激光測繪系統(tǒng)在試驗(yàn)機(jī)改裝中的應(yīng)用研究

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(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

激光測繪系統(tǒng)在試驗(yàn)機(jī)改裝中的應(yīng)用研究

劉韶光，范歡歡，范曉龍，許建社

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

在介紹激光測繪系統(tǒng)組成和原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)激光測繪系統(tǒng)掃描得到試驗(yàn)機(jī)局部外形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用Geomagic和CATIA逆向設(shè)計(jì)軟件對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對試驗(yàn)機(jī)的局部外形進(jìn)行數(shù)字化建模，最終把該曲面數(shù)模應(yīng)用到某次試驗(yàn)機(jī)的改裝件設(shè)計(jì)過程中。在試驗(yàn)機(jī)改裝中應(yīng)用基于激光跟蹤儀的測繪掃描系統(tǒng)對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)字化建模，對提高試驗(yàn)機(jī)的改裝效率和安全性具有重要的意義。

激光測繪；試驗(yàn)機(jī)；改裝；逆向設(shè)計(jì)

0 引言

飛行試驗(yàn)是飛行器或被試產(chǎn)品在真實(shí)大氣條件下進(jìn)行性能試驗(yàn)的重要方法。試驗(yàn)前，需要根據(jù)試飛科目和被試產(chǎn)品的要求對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改裝，在改裝過程中必須以試驗(yàn)機(jī)的局部外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行改裝結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)工作。飛機(jī)的外形一般是由光滑過渡的曲面組成，傳統(tǒng)的測繪外形曲面的方法有樣板采樣法和打點(diǎn)采樣法等[1]；但是，這些方法存在采點(diǎn)精度低、工作效率低和曲面重構(gòu)難等缺點(diǎn)。采用基于激光跟蹤儀的測繪系統(tǒng)，可以提高飛機(jī)外形采集點(diǎn)的精度和效率，為試驗(yàn)機(jī)數(shù)字化改裝提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，也可縮短試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)周期。

1 激光測繪系統(tǒng)的組成與原理

1.1 系統(tǒng)的組成

激光測繪系統(tǒng)一般由激光跟蹤儀、控制計(jì)算機(jī)、T-scan(高速手持式掃描儀)、T-CAM(高速照相機(jī))、反射靶球、雙絞線、用戶計(jì)算機(jī)和配套軟件等組成。

1.2 系統(tǒng)的原理

激光跟蹤儀的基本原理是：激光跟蹤儀的主機(jī)發(fā)出的激光對目標(biāo)反射器(反射靶球)進(jìn)行跟蹤，通過跟蹤儀所帶的雙軸測角系統(tǒng)(俯仰角和旋轉(zhuǎn)角)及激光干涉測距系統(tǒng)，確定靶球球心在球坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)。

x=rsinαsinβ
y=rsinαcosβ
z=rcosα

x，y，z為靶球P的坐標(biāo)；α為方位角；β為俯仰角；r為靶球至原點(diǎn)的半徑，如圖1所示。

圖1 激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系

激光測繪系統(tǒng)中的T-scan是一種基于激光三角法的非接觸式手持激光掃描測量工具，激光光束通過一個高速旋轉(zhuǎn)的棱鏡反射到待掃描的外形曲面上。激光光束被外形曲面反射并被T-scan接收。根據(jù)反射表面距離的不同，反射到CCD線性傳感器的位置也不同。T-scan在掃描過程中不會對被測面產(chǎn)生影響，其測量精度高，測量速度快，能滿足試驗(yàn)機(jī)改裝對飛機(jī)外形曲面重構(gòu)的要求。

T-scan自身的空間定位系統(tǒng)可以定位掃描儀的空間位置，獲取被掃描部位表面的空間采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)機(jī)的表面數(shù)字化，使所有點(diǎn)云處于同一坐標(biāo)系下。

2 激光測繪系統(tǒng)在試驗(yàn)機(jī)改裝中的應(yīng)用

由于試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)，飛機(jī)外形在飛行中受到氣動載荷的影響，會產(chǎn)生一定的變形。因此，激光測繪系統(tǒng)采集的試驗(yàn)機(jī)局部外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)是試驗(yàn)機(jī)發(fā)生形變后的外形數(shù)據(jù)，與原機(jī)的理論數(shù)據(jù)有一定的差距。對該點(diǎn)云來說，可根據(jù)不同的需求進(jìn)行具體的曲面模型重構(gòu)。當(dāng)需要在試驗(yàn)機(jī)局部加裝某些設(shè)備(如天線、攝像頭和傳感器等)，以試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)有的局部外形作為改裝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)文件時(shí)，可以直接用采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面模型重構(gòu)，這樣可以真實(shí)地反映局部外形，曲面模型的局部精度較高，便于設(shè)計(jì)制造的改裝件與原機(jī)外形具有良好的裝配性能；當(dāng)以飛機(jī)理論外形為基礎(chǔ)進(jìn)行大型改裝部件(如機(jī)頭過渡段、雷達(dá)罩等)設(shè)計(jì)時(shí)，需重構(gòu)高質(zhì)量的曲面模型，而且能與飛機(jī)理論外形最接近，便于進(jìn)行氣動計(jì)算及風(fēng)洞試驗(yàn)。

