高速DIC技术用于无人机旋翼高速旋转过程动态分析

       研究背景

       作为核心动力与姿态控制单元，无人机旋翼系统在高速旋转工况下承受着复杂的气动载荷、离心力与惯性力，其动态变形特性（挥舞、摆振、扭转变形）与运动轨迹/姿态精度（桨尖轨迹平面、锥度角、方位角）直接决定了无人机的飞行效率、稳定性、振动噪声水平及结构寿命。

       然而，传统接触式传感器（应变片）因附加质量破坏气动外形、光学标记法干扰流场且仅提供离散点信息、常规高速摄影缺乏全场变形量化能力，均难以满足高速旋转、复杂流固耦合环境下非接触、全场、动态、高精度的测量需求。某科研团队引入新拓三维自研的XTDIC-SPARK三维高速测量系统，基于高速3D数字图像相关技术（High-Speed 3D-DIC），对无人机旋翼高速旋转过程的动态行为开展了系统性试验研究。

       难题与挑战

       极端动态环境：旋翼高速旋转带来剧烈运动模糊、图像采集窗口极短、复杂空间运动等难题，对成像系统（帧率、分辨率、曝光时间）与照明系统（高亮度、均匀性、频闪同步）提出严苛要求。

       表面适应性挑战：旋翼表面常为曲面、反光或吸光材质，需开发稳定、高对比度、耐高速气流冲刷的微纳散斑制备工艺，确保DIC计算鲁棒性。

       微小变形与高频振动： 旋翼动态变形常叠加高频振动，要求HS-DIC系统具备超高空间分辨率与时间分辨率，以精确捕捉瞬态变形细节。

       复杂运动解耦：需从高速图像序列中精确分离并同时量化旋翼的刚体运动与弹性变形，二者强耦合且相互影响。

       三维测量需求：旋翼变形本质是三维空间行为，需采用双目或多目高速立体DIC系统实现三维重建，系统标定与同步精度要求极高。

       海量数据处理：高速采集（每秒数万帧）产生TB级图像数据，高效、精准的实时/准实时DIC计算算法与大数据分析能力至关重要。

       环境干扰：风洞试验或实际飞行中的气流扰动、背景噪声、光照变化等因素增加测量不确定性。

       测量方法：高速数字图像相关法

       新拓三维XTDIC-SPARK三维高速测量系统，数字图像相关DIC技术结合超高速摄像机，是一种基于光学成像和计算机视觉的非接触式全场测量方法，用于捕捉高速动态过程中物体表面的三维位移场、应变场及运动轨迹。高速数字图像相关系统在传感器部件中使用高速相机，可在高动态事件中测量应变和位移。

       研究目标

       同步动态测量：同步、非接触、全场测量旋翼叶片在旋转过程中的三维动态变形场，刚体运动轨迹/姿态参数（桨尖轨迹、锥度角、摆振角、扭转角）。

       建立变形-姿态关联模型： 深入分析旋翼动态变形模式（挥舞、摆振、扭转）与轨迹/姿态参数之间的定量关联关系及其随转速、载荷（拉力、扭矩）变化的演化规律。

       提供设计优化依据：为无人机旋翼系统的气动外形设计、结构强度优化、振动抑制策略、飞行控制算法改进提供关键实验数据。

       XTDIC-SPARK三维高速测量系统方案组成

       高速DIC测量系统：XTDA软件是专门为追踪目标关键点的位移、速度、加速度、角度、轨迹姿态而打造的软件，可分析三维位移和变形和动态轨迹，基于标记点、特征点的运动测量分析。

       高速摄像机：两台高速摄像机，超100万帧的超高速测量，跟踪精度高达 0.01px，最大分辨率2048*1024。

       照明系统：外置大视场频闪光源/大功率常亮光源；LED蓝光冷光源（避免环境光干扰），均匀照射试样表面。

       无人机旋翼飞行受力变形测量

       实验分析场景： 

       阶段1（启动阶段）：捕捉旋翼根部应力集中现象（变形量分析）；

       阶段2（过渡阶段）：翼尖涡流引发的变形与周期性振动；

       阶段3（稳态阶段）：量化气动升力导致的翼面弯曲变形。

       实际案例：数据和分析

       在XTDA软件创建计算区域，创建种子点，计算出散斑标记点的三维坐标值，进而解算出应变场、位移场。

旋翼位移结果与关键点位移分析曲线

旋翼应变结果与关键点最大主应变工程曲线

       采用新拓三维XTDIC-SPARK三维高速测量系统，高速数字图像相关法（HS-DIC）技术，为解决无人机旋翼在极端动态工况下的三维动态变形与运动轨迹/姿态同步测量难题，提供了强大的非接触、全场、高精度技术手段。通过克服高速成像、散斑制备、三维重建、运动解耦、海量数据处理等核心挑战，XTDIC-SPARK三维高速测量系统能够深入揭示旋翼复杂的流固耦合动力学行为，为提升无人机性能、可靠性与安全性奠定坚实的实验基础，是无人机先进旋翼设计与验证不可或缺的关键技术。