基于激光雷達(dá)的飛機(jī)外形檢測(cè)路徑規(guī)劃研究

侯尚，翟建軍，黃翔，徐菁

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 四川 成都 610092)

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基于激光雷達(dá)的飛機(jī)外形檢測(cè)路徑規(guī)劃研究

侯尚1，翟建軍1，黃翔1，徐菁2

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 四川 成都 610092)

摘要：飛機(jī)外形的控制是建立在精確測(cè)量的基礎(chǔ)上。國(guó)內(nèi)目前飛機(jī)外形檢測(cè)主要依靠卡板等工藝裝備，在測(cè)量準(zhǔn)確度和效率上都無(wú)法滿足現(xiàn)代飛機(jī)測(cè)量要求。采用一種利用激光雷達(dá)，在CATIA中進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃和檢測(cè)結(jié)果仿真，與激光雷達(dá)通信完成測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)外形現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)量。為了在保證測(cè)量精度的前提下，能夠以最短的路徑安全而又高效地遍歷待測(cè)對(duì)象的檢測(cè)區(qū)域，研究了自由曲面的測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置的算法原理，在此基礎(chǔ)上提出了矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃方法，可以有效地指導(dǎo)飛機(jī)外形現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化測(cè)量。運(yùn)用提出的矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃方法，對(duì)中機(jī)翼段模型進(jìn)行仿真分析取得了良好的效果，為飛機(jī)外形數(shù)字化檢測(cè)提供了有效方法。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)外形；數(shù)字化測(cè)量；激光雷達(dá)；路徑規(guī)劃

我國(guó)目前飛機(jī)外形檢測(cè)主要依靠卡板等工藝裝備，在測(cè)量準(zhǔn)確度和效率上都無(wú)法滿足現(xiàn)代飛機(jī)測(cè)量要求。對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化測(cè)量，獲得外形的高精度三維數(shù)據(jù)并與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行可靠的分析對(duì)比。一方面能為現(xiàn)有裝配工藝下的飛機(jī)外形品質(zhì)提供可靠的數(shù)字化評(píng)價(jià)，另一方面可以在測(cè)量數(shù)據(jù)不斷積累的基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，找出影響飛機(jī)外形品質(zhì)的關(guān)鍵因素，進(jìn)而建立檢測(cè)結(jié)果和誤差影響因素的統(tǒng)計(jì)圖表，為裝配工藝的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論和實(shí)踐參考，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形的制造品質(zhì)持續(xù)提升[1]。

測(cè)量路徑的規(guī)劃是飛機(jī)外形檢測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其目的是在保證測(cè)量精度的前提下，能夠以最短的路徑，安全而又高效地遍歷待測(cè)對(duì)象的檢測(cè)區(qū)域。飛機(jī)外形的檢測(cè)實(shí)際上是對(duì)自由曲面的蒙皮外形的檢測(cè)。Kam提出了幾何分解方法完成曲面形狀檢測(cè)的思想，采用“曲面—曲線—點(diǎn)集—測(cè)點(diǎn)集”的分解次序，實(shí)現(xiàn)從曲面到測(cè)點(diǎn)集的分解和曲面評(píng)價(jià)工作[2]。自由曲面測(cè)量時(shí)，等間距測(cè)量[3,4]是簡(jiǎn)單易行的測(cè)量方法，但為了保證測(cè)量精度就必須縮小測(cè)量間距，這使得測(cè)量效率顯著降低并影響后續(xù)誤差評(píng)定。一種理想的方法是使測(cè)點(diǎn)的分布疏密隨曲面曲率的變化而變化，曲率越大，測(cè)點(diǎn)越密，反之則越疏，從而較好地反映待測(cè)曲面的幾何形狀信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的自適應(yīng)分布。

本文針對(duì)飛機(jī)外形檢測(cè)效率低、精度差等問(wèn)題，采用激光雷達(dá)，在CATIA中進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃和檢測(cè)結(jié)果仿真，與激光雷達(dá)完成通信，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)量的方法，開(kāi)發(fā)了飛機(jī)外形數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，較好地解決了平衡測(cè)量效率與精度問(wèn)題。針對(duì)測(cè)量路徑規(guī)劃問(wèn)題，研究了自由曲面的測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置的算法原理，提出了矩形合并測(cè)量規(guī)劃方法，可以有效地指導(dǎo)飛機(jī)外形現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化測(cè)量。

