激光測繪系統(tǒng)在試驗機改裝中的應用研究

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(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

激光測繪系統(tǒng)在試驗機改裝中的應用研究

劉韶光，范歡歡，范曉龍，許建社

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

在介紹激光測繪系統(tǒng)組成和原理的基礎上，根據(jù)激光測繪系統(tǒng)掃描得到試驗機局部外形的點云數(shù)據(jù)，應用Geomagic和CATIA逆向設計軟件對獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理，并對試驗機的局部外形進行數(shù)字化建模，最終把該曲面數(shù)模應用到某次試驗機的改裝件設計過程中。在試驗機改裝中應用基于激光跟蹤儀的測繪掃描系統(tǒng)對試驗機進行數(shù)字化建模，對提高試驗機的改裝效率和安全性具有重要的意義。

激光測繪；試驗機；改裝；逆向設計

0 引言

飛行試驗是飛行器或被試產(chǎn)品在真實大氣條件下進行性能試驗的重要方法。試驗前，需要根據(jù)試飛科目和被試產(chǎn)品的要求對試驗機進行改裝，在改裝過程中必須以試驗機的局部外形和內部結構為基礎，進行改裝結構件的數(shù)字化設計工作。飛機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采樣法等[1]；但是，這些方法存在采點精度低、工作效率低和曲面重構難等缺點。采用基于激光跟蹤儀的測繪系統(tǒng)，可以提高飛機外形采集點的精度和效率，為試驗機數(shù)字化改裝提供可靠的設計依據(jù)，也可縮短試驗機的設計周期。

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、控制計算機、T-scan(高速手持式掃描儀)、T-CAM(高速照相機)、反射靶球、雙絞線、用戶計算機和配套軟件等組成。

1.2 系統(tǒng)的原理

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

x=rsinαsinβ
y=rsinαcosβ
z=rcosα

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

圖1 激光跟蹤儀測量坐標系

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，能滿足試驗機改裝對飛機外形曲面重構的要求。

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的三維坐標，形成點云數(shù)據(jù)，使試驗機的表面數(shù)字化，使所有點云處于同一坐標系下。

2 激光測繪系統(tǒng)在試驗機改裝中的應用

由于試驗機經(jīng)過多次飛行試驗，飛機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)采集的試驗機局部外形點云數(shù)據(jù)是試驗機發(fā)生形變后的外形數(shù)據(jù)，與原機的理論數(shù)據(jù)有一定的差距。對該點云來說，可根據(jù)不同的需求進行具體的曲面模型重構。當需要在試驗機局部加裝某些設備(如天線、攝像頭和傳感器等)，以試驗機現(xiàn)有的局部外形作為改裝設計基礎文件時，可以直接用采集的點云數(shù)據(jù)進行曲面模型重構，這樣可以真實地反映局部外形，曲面模型的局部精度較高，便于設計制造的改裝件與原機外形具有良好的裝配性能；當以飛機理論外形為基礎進行大型改裝部件(如機頭過渡段、雷達罩等)設計時，需重構高質量的曲面模型，而且能與飛機理論外形最接近，便于進行氣動計算及風洞試驗。

采集的點云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過格式轉換、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)修補、數(shù)據(jù)抽稀和數(shù)據(jù)分塊等步驟后，才能進行曲面重構工作[2]。應用逆向設計軟件(CATIA，Imageware和Geomagic等)對獲取的點云進行處理，重構表面外形，以此作為試驗機改裝結構零件設計的基礎依據(jù)，設計流程如圖2所示。

圖2 基于激光測繪系統(tǒng)的曲面重構流程

2.1 點云數(shù)據(jù)的采集

在進行數(shù)據(jù)采集時，首先，用激光跟蹤儀測量飛機上的標志點，構建全機測量坐標系，目的是單次所采集的局部外形點云數(shù)據(jù)處于飛機坐標系下；其次，用T-scan進行數(shù)據(jù)采集，所采集的點云數(shù)據(jù)都是在測量坐標系下的數(shù)值，便于后期曲面數(shù)字化模型的重構工作。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)的準確性和完整性。

