基于逆向工程的小型四旋翼飛行器創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造

歐陽(yáng)華兵， 袁曉麗

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

小型四旋翼飛行器是一種欠驅(qū)動(dòng)強(qiáng)耦合無(wú)人飛行裝置，其4個(gè)旋翼分別由4個(gè)微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且均布在十字交叉結(jié)構(gòu)的頂端，通過(guò)控制4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，由旋翼升力的變化實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)、側(cè)向、前后、偏航等姿態(tài)控制，它可自由實(shí)現(xiàn)空中懸停和自由移動(dòng)，具有較大的靈活性與機(jī)動(dòng)性能[1]。由于四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械穩(wěn)定性好、成本低廉、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，隨著微機(jī)電控制技術(shù)的不斷成熟，穩(wěn)定的四旋翼飛行器在軍工和民用的遙感航拍、災(zāi)難救援、影視拍攝、電力巡檢等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)其應(yīng)用還在不斷向新領(lǐng)域拓展[1-3]。

逆向工程又稱(chēng)反求工程，是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的再現(xiàn)過(guò)程，它是一種采用二維或三維測(cè)量獲取實(shí)體模型數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)修改、優(yōu)化等重構(gòu)手段設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)。逆向工程是基于反向推理、優(yōu)化的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)理念相反，體現(xiàn)了先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造理念[4-5]。隨著制造業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)品呈現(xiàn)小批量多樣化態(tài)勢(shì)，如何縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、加快產(chǎn)品更新?lián)Q代速度、降低產(chǎn)品的制造成本等已成為影響企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法難以滿(mǎn)足現(xiàn)代需要，逆向工程技術(shù)作為一種新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，已在航空、模具、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文物修復(fù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6-16]。文獻(xiàn)[4-9]將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的牙模[6]、人耳贗復(fù)體[7]、中髖骨[8]、假體[9]的個(gè)性化重建中，精確完成相應(yīng)的三維實(shí)體模型建模與快速制造，提高了建模速度與制造精度。文獻(xiàn)[10]則將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到文物保護(hù)中，通過(guò)對(duì)文物進(jìn)行三維掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)等手段構(gòu)建文物三維數(shù)字化模型，有利于文物保護(hù)、修改與再現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]采用逆向工程，對(duì)航空零件中較為復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]將逆向工程應(yīng)用到自由曲面的工藝品設(shè)計(jì)制造中，能有效縮短汽車(chē)外形、飛機(jī)機(jī)翼、模具表面等復(fù)雜曲面類(lèi)零件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。文獻(xiàn)[13]詳細(xì)闡述了逆向工程在模具快速制造中的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[14]則闡述了逆向工程在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，它是提高產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的有效手段，可有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

由于飛行器的機(jī)體和4個(gè)旋翼都是曲面結(jié)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)方法構(gòu)建曲面，不僅設(shè)計(jì)效率低，而且還會(huì)增加后期復(fù)雜的飛行測(cè)試。因此，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，提高小型四旋翼飛行器開(kāi)發(fā)效率，探討將逆向工程技術(shù)應(yīng)用到小型四旋翼飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。通過(guò)掃描儀采集飛行器表面數(shù)據(jù)；采用Geomagic Design X軟件對(duì)飛行器表面逆向設(shè)計(jì)，解決曲面過(guò)程中所涉及的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)等關(guān)鍵問(wèn)題；基于逆向設(shè)計(jì)模型，可進(jìn)一步對(duì)飛行器進(jìn)行升級(jí)、更新等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。最后采用3D打印技術(shù)，完成了小型四旋翼飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)的快速制造，驗(yàn)證了逆向設(shè)計(jì)方法的有效性和可靠性。

1 小型四旋翼飛行器的逆向設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)等是逆向工程的關(guān)鍵核心技術(shù)[5]，通過(guò)掃描儀等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可獲取飛行器模型曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再由逆向工程軟件Geomagic Design X進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)等操作，構(gòu)建飛行器實(shí)物的三維模型。同時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)該模型編輯與修改等，完成飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 四旋翼飛行器逆向設(shè)計(jì)流程

