基于面結構光的飛機艙門間隙測量技術與應用

趙洪偉, 胡鵬宇, 楊樹明, 張國鋒, 鄧惠文, 李霖, 高戰朋

(1.西安交通大學機械工程學院, 西安 710000; 2.中國飛機強度研究所, 強度與結構完整性全國重點實驗室, 西安 710065)

隨著航空工業的發展,隱身性能已成為新型戰機研制追求的關鍵指標之一。為了隱身,尤其在外形設計上,讓飛機表面盡可能光滑、平展、沒有縫隙,減少雷達散射截面(radar cross section,RCS)。目前大型飛機上有較多的間隙,尤其是狹長的艙門間隙,飛行中受載較大,若其結構剛度或結構形式不合理,將發生超出允許范圍的不均勻變形[1-2],影響隱身效果(RCS增大)。間隙變形已成為隱身性和安全性的重要因素之一[3-4]。通過艙門間隙變形實際測量,獲取數據來優化艙門結構,然而試驗環境復雜、載荷等效不確定性以及測量手段單一導致間隙測量精度難以保證。該類間隙狹長,測量精度要求高(≤35 μm),且沿著縱向間隙初始量和變形量具有非均勻性和動態性。

對于間隙測量,國內外的測量手段均是從傳統的塞尺、塞規等工具[5]進行手動測量逐漸發展到目前以數字化技術測量為主,且由于條紋投影輪廓術具有高精度、快速、全場、非接觸等優點,該方法已成為國內外研究的主要技術。

隨著測量技術的不斷發展,國外對間隙和階差的測量研究愈發成熟[6-8],并已開發了相關的測量設備。例如,英國Third Dimension Software公司開發的Gapgun測量系統,利用單相機與線結構光的方法實現對間隙特征的快速測量,該設備的間隙與階差測量范圍在0.1～40 mm,測量精度可達到20 μm;法國CAPACITEC公司開發的Gapman設備通過感知間隙邊緣引起的電容傳感器電場的變化來獲取對縫間隙的尺寸信息,測量范圍在0.19～25 mm之間,測量分辨率為0.1%量程,測量精度優于±0.5%量程,該設備目前已廣泛應用于空客A320、波音737 max等飛機的間隙測量中,但無法實現對間隙的階差尺寸的測量;加拿大LMI TECHNOLOGIES(簡稱“LMI”)公司使用機械臂夾持Gocator2340沿離線規劃的運動軌跡對間隙進行掃描,在掃描過程中對待測間隙進行連續采樣測量并進行三維重建,通過對重建模型中的間隙進行分析獲取間隙尺寸。

中國雖然也對飛機艙門間隙與階差的測量展開了大量研究,但由于數字化測量方面的研究相較于國外起步較晚,目前對間隙測量的研究多以高校為主,南京航空航天大學開發了線結構光視覺測量系統[9],對飛機裝配階差和間隙進行檢測,但只能進行靜態測量,測量傾斜物體時存在尺寸偏差的問題。某飛機制造部門應用激光檢測儀對飛機裝配接縫進行檢測[10],但檢測儀使用范圍較小,并且無法獲取接縫的測量位置信息。許大師等[11]提出了階差與間隙測量模型,使用線結構光視覺傳感器完成階差與間隙的尺寸測量,利用室內定位系統(Indoor GPS,“iGPS”)測量系統對視覺傳感器的位姿進行實時跟蹤測量,確定階差與間隙的測量位置,實現5 mm 內階差的重復測量精度優于0.04 mm,間隙的重復測量精度優于0.05 mm。已成型的間隙測量系統多為仿制國外產品,例如杭州易思維公司研發的手持式的線結構光視覺測量設備與英國的Gapgun設備類似,其測量精度為±50 μm。盡管國內對艙門間隙三維測量的研究已經產生大量成果,但上述研究針對如何使用較少的結構光圖案恢復絕對相位以及如何對運動引起的相位誤差進行估計和補償問題都未給予充分解決。另外,國內在三維重建技術、結構光中心線提取方面[12-16]也開展了研究,但均未針對微輻運動補償進行深入套索。現結合數字圖像相關法(digatal image correlation, DIC)技術,利用高速投影儀將三步相移條紋投射到間隙的散斑圖中,對散斑圖像的分辨率進行優化,基于立體結構光模型,對被測件進行三維重構,通過對重構曲面切面的形式提取間隙寬度及階差的圖像,實現間隙全場三維測量,并將該方法應用于飛機艙門間隙測量。

1 研究思路

本文方法流程如圖1所示。研究條紋投影結構形面測量方法,包括在不需要空間相位展開過程或任何先驗信息的情況下搜索包裹相位圖中每個有效像素的立體對應和絕對條紋順序,生成初始視差圖和絕對相位圖并進行了視差優化;建立立體結構光模型,利用視差圖和絕對相位圖計算三維坐標。對得到的數據進行處理,包括建立被測件的物理坐標系,曲面截取以及對間隙位移量提取;開展實驗驗證與方法應用。

