高速DIC技术用于无人机旋翼动态变形与轨迹姿态分析

一、实验背景

无人机旋翼在高速旋转（5000-10000 RPM）过程中，承受着复杂气动载荷与离心力，其动态变形（如弯曲、扭转）直接影响飞行性能与结构安全。传统接触式传感器（如应变片）难以捕捉高速旋转下的瞬态变形场，且可能干扰流场。无人机厂商急需一套能够精确量化高速动态变形、且可工程落地应用的测量方案。

旋翼挥舞运动变形的危害：

1、旋翼叶片迎角发生变化，影响旋翼的升力和力矩

2、旋翼叶片的振动，影响旋翼的寿命和可靠性

3、影响旋翼飞行器的操纵性和稳定性

二、高速DIC原理、技术对比和重要性

数字图像相关（DIC）是一种根据CCD工业相机记录的单个图像或图像系列计算二维或三维坐标，得出二维或三维的位移、速度和加速度测量结果。通过解读二维或三维坐标之间的局部位移，计算出应变值和应变率。DIC可测试样品表面的全场测量数据，局部分辨率很高。

高速数字图像相关技术（High-Speed Digital Image Correlation, HS-DIC），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。

高速DIC VS传统测量技术

高速DIC技术应用的重要性

1、全场捕捉旋翼从启动到稳态的应变分布（如根部离心应变与叶尖气动弹翼变形）；

2、分析桨叶剖面的扭转刚度、摆振刚度和挥舞刚度等；

3、建立旋翼动态性能量化分析体系，驱动旋翼结构迭代与飞行控制算法优化。

三、方案组成和关键指标

高速DIC测量软硬件方案组成

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。

XTDIC-SPARK技术关键指标：

• 超过百万帧的超高速测量；
• 跟踪精度高达0.01px
• 2D /3D坐标、位移、变形、应变、角度、速度、加速度
• 海量目标同时追踪，特征跟踪和匹配跟踪算法
• 6DoF轨迹姿态
• 支持多种图像或视频导入计算

解决的问题

采用高速数字图像相关技术（XTDIC-SPARK系统），可精准量化旋翼从启动到稳定转速的全流程应变场、位移分布与关键点运动轨迹，为无人机旋翼设计与优化提供数据支撑。

• 动态变形测量：捕捉高速旋转下旋翼的动态变形规律。
• 设计验证：通过真实的飞行载荷下复杂气动干扰的动态变形分析，对CFD仿真和设计数据进行验证。
• 产品优化：通过高速DIC技术，建立旋翼动态性能量化数据分析，驱动旋翼结构迭代与飞行控制算法优化。

四、实际案例：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

实际案例：数据分析与结论

无人机旋翼从启动到稳态过程的变形分析，测试数据可用于优化结构设计、材料选择、动力学优化及创新设计。

• 提升旋翼动态性能分析效率，实现旋翼减重的同时抗弯强度；
• 分析旋翼飞行状态下变形，可优化旋翼形状，提升刚性和稳定性；
• 识别高应力区域，优化几何形状（如翼型厚度、扭转角），避免局部过度变形；
• 将变形特性融入控制算法，对旋翼的挥舞运动进行精确测量和补偿。