1.1 飛行器曲面數(shù)據(jù)采集

本文四旋翼飛行器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備為加拿大Creaform公司的手持式三維激光掃描儀Handyscan700，其數(shù)據(jù)采集過(guò)程為：在預(yù)先放好的飛行器表面及周邊區(qū)域粘貼好定位點(diǎn)；打開(kāi)VXelements軟件，設(shè)置軟件相關(guān)參數(shù)，配置好傳感器；對(duì)飛行器曲面掃描，獲取掃描數(shù)據(jù)并保存以便后續(xù)處理。

為了保證掃描數(shù)據(jù)的有效可靠，在粘貼定位點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該避免隨機(jī)粘貼，保證每?jī)蓚€(gè)反光點(diǎn)間的距離大于20 mm，反光點(diǎn)與待掃描件邊緣的距離大于12 mm，同時(shí)避免反光點(diǎn)間呈線(xiàn)性排列。另外，在掃描前應(yīng)將待掃描件固定好，并將其置于掃描儀基準(zhǔn)距離范圍內(nèi)，掃描時(shí)掃描頭盡量與物體表面保持垂直。圖2所示為掃描所獲得的飛行器機(jī)體與旋翼的曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 飛行器主要部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在獲取曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)程中，不可避免存在諸如噪點(diǎn)、空洞、表面不光滑、邊界不光滑等外部因素干擾，致使獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在誤差，在逆向建模前必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低曲面建模難度，提高建模精度[4-5]。

Geomagic Design X是曲面快速重構(gòu)的典型逆向工程軟件，通過(guò)該軟件可將三維掃描儀掃描獲取的包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)的STL文件導(dǎo)入Geomagic Design軟件中進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括去除噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、去除特征、對(duì)齊點(diǎn)云、光順與平滑處理等環(huán)節(jié)[5]。

(1) 去除噪點(diǎn)。由于噪點(diǎn)通常會(huì)被引入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，造成粗糙、非均勻的曲面，部分噪點(diǎn)數(shù)量較大且附著在數(shù)據(jù)表面上，無(wú)法自動(dòng)分離和刪除。可先利用Geomagic Design X軟件圈選點(diǎn)方式刪除明顯的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，再利用三角形網(wǎng)格化命令以拾取方式刪除不明顯噪點(diǎn)。

(2) 數(shù)據(jù)填充。主要處理模型空洞邊界處存在的雜亂無(wú)章的尖銳三角形面片。在空洞填充前，先刪除雜面片，再填充數(shù)據(jù)。根據(jù)物體表面特征不同，有平面、切線(xiàn)和曲率等3種空洞填充方式，具有完整孔、搭橋孔和邊界孔3種空洞類(lèi)型。在實(shí)際處理過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)空洞類(lèi)型不同采取不同的處理方式。

(3) 去除局部特征。主要處理粗糙不光滑且凹凸不平的表面。Geomagic Design X軟件提供了去除特征和砂紙兩種功能，砂紙功能包含“松弛”和“快速平滑處理”兩種方式，為了保證處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光滑，一般將“偏差限制”設(shè)置在0.5 mm以?xún)?nèi)，控制噪點(diǎn)的最大偏移值不超過(guò)0.5 mm。

(4) 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理。由于掃描時(shí)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)極其密集且數(shù)量十分龐大，若不對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，將大大影響后期曲面的重構(gòu)效率，增加建模難度。為此，應(yīng)該在保證建模精度符合要求的前提下，對(duì)非關(guān)鍵點(diǎn)精簡(jiǎn)處理。本例中采用間距簡(jiǎn)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)，表1為飛行器機(jī)體采用不同參數(shù)時(shí)的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。據(jù)此，建模時(shí)選擇間距值為0.2 mm，這不僅能夠很好地保證特征的清晰度，而且還能有效減少點(diǎn)云數(shù)，點(diǎn)云數(shù)量減少了27%，提高了處理效率。

表1 飛行器機(jī)體按間距精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)

最終，通過(guò)上述去除噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)填充、去除局部特征、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化等預(yù)處理操作，獲得如圖3所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 飛行器預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3 飛行器的曲面重構(gòu)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

