基于視覺(jué)信息處理的飛行器型面法向矢量的在線測(cè)量方法

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 張為民

1 飛行器蒙皮制孔過(guò)程中采用的法向測(cè)量方法所存在的問(wèn)題

隨著各種飛行器量產(chǎn)需求的增加，為提高蒙皮制孔工效、保障制孔與連接質(zhì)量需要，某單位從國(guó)外引進(jìn)了多臺(tái)數(shù)控鉆鉚設(shè)備用于飛行器蒙皮的制孔和連接，但面對(duì)曲率多變、陡緩不一的飛行器蒙皮外型面，數(shù)控制孔需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何準(zhǔn)確獲取每個(gè)飛行器蒙皮制孔位置上的法向矢量信息。

由于數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)加工過(guò)程是完全按照數(shù)控編程進(jìn)行的，如果不能正確獲取蒙皮外型面制孔位置上的法向信息，其制孔過(guò)程就只能僵化地按照控制指令執(zhí)行，即使制孔加工方向與制孔位置上的法向發(fā)生嚴(yán)重偏離也難以進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，也將使制孔加工質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

目前，在數(shù)控制孔系統(tǒng)應(yīng)用中，為獲取制孔位置域上的法向信息所采用的技術(shù)手段主要有：

（1）對(duì)制孔位置域的曲面法向矢量進(jìn)行離線測(cè)量標(biāo)定，并將測(cè)量與標(biāo)定結(jié)果融于數(shù)控編程中的離線方法。

（2）通過(guò)多點(diǎn)等距測(cè)量以間接獲取曲面法向信息，并據(jù)以調(diào)整主軸加工方向的在線調(diào)整方法。

離線方法要求預(yù)先定出飛行器蒙皮上的每一制孔位置，先期標(biāo)定出制孔位置的法向矢量信息以供數(shù)控制孔的工藝編程。該方法雖可相對(duì)保證獲取制孔位置法向信息的準(zhǔn)確性，但因前期測(cè)量工作量大，且測(cè)量標(biāo)定與制孔加工設(shè)備彼此獨(dú)立、時(shí)序過(guò)程分離，其信息傳遞可靠性受到干擾，制孔工作質(zhì)量和效率受到不利影響。

多點(diǎn)等距測(cè)量跟蹤調(diào)整方法的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。在主軸四周的幾個(gè)固定位置上設(shè)置有多個(gè)與主軸同向的相對(duì)位置傳感器。該方法的測(cè)量、跟蹤調(diào)整原理如圖2所示。

圖1 多點(diǎn)式等距測(cè)量在線調(diào)整法向方法的制孔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drilling device structure of surface normal vector on line measuring

圖2 多點(diǎn)式等距測(cè)量在線調(diào)整法向方法的原理示意圖Fig.2 Sketch of surface normal vector on line measuring

該方法以平行空間平面各處間距均勻相等作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，圖中各紅線的起始端位于圖1所示的相對(duì)位置傳感器的固定端面上（垂直于制孔設(shè)備主軸），其末端位于制孔板材型面上各紅線的長(zhǎng)度代表相對(duì)位置傳感器測(cè)得的各測(cè)量點(diǎn)與相對(duì)位置傳感器固定端面間的距離，圖中綠線表示制孔點(diǎn)位置處的法線。

當(dāng)按設(shè)計(jì)要求于蒙皮外型面指定位置上進(jìn)行制孔加工時(shí)，主軸對(duì)制孔位置點(diǎn)的定位與法線方向的調(diào)整過(guò)程為：

（1）啟動(dòng)相對(duì)位置傳感器，測(cè)量外型面指定位置域上的測(cè)量點(diǎn)與相對(duì)位置傳感器固定端面間的距離。

（2）若指定位置域上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)與相對(duì)位置傳感器固定端面間的距離不等，則說(shuō)明相對(duì)位置傳感器的固定端面與各測(cè)量點(diǎn)形成的空間平面不平行。

（3）控制系統(tǒng)根據(jù)各相對(duì)位置傳感器的測(cè)量結(jié)果不斷調(diào)整主軸加工方向，直到2個(gè)空間平面彼此平行為止。

（4）上述2個(gè)空間平面彼此平行，表明主軸方向正處于各測(cè)量點(diǎn)形成的空間平面的法線方向，控制系統(tǒng)可看作已將主軸調(diào)整到了制孔加工的法向上。

以上過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)形成的空間平面面積因位置傳感器的安裝空間問(wèn)題而難以做到足夠小，故這一方法僅適用于在曲率不大的飛行器蒙皮外型面上得到一個(gè)趨近于型面法向的測(cè)量、跟蹤、調(diào)整結(jié)果，而對(duì)于曲率較大的飛行器蒙皮的制孔，由于技術(shù)原理局限，即使進(jìn)行更為繁瑣、復(fù)雜的測(cè)量、跟蹤和調(diào)整也難以獲得一個(gè)較為準(zhǔn)確的法向矢量控制，甚至可能完全找不到所要求的法向信息。