圖1 本文方法的流程圖Fig.1 Flowchart of the proposed method

2 條紋投影結構形面測量方法

2.1 圖像匹配方法

使用高速投影儀將三步相移條紋圖案(至少需要 3 幅相移圖像才可求解相位)和一個散斑圖案投射到有間隙的曲面上,并同步觸發兩個工業攝像機來提取間隙圖像。三步相移條紋圖的強度可以用公式描述為

I1(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)]

(1)

I2(x,y)=A(x,y)+
B(x,y)cos[φ(x,y)+2π/3]

(2)

I3(x,y)=A(x,y)+
B(x,y)cos[φ(x,y)+4π/3]

(3)

(4)

式中:(x,y)為像素坐標;A(x,y)為背景強度;B(x,y)為調制強度;φ(x,y)為相位值。

消除包裹的相位圖中的陰影區域,A(x,y)通過公式A(x,y)=(I1+I2+I3)計算,然后將其與閾值強度值進行比較。

圖2 相位匹配原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase matching

2.2 圖像濾波及視差優化方法

(5)

通過重新投影進行濾波。在左攝像機坐標中計算三維點pj,并重新投影到投影儀圖像平面上,即

(6)

(7)

式(7)中:f為條紋數;w為條紋圖案的寬度。

(8)

為了減少相位誤差和候選搜索誤差的影響,在候選對象過濾中應用了閾值。如果|kj-round(kj)|≤threshold, 候選對象將被保留,其差異將記錄在視差體積的元素中,該元素存儲左側圖像像素的所有可能視差。

圖3 確定候選像素中對應像素的示意圖Fig.3 Schematic diagram of determining the corresponding pixels in the candidate pixels

零平均歸一化互相關(zero-nomalizedcross-correlation, ZNCC)值是計算兩幅圖像之間相似性的常用描述符,但復雜圖像相關性需要大量計算,使用一種變體ZNCC來加速相關性計算,其表示為

VZNCC=

(9)

為了保持相移輪廓的原始分辨率,提出一種快速可靠的視差間斷分割和填充方案,用于補償具有錯誤視差的像素。開發了基于遞歸的連通區域標記算法,通過檢查連通區域的面積大小來提取不連續區域。對于不連續區域中每個像素pi,搜索其最近的有效像素p′i并通過周期圖獲取條紋數量k′i。在pi處檢查視差體積,在視差體積元素中是否有一個候選對象的視差。如果是的話,這個候選對象的視差被認為是pi真實視差,在pi處的周期圖設置為k′i。如果沒有,pi設置為無效像素。所提出的視差補償方案可以利用條紋周期信息(而不是直接利用相鄰視差進行插值)可靠、準確地檢索錯誤像素的正確對應關系。利用相鄰像素的相位值對視差圖進行線性擬合,獲得亞像素立體對應。對于左相位圖中給定像素pl,pr是右相位圖中pl的匹配像素,可以通過使用相鄰像素pr的相位值擬合直線來計算亞像素匹配點。由于右相位圖已包裝,pr的三個值需要考慮調整的pr-及pr+的相位值來得到。經過視差優化,得到最終的視差圖和左展開相位圖。

2.3 基于立體結構光模型三維掃描方法

使用左攝像機坐標作為測量坐標,構建立體結構光模型,計算間隙特征點的三維信息,實現三維重構,其模型描述為

(10)

(11)

(12)

(13)

圖4 立體結構光模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of 3D structured light model

3 測量數據處理方法研究

3.1 建立被測件物理坐標系

由于設備獲取到的三維數據是建立在設備坐標系下的,因此不能直接用于提取間隙在X、Y、Z三個方向的位移和變形,需要先建立工件坐標系,并得到測量坐標系與工件坐標系的變換關系,從而將所有加載狀態下所測的間隙的三維數據統一轉換到工件坐標系下,繼而對工件坐標系下的三維數據進行位移和變形量提取。因此這一步的關鍵在于工件坐標系的建立以及坐標變換關系的確立。

工件坐標系的建立方法有兩種。一是利用采集到的三維數據,根據機身表面的一些固有特征,手動建立以表面特征為基準的X、Y、Z坐標系,這種方法無需任何其他輔助手段,只需對所測數據進行簡單的選取特征操作即可。

3.2 間隙位移量提取

通過條紋投影結構形面測量算法研究獲取不同狀態下的間隙的高分辨率三維數據。為量化直觀地對間隙與階差變形進行表征,可以在三維形貌數據中選取某一截面,得到艙門間隙在該截面的剖面曲線。首先,在工件坐標系下,建立一個平行于XY平面的截面,如圖5所示,該平面與不同加載狀態下的艙門輪廓相交,得到由離散的三維輪廓點組成的交線,取XZ平面投影,獲取剖面線的數據分布。通過對得到的切面刨面進行分析獲得間隙與階差位移量。