采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)修補(bǔ)、數(shù)據(jù)抽稀和數(shù)據(jù)分塊等步驟后，才能進(jìn)行曲面重構(gòu)工作[2]。應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)軟件(CATIA，Imageware和Geomagic等)對獲取的點(diǎn)云進(jìn)行處理，重構(gòu)表面外形，以此作為試驗(yàn)機(jī)改裝結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 基于激光測繪系統(tǒng)的曲面重構(gòu)流程

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先，用激光跟蹤儀測量飛機(jī)上的標(biāo)志點(diǎn)，構(gòu)建全機(jī)測量坐標(biāo)系，目的是單次所采集的局部外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于飛機(jī)坐標(biāo)系下；其次，用T-scan進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是在測量坐標(biāo)系下的數(shù)值，便于后期曲面數(shù)字化模型的重構(gòu)工作。在采集數(shù)據(jù)的過程中,要特別注意主要特征(凸起、凹下等)和邊界的掃描，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)降噪是為了去除掃描測量過程中產(chǎn)生的噪點(diǎn)。在對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測繪的過程中，不可避免地會引入噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些噪點(diǎn)主要是由于測量設(shè)備、環(huán)境變化和人工操作等因素變化而引起數(shù)據(jù)的失真。在試驗(yàn)機(jī)測繪中采用的降噪方法主要有2種：

a.直觀檢測法。通過計(jì)算機(jī)顯示器，將目測的與截面數(shù)據(jù)點(diǎn)集偏離較大的點(diǎn)、孤點(diǎn)、異常點(diǎn)、與曲面重構(gòu)無關(guān)的多余點(diǎn)等進(jìn)行剔除。

b.曲率估計(jì)法。因?yàn)樵朦c(diǎn)具有較高的局部特性和極端特性，把采集的點(diǎn)云中每一點(diǎn)的縱橫比和曲率估計(jì)與整體點(diǎn)云的平均值相比較，對點(diǎn)云進(jìn)行判斷、篩選。

數(shù)據(jù)拼接也稱數(shù)據(jù)對齊，是指被測曲面復(fù)雜，需要從多個角度分次掃描測量才能得到整個曲面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只有在同一坐標(biāo)系下才能進(jìn)行曲面的重構(gòu)工作，這就需要對多次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)同一變換，使測繪數(shù)據(jù)對齊。

在試驗(yàn)機(jī)改裝過程中，如果對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，過密的點(diǎn)云量不僅對計(jì)算機(jī)的性能要求很高，而且會降低曲面重構(gòu)的效率。數(shù)據(jù)抽稀是在保證掃描精度的前提下，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)外形曲面的重構(gòu)需求，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整掃描數(shù)據(jù)量，便于提高曲面的質(zhì)量和重構(gòu)效率；數(shù)據(jù)分塊是指對于復(fù)雜曲面所采集的點(diǎn)云進(jìn)行分塊處理，分塊進(jìn)行曲面構(gòu)造，最后拼合和縫合成原始曲面的過程。

2.3 構(gòu)造曲線的創(chuàng)建

曲線是構(gòu)造曲面的前提，構(gòu)建曲線的點(diǎn)必須選擇得合理恰當(dāng)，才能使構(gòu)造的曲線既光順又滿足精度的要求。在構(gòu)造曲面之前，通過擬合、逼近和優(yōu)化的方法生成高質(zhì)量曲線，再根據(jù)不同的控制條件由曲線生成最終的理想曲面。通過分析曲線的曲率分布，采用曲線光順的手段，確保生成的曲線具有一致的凸凹性，沒有多余的拐點(diǎn)，滿足曲線變化均勻的要求。

2.4 曲面的重構(gòu)

CATIA可以通過多截面過渡、填充、橋接、拼接和縫合等簡單的操作，完成被測曲面的重構(gòu)工作[3]。為了更好地反映被測繪試驗(yàn)機(jī)的局部外形，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求構(gòu)造曲面，以該曲面作為試驗(yàn)機(jī)改裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)文件。由曲線重構(gòu)的外形曲面，根據(jù)具體改裝設(shè)計(jì)情況確定生成曲面的類型，使用CATIA軟件平臺Deviation Analysis工具，進(jìn)行飛機(jī)曲面部分區(qū)域及外形曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差分析。通過編輯和調(diào)整曲面，滿足后期試驗(yàn)機(jī)改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對曲面質(zhì)量的要求。

