基于激光雷達的飛機外形檢測路徑規劃研究

侯尚，翟建軍，黃翔，徐菁

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 成都飛機工業(集團)有限責任公司, 四川 成都 610092)

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基于激光雷達的飛機外形檢測路徑規劃研究

侯尚1，翟建軍1，黃翔1，徐菁2

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 成都飛機工業(集團)有限責任公司, 四川 成都 610092)

摘要：飛機外形的控制是建立在精確測量的基礎上。國內目前飛機外形檢測主要依靠卡板等工藝裝備，在測量準確度和效率上都無法滿足現代飛機測量要求。采用一種利用激光雷達，在CATIA中進行測量路徑規劃和檢測結果仿真，與激光雷達通信完成測量的方法，實現了飛機外形現場自動化測量。為了在保證測量精度的前提下，能夠以最短的路徑安全而又高效地遍歷待測對象的檢測區域，研究了自由曲面的測點規劃布置的算法原理，在此基礎上提出了矩形合并測量路徑規劃方法，可以有效地指導飛機外形現場數字化測量。運用提出的矩形合并測量路徑規劃方法，對中機翼段模型進行仿真分析取得了良好的效果，為飛機外形數字化檢測提供了有效方法。

關鍵詞：飛機外形；數字化測量；激光雷達；路徑規劃

我國目前飛機外形檢測主要依靠卡板等工藝裝備，在測量準確度和效率上都無法滿足現代飛機測量要求。對飛機外形進行現場數字化測量，獲得外形的高精度三維數據并與設計數模進行可靠的分析對比。一方面能為現有裝配工藝下的飛機外形品質提供可靠的數字化評價，另一方面可以在測量數據不斷積累的基礎上，通過檢測結果的統計分析，找出影響飛機外形品質的關鍵因素，進而建立檢測結果和誤差影響因素的統計圖表，為裝配工藝的設計與改進提供理論和實踐參考，從而實現飛機外形的制造品質持續提升[1]。

測量路徑的規劃是飛機外形檢測中的一個關鍵問題，其目的是在保證測量精度的前提下，能夠以最短的路徑，安全而又高效地遍歷待測對象的檢測區域。飛機外形的檢測實際上是對自由曲面的蒙皮外形的檢測。Kam提出了幾何分解方法完成曲面形狀檢測的思想，采用“曲面—曲線—點集—測點集”的分解次序，實現從曲面到測點集的分解和曲面評價工作[2]。自由曲面測量時，等間距測量[3,4]是簡單易行的測量方法，但為了保證測量精度就必須縮小測量間距，這使得測量效率顯著降低并影響后續誤差評定。一種理想的方法是使測點的分布疏密隨曲面曲率的變化而變化，曲率越大，測點越密，反之則越疏，從而較好地反映待測曲面的幾何形狀信息，實現測點的自適應分布。

本文針對飛機外形檢測效率低、精度差等問題，采用激光雷達，在CATIA中進行測量路徑規劃和檢測結果仿真，與激光雷達完成通信，實現飛機外形現場自動化測量的方法，開發了飛機外形數字化檢測系統，較好地解決了平衡測量效率與精度問題。針對測量路徑規劃問題，研究了自由曲面的測點規劃布置的算法原理，提出了矩形合并測量規劃方法，可以有效地指導飛機外形現場數字化測量。

1飛機外形數字化檢測系統硬件組成與工作原理

飛機外形檢測系統的硬件是由激光雷達、計算機、移動工作站、不間斷電源UPS(uninterrupted power supply) 和輸出設備等組成的數字化檢測系統。其中激光雷達是實現飛機外形精密測量的關鍵部件。激光雷達是一種大尺寸、非接觸、高精度、自動化、便攜式數字化測量設備。激光雷達擁有球形測量系統(圖1)，通過運用調頻相干激光雷達測距技術和高精度反射鏡和紅外激光光束測得被測點的距離R、方位角AZ和俯仰角EI，從而轉換得出被測點的三維坐標信息。被測點空間坐標計算式為：

(1)

激光雷達測距原理(圖2)：激光器發出兩束激光，一束射到被測工件表面并返回到達激光器內部；另一束射向內部校準光纖。接收器接收返回信號，通過混頻器比較出兩束激光的頻率差Δf得出兩束激光的時間差Δt，再通過時間與距離的關系便可以計算出激光測量系統與被測點的之間絕對距離。

圖1　駕駛室結構框架

圖2　激光雷達測距原理

本系統采用Metris激光雷達MV224進行測量，激光雷達MV224的距離測量范圍為24m，方位角為360°，俯仰角為±45°，測量精度為10μm+10μm /m(2σ)，可完成大尺寸遠距離的自動化測量。