圖5 曲面截取示意圖Fig.5 Schematic diagram of surface capture

4 實驗驗證與方法應用

4.1 實驗設計與光學測量裝置設計與搭建

基于本文方法來搭建間隙光學測量裝置。高速立體結構光系統由兩個工業攝像機(Ximea MQ013MG-ON)組成,采集圖像大小為1 280×1 024像素,配備12 mm焦距鏡頭(CHIOPT FA1201C)和一個高速數字投影儀(Texas Instruments DLP4500),組成結構光雙目視覺三維測量系統,如圖6所示。視場為300 mm×400 mm,測量數據空間分辨率為0.08 mm,三維測量精度為20 μm,單次數據采集時間為0.3 s。

圖6 結構光雙目視覺三維測量裝置Fig.6 Structured light binocular vision 3D measuring device

4.2 實驗驗證

為驗證本文方法的有效性和精度,制作系列不同寬度和不同階差的間隙標準件,事先測定間隙的寬度和階差;增加外部光源,設備補光光源以及加載低頻微幅振動等外部條件到標準件上,通過本方法獲得標準間隙的寬度和階差;通過和真值的比較,驗證本文方法的有效性和精度,具體試驗驗證如圖7所示。

圖7 實驗驗證裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of experimental verification device

驗證實驗中,對兩個變形分別為 29.993 4 mm 和30.005 6 mm的標準間隙進行了進行了靜態測量和動態測量,得到了測量結果如圖8所示。從測量結果中可以看出,本文方法的動態測量誤差約為 0.02 mm,雖然動態測量精度仍不如靜態測量,但該方法在減小運動誤差方面是有效的,且滿足需求指標。

圖8 標準間隙測量結果Fig.8 Standard gap measurement results

4.3 方法應用

針對飛機充壓試驗中艙門間隙變形測量問題,利用本文方法獲取了間隙寬度和階差數據。

分別對0～29 kPa加載過程中間隙的三維形貌進行測量,得到機身蒙皮和艙門部分對應的三維輪廓數據,如圖9與圖10所示,平均點間距為0.08 mm。圖10顯示了0 kPa下艙門縫隙的三維形貌重建結果,從中可以看出整個間隙呈空間非均勻分布,且縫隙間距處處不相等。

圖9 0 kPa時艙門間隙的三維形貌Fig.9 3D morphology of door gap and step at 0 kPa

圖10 0～29 kPa加載狀態下的三維形貌Fig.10 3D morphology under loading conditions of 0～29 kPa

圖10顯示了0～29 kPa所有加載狀態下的三維形貌疊加結果,不同顏色數據點表示不同加載狀態下的數據。從圖10中可以看出:

(1)隨著加載壓強不斷增大,機身和艙門表面均向外膨脹產生位移,且艙門的位移量比機身更明顯。

(2)艙門間隙在X、Y、Z三個方向均發生改變,其中在深度方向的階差變化最為明顯。

在工件坐標系下,建立一個平行于XY平面的截面,該平面與不同加載狀態下的艙門輪廓相交,得到由離散的三維輪廓點組成的交線,取XZ平面投影,得到剖面線的數據分布。圖11顯示了0～29 kPa加載狀態下的間隙截面變化曲線,從圖11中可知:

圖11 0～29 kPa加載下某截面間隙變化Fig.11 Change in gap of a section under 0～29 kPa loading

(1)隨著加載壓強的升高,機身(左側曲線)和艙門(右側曲線)在Z方向上均產生明顯位移,艙門位移變化更大。

(2)艙門間隙在X方向和Z方向均有增加,Z方向的階差變化較大,X方向的間隙長度變化較小。

(3)不同加載條件下的間隙變化清晰可見,表明系統分辨率滿足微小變形的檢測需求。

此外,對每個加載狀態下間隙的X方向寬度和Z方向階差數據進行提取,得到的處理結果如圖12所示。

圖12 0～29 kPa充壓加載下間隙變形曲線Fig.12 Gap deformation curve under 0～29 kPa charging load

從圖12中可知:

(1)隨著壓強增加,間隙階差不斷增大,且在0～20 kPa加載過程中,階差程快速線性增長,20 kPa之后階差趨于穩定,最大階差約為7.18 mm。

(2)間隙寬度表現出相似的變化特征,隨著壓強增加,間隙寬度程線性增大,25 kPa之后寬度趨于穩定,最大寬度約為5.8 mm。

隨壓強增加,間隙階差以及寬度也呈現線性增長,階差在20 kPa時趨于穩定,間隙寬度在20 kPa時趨于穩定。

5 結論

(1)通過不同加載條件下的三維形貌數據可以看出,使用結構光雙目視覺三維輪廓測量系統可以比較好地分辨艙門間隙的微小位移及三維變形,滿足間隙三維測量的分辨率和精度要求。

(2) 擬采用的結構光雙目視覺三維檢測方案,可以獲取機身和艙門的高分辨率點云數據。因此,相比于靶標式攝影測量技術以及散斑式DIC技術,所提方案可以更加準確的表征間隙在X、Y、Z三個方向的實際位移和變形。

(3) 所提方案無需其他輔助手段(例如噴涂散斑、粘貼靶標點等),現場安裝調試方便,且可根據測量需求自定義工件坐標系和局部坐標系,數據處理過程高效直觀,人機交互性良好。