三维数字图像相关（DIC）技术用于飞行器结构件轨迹姿态跟踪

　　在现代飞行器制造与测试中，结构件的动态性能、姿态精度和变形行为是关键指标。尤其是在发动机叶片、机翼结构、复合材料外壳等部件的动态加载试验中，传统接触式测量方法存在响应滞后、易干扰结构变形、无法高速捕捉等问题。

　　为满足飞行器结构件在高速、高温、强振动等极端工况下的动态轨迹与姿态追踪需求，通过引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术，可实现非接触、高精度、实时动态变形监测与姿态分析。

　　DIC技术简介

　　数字图像相关(DIC)是一种基于图像匹配的非接触式变形测量技术。其核心原理是：

　　在结构表面均匀贴覆随机散斑图案;

　　在变形前后，通过高速相机采集图像;

　　利用图像相关算法，计算散斑图案的位移与应变。

　　动态姿态追踪实现方式

　　高速图像采集系统：配备千兆高速相机，帧率可达10.000 fps以上;

　　三维DIC系统：结合双目或三目相机，实现三维位移与变形场重建;

　　实时数据处理平台：基于GPU并行计算，实现毫秒级图像处理与轨迹追踪;

　　多体协同追踪算法：支持多个结构件的同步追踪，适用于复杂装配体。

　　飞行器实际飞行中，飞行器的轨迹姿态复杂多变，空中飞行状态下结构件的轨迹、姿态、位移、变形等多种运动轨迹姿态，直接影响飞机的空中安全性以及空气动力性能。

　　在飞行器结构件测量过程中，被测物会发生旋转，导致观测区域会旋转到相机无法观测面。接下来，通过旋转滚动旋转球模型试验，分享新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统在运动姿态分析、6-DOF轨迹姿态测量的应用。

　　旋转模型标识点三维坐标获取

　　采用实心球模型实验，采用新拓三维XTOM蓝光三维扫描仪对实心球进行三维扫描，获取实心球表面标识点三维坐标，确保实心球滚动翻转运动轨迹分析时，不会错过任何关键数据。

　　数字图像相关DIC技术在每个时间点采集一次图像，收集和分析每个相机重叠视场的共同数据，使用标定数据和类似于结构光的三角测量公式，可以确定每个时间段的三维表面或网格。

　　为了测量轨迹姿态，将表面标识点与初始状态进行比较，从而提供三维云图和表面法向增量。采用XTDIC三维全场应变测量系统，通过导入三维扫描获取的标识点坐标，利用标志点分布特征，可确定点阵之间的几何相关关系以及相对位置，从而达到高质量相关匹配。

　　DIC技术在轨迹姿态测量的应用

　　DIC技术在轨迹测量领域的典型应用，在于航空飞行器在飞行状态下的位移姿态测量，例如弹道轨迹、飞机姿态、俯仰、偏航、滚转角等，这对DIC测量搜索区域的识别提出新的挑战。轨迹姿态测量的难点在于：被测物刚性无变形，但测量过程会发生旋转，导致观测区域会旋转到相机无法观测面。

　　采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过在测物表面都布置标记点，即使被测物旋转到不同位置，DIC相机也可以识别标志点进行测量。同时标识点三维坐标都已提取到DIC软件内，物体旋转过程只要能观测部分标识点，均可测量被测物的轨迹姿态。

　　轨迹姿态测量传统方法是传感器、经纬仪测量或者简单的二维影像跟踪测量，只能粗略地估算出被测物运动规律，属定性分析。

　　XTDIC三维全场应变测量系统可快速解算刚体形心运动轨迹与姿态，通过分析刚体标志点精确解算其三维坐标，反求出刚体坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，即姿态与轨迹。

　　风洞试验-飞机姿态测量

　　采用DIC三维动态测量系统配合高速相机，通过观察窗观测风洞中飞行器姿态、变形与局部应变。

　　直升机旋翼运行轨迹测量

　　采用DIC三维动态测量系统，工况下实时动态监测、跟踪直升机旋翼装备表面关键标记点振动与位移。

　　弹体姿态和轨迹跟踪

　　采用地面高速相机，高速拍摄设定观察窗口中目标对象图像，结合DIC三维动态测量软件分析，实现弹仓开启受力变形、弹体姿态和轨迹追踪测试。