动机结构间隔设置，所述待测发动机结构上的多个预设标记点完全位于所述图像获取装置的视野内；所述补光装置靠近两个所述图像获取装置设置，用于对所述待测发动机结构上的所述预设标记点进行补光；

所述控制装置用于，对待测发动机结构的未摇摆图像进行分割处理，以每个预设标记点为中心确定对应的目标区域，其中，所述待测发动机结构上设置有多个所述预设标记点；

所述控制装置还用于，基于实时获取的所述待测发动机结构的摇摆图像，确定在所述目标区域中的所述预设标记点的椭圆亚像素级边缘坐标；

所述控制装置还用于，基于所述椭圆亚像素级边缘坐标，确定椭圆中心坐标；

所述控制装置还用于，基于预存的空间坐标系与所述椭圆中心坐标之间的对应关系，结合所述椭圆中心坐标确定所述预设标记点对应的空间坐标；

所述控制装置还用于，基于每个所述预设标记点的空间坐标，确定位移参数，所述位移参数为所述待测发动机结构处于摇摆状态时相对于所述待测发动机结构处于零位状态时的位移。

Images