2 視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與飛行器型面法向矢量數(shù)字化在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

為克服現(xiàn)有系統(tǒng)在獲取蒙皮外型面法向矢量技術(shù)上的局限，引入了視覺(jué)信息處理技術(shù)，以在線直接測(cè)量型面法向矢量的新方法取代離線式、漸近跟蹤、調(diào)控方式獲取蒙皮外型面法向矢量的傳統(tǒng)方法。

以視覺(jué)信息處理方法實(shí)現(xiàn)型面法向矢量數(shù)字化在線直接測(cè)量的技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 飛行器型面法向矢量數(shù)字化在線直接測(cè)量方法Fig.3 Aircraft surface normal vector on line measuring

圖中視覺(jué)傳感器與點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)激光是構(gòu)成法向矢量數(shù)字化在線直接測(cè)量系統(tǒng)的主體，其中點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)激光源是由3個(gè)等距分布的點(diǎn)激光源構(gòu)成，射出的三束射線為3條空間平行線。作為與數(shù)控制孔設(shè)備一體集成的光電測(cè)量系統(tǒng)，此三束激光射線的初始方向應(yīng)同向平行于數(shù)控制孔設(shè)備的主軸方向，即由點(diǎn)激光源構(gòu)成的三角陣面，在設(shè)計(jì)上應(yīng)與主軸方向垂直。光電測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是已被進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定了像素陣列的視覺(jué)傳感器,在設(shè)計(jì)上該視覺(jué)傳感器的取景軸線應(yīng)與以上處于中間位置的激光射線保持在同一平面，且設(shè)置成與激光射向成一固定角度，當(dāng)上述三束激光射線被投射到某一飛行器蒙皮外型面制孔位置域上時(shí)，視覺(jué)傳感器所采集到的圖像信息如圖4所示。

圖4 飛行器蒙皮制孔位置域上的視覺(jué)信息示意圖Fig.4 Visual information sketch

圖中用紅、綠、黃3條異色線代表三束激光射線，A、B、C 3點(diǎn)為三束激光在飛行器蒙皮上的投影點(diǎn)，由于視覺(jué)傳感器的像素陣列對(duì)應(yīng)于三束激光射線在其取景視場(chǎng)內(nèi)所可能投影到的物理空間已進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定，結(jié)合標(biāo)定結(jié)果，這一視覺(jué)信息采集系統(tǒng)可對(duì)采集到的三束激光于取景視場(chǎng)內(nèi)的投影圖像進(jìn)行處理，從而得到3個(gè)激光投影點(diǎn)對(duì)應(yīng)于主軸端原點(diǎn)的相對(duì)空間位置坐標(biāo)。如圖 4 所示，三點(diǎn)坐標(biāo)分別為（Xa，Ya，Za）、（Xb，Yb，Zb）、（Xc，Yc，Zc），位于三角形 ABC 當(dāng)中制孔位置中心點(diǎn) P的位置坐標(biāo)則為（X0，Y0，Z0）。

當(dāng)由A、B、C 3點(diǎn)形成的平面三角型面積足夠小時(shí)，該平面三角形中的制孔位置中心點(diǎn)P（X0，Y0，Z0）的法線矢量，可看作是飛行器蒙皮外型面制孔位置上的法線矢量。

由5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)（X、Y、Z、A、C）構(gòu)成的數(shù)控制孔加工機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于視覺(jué)傳感器根據(jù)標(biāo)定資源對(duì)采集到的視覺(jué)信息進(jìn)行數(shù)字化處理即可取得上述3個(gè)激光投影點(diǎn)的相對(duì)空間位置坐標(biāo)：（Xa，Ya，Za）、（Xb，Yb，Zb）、（Xc，Yc，Zc），故這一基于視覺(jué)信息處理方法對(duì)曲面任意指定位置域的法線矢量進(jìn)行測(cè)量的數(shù)學(xué)解析過(guò)程為：

（1）A、B、C 3點(diǎn)所行成的兩組空間直線向量可表示為：

圖5 五坐標(biāo)數(shù)控制孔加工機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of CNC drilling machine tool with 5 axes

（2）由A、B、C 3點(diǎn)所行成空間平面的法向矢量則表示為：

這一方向向量可簡(jiǎn)化表示為：（l，m，n）；

（3）經(jīng)過(guò)A、B、C 3點(diǎn)所行成空間平面中的制孔位置中心點(diǎn)P（X0，Y0，Z0）的法線方程參數(shù)式可表達(dá)為：