1飛機(jī)外形數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成與工作原理

飛機(jī)外形檢測(cè)系統(tǒng)的硬件是由激光雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)工作站、不間斷電源UPS(uninterrupted power supply) 和輸出設(shè)備等組成的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)。其中激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形精密測(cè)量的關(guān)鍵部件。激光雷達(dá)是一種大尺寸、非接觸、高精度、自動(dòng)化、便攜式數(shù)字化測(cè)量設(shè)備。激光雷達(dá)擁有球形測(cè)量系統(tǒng)(圖1)，通過(guò)運(yùn)用調(diào)頻相干激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)和高精度反射鏡和紅外激光光束測(cè)得被測(cè)點(diǎn)的距離R、方位角AZ和俯仰角EI，從而轉(zhuǎn)換得出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。被測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算式為：

(1)

激光雷達(dá)測(cè)距原理(圖2)：激光器發(fā)出兩束激光，一束射到被測(cè)工件表面并返回到達(dá)激光器內(nèi)部；另一束射向內(nèi)部校準(zhǔn)光纖。接收器接收返回信號(hào)，通過(guò)混頻器比較出兩束激光的頻率差Δf得出兩束激光的時(shí)間差Δt，再通過(guò)時(shí)間與距離的關(guān)系便可以計(jì)算出激光測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)點(diǎn)的之間絕對(duì)距離。

圖1　駕駛室結(jié)構(gòu)框架

圖2　激光雷達(dá)測(cè)距原理

本系統(tǒng)采用Metris激光雷達(dá)MV224進(jìn)行測(cè)量，激光雷達(dá)MV224的距離測(cè)量范圍為24m，方位角為360°，俯仰角為±45°，測(cè)量精度為10μm+10μm /m(2σ)，可完成大尺寸遠(yuǎn)距離的自動(dòng)化測(cè)量。

測(cè)量流程如圖3所示，包括：1) 測(cè)量基準(zhǔn)的建立；2) 激光雷達(dá)的布站；3) 測(cè)量路徑規(guī)劃與仿真；4) 激光雷達(dá)實(shí)際測(cè)量；5) 數(shù)據(jù)處理；6) 輸出測(cè)量報(bào)告。

圖3　飛機(jī)外形數(shù)字化測(cè)量流程

2飛機(jī)外形檢測(cè)路徑規(guī)劃

測(cè)量路徑的規(guī)劃是飛機(jī)外形檢測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為了在保證測(cè)量精度的前提下，能夠以最短的路徑安全而又高效地遍歷待測(cè)對(duì)象的檢測(cè)區(qū)域，下面研究了自由曲面的測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置的算法原理，在此基礎(chǔ)上提出了矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃方法。

2.1　已知曲面的測(cè)點(diǎn)規(guī)劃

在對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，數(shù)模是已知的，其測(cè)量規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足測(cè)量精度要求的前提下使測(cè)點(diǎn)的數(shù)目盡可能地少，同時(shí)使測(cè)點(diǎn)分布的疏密隨曲面曲率變化而變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的自適應(yīng)分布。對(duì)已知曲面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置的算法原理[5]如圖4所示。

圖4　曲面測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置原理圖

(2)

(3)

其中，E,F,G為曲面的第一基本量；L,M,N為曲面的第二基本量[6]。則曲率半徑為ρ=1/kn。

設(shè)ε為給定的精度要求：

(4)

2.2　矩形合并檢測(cè)規(guī)劃方法

激光雷達(dá)可以進(jìn)行矩形盒掃描模式，設(shè)置掃描參數(shù)(測(cè)點(diǎn)間距、掃描速度)，同時(shí)設(shè)置多個(gè)矩形測(cè)量區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。因此，基于2.1中曲面測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置原理，本文提出一種簡(jiǎn)單快速的規(guī)劃方法——矩形合并測(cè)量規(guī)劃方法如圖5所示。