測量流程如圖3所示，包括：1) 測量基準的建立；2) 激光雷達的布站；3) 測量路徑規劃與仿真；4) 激光雷達實際測量；5) 數據處理；6) 輸出測量報告。

圖3　飛機外形數字化測量流程

2飛機外形檢測路徑規劃

測量路徑的規劃是飛機外形檢測中的一個關鍵問題。為了在保證測量精度的前提下，能夠以最短的路徑安全而又高效地遍歷待測對象的檢測區域，下面研究了自由曲面的測點規劃布置的算法原理，在此基礎上提出了矩形合并測量路徑規劃方法。

2.1　已知曲面的測點規劃

在對飛機外形進行檢測過程中，數模是已知的，其測量規劃的目標是在滿足測量精度要求的前提下使測點的數目盡可能地少，同時使測點分布的疏密隨曲面曲率變化而變化，實現測點的自適應分布。對已知曲面進行測點規劃布置的算法原理[5]如圖4所示。

圖4　曲面測點規劃布置原理圖

(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ε為給定的精度要求：

(4)

2.2　矩形合并檢測規劃方法

激光雷達可以進行矩形盒掃描模式，設置掃描參數(測點間距、掃描速度)，同時設置多個矩形測量區域，實現自動化測量。因此，基于2.1中曲面測點規劃布置原理，本文提出一種簡單快速的規劃方法——矩形合并測量規劃方法如圖5所示。

圖5　曲面矩形合并規劃方法

基本步驟如下：

1) 將所測區域進行初始分割，根據被測區域的大小將它分成M×N個細小的矩形區域，確定出每個矩形的基本參數；

2) 將所有的M×N個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，轉步驟3)。

7) 若堆棧S1與S3為空，結束，否則轉步驟3)。

該方法可以快速高效地規劃出待檢測區域的測點數目和分布，滿足測點分布的疏密適應曲面曲率變化的要求，具有規劃簡單，算法簡潔，結構清晰，易于實現，能有效地提高測量效率等優點。

3實例驗證

以飛機中機翼段模型測量規劃為實例，系統地驗證了本文系統在飛機外形測量中的可用性和實用性。在本實例中，選擇激光雷達為測量儀器，采用矩形盒掃描方式，采用了2個測量站位(圖6)。通過對機翼數模進行細小矩形劃分、曲率分析及需測量的關鍵棧位提取(圖7)，完成矩形合并測量路徑規劃(圖8)，實現路徑掃描仿真(圖9)。仿真結果表明，能夠完成機翼外形自動化、全尺寸數字化測量，所需轉站次數少，且在曲率大的區域測點分布較密，而在曲率小的區域分布較疏。

圖6　測量儀器站位

圖7　矩形劃分、曲率分析及棧位提取

圖8　矩形合并測量路徑規劃結果

圖9　路徑掃描仿真結果

4結語

本文對飛機外形數字化檢測路徑規劃進行了研究。采用的利用激光雷達，在CATIA中進行測量路徑規劃和檢測結果仿真，與激光雷達完成通信，實現飛機外形現場自動化測量的方法，較好地解決了平衡測量效率與精度問題。提出了矩形合并測量路徑規劃方法，算法簡單可靠，容易實現，運行速度比較快。運用提出的矩形合并測量路徑規劃方法，對中機翼段模型進行仿真分析取得了良好的效果，為飛機外形數字化檢測提供了有效方法。

參考文獻:

[1] 劉勝蘭，羅志光，等．飛機復雜裝配部件三維數字化綜合測量與評估方法研究[J]．航空學報，2012(33)：1-10.

[2] Kam C L. A geometric decom position method for part programming of CMMS.In Proceedi-ng of AUTO FACT EUROPE Conference, 1983. 13-15-13-24.

[3] Smith K B, et al. Multi-laser displacement sensor used in accurate digitizing technique. Tran-sactions of the ASME. Journal of Engineering for Industry, 1994,22(5):482-490.

[4] Saito K, Miyoshi T. Non-contact 3-D digitizing and machining system for free-form surface. Annals of the CIRP, 1991, 40:483-486.

[5] 李劍，王文，等．自由曲面非接觸式測量路徑規劃及相關算法研究[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2002，14(4)：1-5.

[6] 吳大任．微分幾何講義[M] ．北京：人民教育出版社，1982.

[7] 來新民，黃田，等．數學模型已知的自由曲面數字化自適應采樣[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，1999,11(4):359-362．

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：V556.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0106-03

作者簡介：侯尚(1990-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向為數字化裝配。

收稿日期：2014-11-26 2014-11-12