2.2 點云數(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。在對試驗機進行測繪的過程中，不可避免地會引入噪點數(shù)據(jù)，這些噪點主要是由于測量設備、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。在試驗機測繪中采用的降噪方法主要有2種：

a.直觀檢測法。通過計算機顯示器，將目測的與截面數(shù)據(jù)點集偏離較大的點、孤點、異常點、與曲面重構無關的多余點等進行剔除。

b.曲率估計法。因為噪點具有較高的局部特性和極端特性，把采集的點云中每一點的縱橫比和曲率估計與整體點云的平均值相比較，對點云進行判斷、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)只有在同一坐標系下才能進行曲面的重構工作，這就需要對多次采集的數(shù)據(jù)進行坐標同一變換，使測繪數(shù)據(jù)對齊。

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

2.3 構造曲線的創(chuàng)建

曲線是構造曲面的前提，構建曲線的點必須選擇得合理恰當，才能使構造的曲線既光順又滿足精度的要求。在構造曲面之前，通過擬合、逼近和優(yōu)化的方法生成高質量曲線，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，滿足曲線變化均勻的要求。

2.4 曲面的重構

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工作[3]。為了更好地反映被測繪試驗機的局部外形，根據(jù)結構設計的要求構造曲面，以該曲面作為試驗機改裝設計的基礎文件。由曲線重構的外形曲面，根據(jù)具體改裝設計情況確定生成曲面的類型，使用CATIA軟件平臺Deviation Analysis工具，進行飛機曲面部分區(qū)域及外形曲面與點云數(shù)據(jù)的誤差分析。通過編輯和調整曲面，滿足后期試驗機改裝結構設計對曲面質量的要求。

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

2.5 基于重構曲面的改裝件設計

某型試驗機由于飛行試驗要求，需要在該飛機的機身外部加改裝某被試產(chǎn)品，要求改裝件與原機蒙皮接觸良好并具有足夠的強度。被試產(chǎn)品安裝部位的曲面外形是進行改裝部位結構數(shù)字化設計的基礎，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)對該部位進行測繪，應用CATIA軟件逆向設計模塊對獲取的點云進行曲面擬合，構建飛機局部外形三維數(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)的試驗機改裝流程

根據(jù)被試產(chǎn)品安裝要求，在CATIA三維設計軟件中，以該重構曲面為基礎，考慮該蒙皮曲面的實際厚度，通過機械設計模塊完成加裝設備的改裝零部件設計工作。設計的法蘭盤表面與原機蒙皮曲面具有良好的裝配性能，能夠與試驗機改裝部位的外形緊密接觸，使連接件的受力情況均勻分布，避免了應力集中現(xiàn)象，具有很好的加強和固定被試設備的作用，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，提高了試驗機改裝效率。改裝件的設計效果如圖4所示。

圖4 基于重構曲面的改裝件設計

3 結束語

將激光測繪系統(tǒng)應用到試驗機的改裝設計中，以T-Scan獲取的試驗機改裝部位的點云數(shù)據(jù)為基礎，應用曲面重構軟件構建試驗機改裝部位的高精度三維外形模型，是進行下一階段改裝機械結構設計的基礎性文件，基于該曲面外形而設計的改裝零部件能夠與原機具有良好的裝配性。逆向設計技術與數(shù)字化設計技術的結合，大幅提高了改裝質量和效率，將試驗機改裝技術推向了更高的水平。

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

[2] 汪 俊.飛機結構件反求建模關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學，2007.

[3] 王延鳳.激光跟蹤儀結合CATIA在飛機外形測繪中的應用[C]∥中國航空學會飛機總體專業(yè)委員會飛機幾何設計專業(yè)學組第五次學術交流會論文匯編.中國航空學會，2002：55-63.

[4] 程軍濤.逆向工程中曲面重構技術的應用研究[D].洛陽：河南科技大學，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，山西運城人，工程師，碩士研究生，主要從事試驗機加改裝結構設計工作；范歡歡(1984-)，男，河南三門峽人，工程師，碩士研究生，主要從事試驗機加改裝總體設計工作。