圖5　曲面矩形合并規(guī)劃方法

基本步驟如下：

1) 將所測(cè)區(qū)域進(jìn)行初始分割，根據(jù)被測(cè)區(qū)域的大小將它分成M×N個(gè)細(xì)小的矩形區(qū)域，確定出每個(gè)矩形的基本參數(shù)；

2) 將所有的M×N個(gè)矩形壓入一初始堆棧S1中；

5) 若堆棧S1為空，將矩形C與堆棧S2中所有相鄰矩形彈出合并，壓入堆棧S4，不為空則轉(zhuǎn)步驟3)；

6) 若堆棧S1為空且S3不為空，將S3中矩形壓入S1中，轉(zhuǎn)步驟3)。

7) 若堆棧S1與S3為空，結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟3)。

該方法可以快速高效地規(guī)劃出待檢測(cè)區(qū)域的測(cè)點(diǎn)數(shù)目和分布，滿足測(cè)點(diǎn)分布的疏密適應(yīng)曲面曲率變化的要求，具有規(guī)劃簡(jiǎn)單，算法簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)，能有效地提高測(cè)量效率等優(yōu)點(diǎn)。

3實(shí)例驗(yàn)證

以飛機(jī)中機(jī)翼段模型測(cè)量規(guī)劃為實(shí)例，系統(tǒng)地驗(yàn)證了本文系統(tǒng)在飛機(jī)外形測(cè)量中的可用性和實(shí)用性。在本實(shí)例中，選擇激光雷達(dá)為測(cè)量?jī)x器，采用矩形盒掃描方式，采用了2個(gè)測(cè)量站位(圖6)。通過(guò)對(duì)機(jī)翼數(shù)模進(jìn)行細(xì)小矩形劃分、曲率分析及需測(cè)量的關(guān)鍵棧位提取(圖7)，完成矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃(圖8)，實(shí)現(xiàn)路徑掃描仿真(圖9)。仿真結(jié)果表明，能夠完成機(jī)翼外形自動(dòng)化、全尺寸數(shù)字化測(cè)量，所需轉(zhuǎn)站次數(shù)少，且在曲率大的區(qū)域測(cè)點(diǎn)分布較密，而在曲率小的區(qū)域分布較疏。

圖6　測(cè)量?jī)x器站位

圖7　矩形劃分、曲率分析及棧位提取

圖8　矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃結(jié)果

圖9　路徑掃描仿真結(jié)果

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)飛機(jī)外形數(shù)字化檢測(cè)路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究。采用的利用激光雷達(dá)，在CATIA中進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃和檢測(cè)結(jié)果仿真，與激光雷達(dá)完成通信，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)外形現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)量的方法，較好地解決了平衡測(cè)量效率與精度問(wèn)題。提出了矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃方法，算法簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行速度比較快。運(yùn)用提出的矩形合并測(cè)量路徑規(guī)劃方法，對(duì)中機(jī)翼段模型進(jìn)行仿真分析取得了良好的效果，為飛機(jī)外形數(shù)字化檢測(cè)提供了有效方法。

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Research on Aircraft Shape Measurement Path Planning Based on Laser Radar

HOU Shang1, ZHAI Jian-jun1, HUANG Xiang1，XU Jing2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;

2. Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co. LTD., Chengdu 610092,China)

Abstract:The control of the aircraft shape is based on accurate measurement. The board is mainly used for aircraft shape measurement at. present at home. Its measuring accuracy and efficiency are unable to meet the requirements of modern aircraft measurement. In this paper, a metrology approach which is used to plan and simulate the measuring path in CATIA. and the laser radar are used to realize the aircraft shape automatic measurement on the scene. In order to get the shortest, safe and efficient measuring path under the accuracy of measurement, a rectangle-combined method for measuring path planning is proposed based on the theory of measuring plan of free surface. To demonstrate our methods, a middle wing model is simulated. A reliable method is given to the aircraft shape digital detection.

Keywords:aircraft shape; digital measurement; laser radar; path planning

中圖分類號(hào)：V556.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0106-03

作者簡(jiǎn)介：侯尚(1990-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化裝配。

收稿日期：2014-11-26 2014-11-12