其中（l，m，n）為該平面的法向矢量；

（4）如果處于測(cè)量位置上的主軸端原點(diǎn)所在水平面方程為：z=zp（為常數(shù)），將此平面方程與上述（3）中的法線方程參數(shù)式聯(lián)立，可求得該法線與制孔加工主軸端原點(diǎn)所在的水平面固定交點(diǎn)（xp，yp，zp）；

（5）主軸端原點(diǎn)將由測(cè)量狀態(tài)下的空間位置（x0，y0，zp）運(yùn)動(dòng)至這一法線與其水平面的交點(diǎn)位置（xp，yp，zp）；

（6）在 位 置（xp，yp，zp）上，設(shè) 矢 量L0=xp-x0、M0=yp-y0、N0=zp-z0，則

其中的α、β、γ分別為上述法線相對(duì)于XY平面、YZ平面及Z軸的空間夾角，（L0+M0與M0+N0為矢量和）。根據(jù)對(duì)制孔位置域上的法向矢量測(cè)量結(jié)果，端心原點(diǎn)位于（xp，yp，zp）位置，且主軸加工方向垂直于水平面時(shí)，其A軸和C軸在分別旋轉(zhuǎn)一定的角度（具體數(shù)據(jù)為α和β）后，就可使得經(jīng)主軸端原點(diǎn)的制孔加工方向線與制孔位置域上的法線相重合，數(shù)控系統(tǒng)只需控制X、Y、Z運(yùn)動(dòng)軸的速度，使之以：X速度：Y速度：Z速度=|L0|：|M0|：|N0|的速度比例關(guān)系驅(qū)動(dòng)主軸的加工運(yùn)動(dòng)直至制孔加工終點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了在正確的法向矢量方向上的制孔加工，整個(gè)過(guò)程中主軸的姿態(tài)變化如圖6所示。

圖6 主軸在測(cè)量和加工過(guò)程中的狀態(tài)變化Fig.6 Course of measuring and machining

3 點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)激光視覺(jué)信息的對(duì)應(yīng)空間標(biāo)定方法

這里所指的標(biāo)定是在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)量的取景空間內(nèi)將圖3所示的由點(diǎn)結(jié)構(gòu)激光與CCD構(gòu)成的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)所采集到的，對(duì)應(yīng)于已測(cè)量空間位置的視覺(jué)信息進(jìn)行分析、處理，從而獲得視覺(jué)信息相對(duì)于物理空間的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，為三維空間的點(diǎn)位測(cè)量提供信息處理依據(jù)。

如圖3所示，由于3點(diǎn)式激光組合中各點(diǎn)激光源的安裝位置是經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)的，因此其各自間的相對(duì)位置關(guān)系是固定和準(zhǔn)確的。若以圖6所示的測(cè)量狀態(tài)對(duì)指定的曲面進(jìn)行非接觸式的相對(duì)位置測(cè)量，可得到曲面上各激光束投影點(diǎn)對(duì)應(yīng)于XZ平面的相對(duì)位置坐標(biāo)，但決定其各自空間坐標(biāo)位置的Y向坐標(biāo)數(shù)據(jù)則須由視覺(jué)傳感器系統(tǒng)借助于預(yù)先的標(biāo)定結(jié)果，對(duì)所采集的視覺(jué)信息進(jìn)行處理后方可獲得。對(duì)于圖3所示的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)，當(dāng)以圖6所示的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要通過(guò)標(biāo)定工作解決的問(wèn)題是確定激光束投影點(diǎn)在CCD像素陣列上形成的視覺(jué)信息位置，以及它與物理空間中激光束實(shí)際投影點(diǎn)位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)該視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定，需首先建立一套以數(shù)字化控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)的高精度單軸視覺(jué)傳感器系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)。圖7為該平臺(tái)的示意圖。

如圖7所示，由CCD和點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)激光構(gòu)成的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)固定安裝于數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的一端，作為標(biāo)定目標(biāo)靶的立方體可受控地沿激光射束方向進(jìn)行單軸運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)上，立方標(biāo)定靶的受光面正向垂直于激光射束線。

圖7 單軸視覺(jué)傳感器系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)示意圖Fig.7 Visual sense system calibration stage with single shaft-driven

視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定可通過(guò)下列過(guò)程實(shí)現(xiàn)：

（1）將標(biāo)定平臺(tái)上的某一位置視為初始端，以定位控制的方式驅(qū)動(dòng)標(biāo)定靶至初始位置，并記錄定位完成后的位置測(cè)量信息。

（2）視覺(jué)傳感器系統(tǒng)向標(biāo)定靶投射點(diǎn)組合激光，同時(shí)采集落于標(biāo)定靶正面由激光點(diǎn)形成的視覺(jué)信息。

（3）視覺(jué)傳感器系統(tǒng)經(jīng)對(duì)視覺(jué)信息解析處理（像素細(xì)分與二值化處理）可得到一組由激光點(diǎn)中心成像于像素陣列上的行列位置數(shù)據(jù)。