曲面重構(gòu)旨在獲得光順性與精確性高度統(tǒng)一的曲面模型，確保曲面模型的整體性能優(yōu)良，保證單張曲面擬合的準(zhǔn)確性和多個(gè)曲面間過(guò)渡的圓滑性。一般的曲面模型重構(gòu)步驟為：編輯輪廓線(xiàn)→構(gòu)造曲面片→修理曲面片→構(gòu)造柵格→生成與輸出曲面片。

小型四旋翼飛行器的曲面重構(gòu)主要根據(jù)特征點(diǎn)云擬合樣條曲線(xiàn)，通過(guò)調(diào)整樣條曲線(xiàn)的特征階數(shù)，使其與點(diǎn)云重合，再使用分割曲線(xiàn)和相接曲線(xiàn)去除多余曲線(xiàn)并將點(diǎn)連接，隨后通過(guò)擬合UV控制曲線(xiàn)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)曲面的重構(gòu)。

采用逆向工程方法對(duì)飛行器重構(gòu)后，可獲得基于現(xiàn)有飛行器產(chǎn)品的CAD三維建模數(shù)據(jù)，即CAD模型。在該CAD模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者可進(jìn)一步根據(jù)設(shè)計(jì)需要，采用設(shè)計(jì)軟件通過(guò)修改控制點(diǎn)或曲線(xiàn)階次和重新參數(shù)化等方法，調(diào)整控制點(diǎn)的階次和位置，對(duì)飛行器曲面局部進(jìn)行修改或調(diào)整，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級(jí)換代或結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時(shí)，還可根據(jù)實(shí)際需求或功能需求，基于所獲取的CAD模型，增加或更改部分結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品功能或其使用價(jià)值，如可根據(jù)實(shí)際需要，增加旋翼長(zhǎng)度等，從而實(shí)現(xiàn)基于個(gè)性化的飛行器快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)。圖4為重構(gòu)后所得小型四旋翼飛行器的機(jī)體和旋翼三維模型，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

圖4 小型四旋翼飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2 小型四旋翼飛行器的快速制造

近年來(lái)，快速制造尤其是以3D打印技術(shù)為代表的快速成型技術(shù)發(fā)展十分迅速，國(guó)內(nèi)外不少高校和企業(yè)也對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)，該技術(shù)也愈來(lái)愈成熟[7,9]。為了驗(yàn)證逆向工程技術(shù)在構(gòu)建小型四旋翼飛行器中的有效性，進(jìn)一步通過(guò)3D打印機(jī)快速制造對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

采用了MakerBot第4代3D打印機(jī)產(chǎn)品MakerBot Replicator 2，打印前先將經(jīng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的飛行器模型存儲(chǔ)為STL格式，導(dǎo)入打印機(jī)軟件MakerBot中，設(shè)置好3D打印機(jī)的參數(shù)，如打印質(zhì)量、支撐方式、截面高度、填充比例、噴頭溫度、材料類(lèi)型等。本次打印過(guò)程中，截面層高度設(shè)置為0.1 mm，填充支撐設(shè)置為15%，材料采用了聚乳酸塑料PLA，最終獲得圖5所示的3D打印機(jī)快速制造的模型,其中圖5(a)為經(jīng)過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的小型四旋翼飛行器模型，圖5(b)為經(jīng)過(guò)3D打印機(jī)快速制造的實(shí)物模型。

圖5 小型四旋翼飛行器創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速制造

3 結(jié) 論

針對(duì)小型四旋翼飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速制造，提出了一種將逆向工程與3D打印相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了飛行器的快速設(shè)計(jì)與制造。采用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，為復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一種全新建模思路與方法，而采用3D打印快速成型技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了逆向設(shè)計(jì)的有效性和可行性，為其他產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造提供了一種完整可靠的方案?？傊捎媚嫦蛟O(shè)計(jì)與3D快速成型相結(jié)合的技術(shù)，不僅可快速仿制復(fù)雜產(chǎn)品，而且還可以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，對(duì)原產(chǎn)品升級(jí)和優(yōu)化，大大加快了產(chǎn)品的研發(fā)速度，有利于縮短產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率。同時(shí)，本文所闡述的方法還能推廣到其他產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速制造中。