檢測曲面和點(diǎn)云重合精度的方法是誤差分析。在曲面擬合中，可以利用測量點(diǎn)的參數(shù)直接算出測量點(diǎn)的誤差，也可以用一定數(shù)量測量點(diǎn)的最大擬合偏差、最小擬合偏差和標(biāo)準(zhǔn)差來評價(jià)曲面對數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合程度，還可以用平均誤差來評價(jià)曲面的逼近程度[4]。在實(shí)際工作中，平均偏差是評價(jià)曲面與點(diǎn)云重合度的最重要指標(biāo)。

2.5 基于重構(gòu)曲面的改裝件設(shè)計(jì)

某型試驗(yàn)機(jī)由于飛行試驗(yàn)要求，需要在該飛機(jī)的機(jī)身外部加改裝某被試產(chǎn)品，要求改裝件與原機(jī)蒙皮接觸良好并具有足夠的強(qiáng)度。被試產(chǎn)品安裝部位的曲面外形是進(jìn)行改裝部位結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為了獲取該處曲面外形，使用基于激光跟蹤儀的測繪系統(tǒng)對該部位進(jìn)行測繪，應(yīng)用CATIA軟件逆向設(shè)計(jì)模塊對獲取的點(diǎn)云進(jìn)行曲面擬合，構(gòu)建飛機(jī)局部外形三維數(shù)字化模型，其改裝流程如圖3所示。

圖3 基于激光測繪系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)改裝流程

根據(jù)被試產(chǎn)品安裝要求，在CATIA三維設(shè)計(jì)軟件中，以該重構(gòu)曲面為基礎(chǔ)，考慮該蒙皮曲面的實(shí)際厚度，通過機(jī)械設(shè)計(jì)模塊完成加裝設(shè)備的改裝零部件設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)的法蘭盤表面與原機(jī)蒙皮曲面具有良好的裝配性能，能夠與試驗(yàn)機(jī)改裝部位的外形緊密接觸，使連接件的受力情況均勻分布，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象，具有很好的加強(qiáng)和固定被試設(shè)備的作用，減輕了后續(xù)施工過程中需要現(xiàn)場修配以保證安裝精度的問題，提高了試驗(yàn)機(jī)改裝效率。改裝件的設(shè)計(jì)效果如圖4所示。

圖4 基于重構(gòu)曲面的改裝件設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語

將激光測繪系統(tǒng)應(yīng)用到試驗(yàn)機(jī)的改裝設(shè)計(jì)中，以T-Scan獲取的試驗(yàn)機(jī)改裝部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用曲面重構(gòu)軟件構(gòu)建試驗(yàn)機(jī)改裝部位的高精度三維外形模型，是進(jìn)行下一階段改裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性文件，基于該曲面外形而設(shè)計(jì)的改裝零部件能夠與原機(jī)具有良好的裝配性。逆向設(shè)計(jì)技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合，大幅提高了改裝質(zhì)量和效率，將試驗(yàn)機(jī)改裝技術(shù)推向了更高的水平。

[1] 韓清華，鄭 保，郭宏利，等.采用激光跟蹤儀測量飛機(jī)外形[J].航空計(jì)測技術(shù)，2004， 24(1):15-16，33.

[2] 汪 俊.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件反求建模關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

[3] 王延鳳.激光跟蹤儀結(jié)合CATIA在飛機(jī)外形測繪中的應(yīng)用[C]∥中國航空學(xué)會飛機(jī)總體專業(yè)委員會飛機(jī)幾何設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)組第五次學(xué)術(shù)交流會論文匯編.中國航空學(xué)會，2002：55-63.

[4] 程軍濤.逆向工程中曲面重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2010.

Research on Application of Laser Mapping System in the Modification of Tested

LIUShaoguang，F(xiàn)ANHuanhuan，F(xiàn)ANXiaolong，XUJianshe

(Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089，China)

Based on the introduction of laser mapping system composition and principle， according to the point cloud data which scanned by laser mapping system in the local shape of tested aircraft.Using CATIA and Geomagic which are reverse engineering software deal with the point cloud data which collected by scanner.Reconstruct the local model of the tested aircraft， and the surface modeling is applied to the process of designing the modification parts eventually. In the process of tested aircraft modification apply the technique of scanning that based laser tracker system modeling the curved surface. This technique has important significance to improve the efficiency and safety in the modification of tested aircraft.

laser scanning；tested flight；modified；reverse design

2014-01-27

V221.92

A

1001-2257(2014)07-0053-03

劉韶光(1984-)，男，山西運(yùn)城人，工程師，碩士研究生，主要從事試驗(yàn)機(jī)加改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；范歡歡(1984-)，男，河南三門峽人，工程師，碩士研究生，主要從事試驗(yàn)機(jī)加改裝總體設(shè)計(jì)工作。