（4）控制移動(dòng)標(biāo)定靶于不同位置上，在記錄位置測(cè)量信息的同時(shí)采集落于標(biāo)定靶正面，由激光點(diǎn)形成的視覺(jué)信息。

（5）將步驟（4）所獲得的視覺(jué)信息經(jīng)步驟（3）進(jìn)行信息處理，可獲得對(duì)應(yīng)一系列不同位置上的由激光點(diǎn)中心成像于像素陣列上的行列位置數(shù)據(jù)。

（6）通過(guò)對(duì)一系列有位置對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，可確定視覺(jué)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行空間位置測(cè)量所要依據(jù)的信息處理數(shù)學(xué)模型。

由于構(gòu)成點(diǎn)組合結(jié)構(gòu)激光源的各點(diǎn)激光間相互位置是確定的，在確定激光投影點(diǎn)相對(duì)于系統(tǒng)原點(diǎn)的空間位置時(shí)，借助于上述過(guò)程所產(chǎn)生的標(biāo)定結(jié)果可直接得到其在視覺(jué)傳感器系統(tǒng)取景空間內(nèi)相對(duì)于取景原點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，由此實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)傳感器系統(tǒng)對(duì)指定空間點(diǎn)位置的數(shù)字化測(cè)量，進(jìn)而為指定曲面位置域上的法向矢量測(cè)量提供數(shù)據(jù)支持。

4 法向矢量在線測(cè)量與自動(dòng)制孔系統(tǒng)的一體化

基于視覺(jué)傳感器的法向矢量在線測(cè)量需要與具有多軸運(yùn)動(dòng)控制功能的數(shù)控制孔系統(tǒng)融合后，方能有效將測(cè)得的法向信息用于復(fù)雜型面的制孔加工。首先要實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的整合，使基于視覺(jué)傳感器的法向矢量在線測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上成為整個(gè)數(shù)控制孔設(shè)備的一部分。在整合裝配上，視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的激光射束方向必須與數(shù)控制孔設(shè)備的主軸同向，其裝配示意如圖8所示。

圖8 視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與數(shù)控制孔設(shè)備的裝配整合Fig.8 CNC drilling machine tool with visual sense system

為保證視覺(jué)傳感器系統(tǒng)在線應(yīng)用與標(biāo)定過(guò)程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一致性，理想的方式是在完成整合裝配后，可直接利用制孔加工平臺(tái)進(jìn)行對(duì)視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定，使視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果與在線應(yīng)用的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系更為簡(jiǎn)單和精確。

因制孔設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)與自動(dòng)標(biāo)定平臺(tái)往往是彼此獨(dú)立、分別工作的兩個(gè)系統(tǒng)，視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與數(shù)控制孔設(shè)備的整合必須要在姿態(tài)和方向上保證接近于前述的理想方式，通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量后修正裝配所產(chǎn)生的位置偏差。測(cè)量信息須嵌入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以進(jìn)行在線控制下的調(diào)整和補(bǔ)償，并在此基礎(chǔ)上完成兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)間的信息融合。

根據(jù)視覺(jué)傳感器與數(shù)控制孔兩個(gè)系統(tǒng)信息特征的不同，其信息融合表現(xiàn)為如圖9所示的2種方式。

圖9 視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信息融合方式Fig.9 Mode of information link for visual sense system and CNC

當(dāng)視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)間信息接口相容、信息協(xié)議一致、信息時(shí)序匹配、彼此對(duì)于信息交換可進(jìn)行自主編程時(shí)，其信息融合可按圖9（a）所示的方式進(jìn)行。該方式通常適用于2個(gè)系統(tǒng)的信息特征，都為可自主再造的情況。對(duì)于2個(gè)完全獨(dú)立且非自主研發(fā)的系統(tǒng)，彼此間的信息特征是很難實(shí)現(xiàn)無(wú)條件匹配的，對(duì)此可采用圖9（b）所示的系統(tǒng)信息融合方式，該方式的特點(diǎn)是在視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間置入了一套嵌入式系統(tǒng)，以完成測(cè)量與控制間2種信息特征的轉(zhuǎn)換，從而使信息在接口形式、協(xié)議組合、時(shí)序特點(diǎn)等方面相互匹配，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制信息的無(wú)障融合，盡管在結(jié)構(gòu)上較復(fù)雜，但其適用性更為廣泛。

綜上所述，通過(guò)測(cè)量與控制的多源信息共享，使測(cè)量與控制的多系統(tǒng)軟、硬件得以相互關(guān)聯(lián)，從而使這一非接觸測(cè)量借助系統(tǒng)控制得以正確進(jìn)行，同時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制也使測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果得以在線驗(yàn)證。