朱 贊,姚 钘,王建琦,李 陽(yáng),龍?jiān)娍?/p>

(1. 桂林航天工業(yè)學(xué)院航空宇航學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2. 廣西高校無(wú)人機(jī)遙測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

三維激光掃描(TLS)技術(shù)作為目前應(yīng)用最廣泛的逆向工程技術(shù),又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)的三維場(chǎng)景重構(gòu)。該技術(shù)的核心思想是利用面陣激光測(cè)距的原理,在不接觸待測(cè)物體的情況下獲取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行逆向建模。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,TLS技術(shù)可以分為兩大類:一類是進(jìn)行大面積、大體積對(duì)象的地面三維場(chǎng)景重建,如近年來(lái)TLS技術(shù)在高精度地形圖的測(cè)繪[1],滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估[2],道路橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的變形監(jiān)測(cè)[3-4],建筑與地下工程的竣工測(cè)量和運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)[5-6]等相關(guān)領(lǐng)域的工作中都有著較為成熟的應(yīng)用;另一類是進(jìn)行中型或小型精度較高零部件的逆向測(cè)繪,如將TLS技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械零部件的高精度逆向建模與內(nèi)部缺陷檢測(cè)[7-8],電力巡檢系統(tǒng)的構(gòu)建與檢測(cè)[9-10],文物三維重構(gòu)修復(fù)與保護(hù)[11-12]等領(lǐng)域的工作中,都取得了良好的效果。這兩類應(yīng)用的本質(zhì)都是以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行逆向三維重構(gòu),但由于應(yīng)用場(chǎng)景和精度要求的不同,又有著不同的數(shù)據(jù)處理技術(shù)要點(diǎn)。

飛機(jī)在長(zhǎng)期飛行過(guò)程中,機(jī)翼和機(jī)身通常會(huì)產(chǎn)生局部和結(jié)構(gòu)性的微小變形,進(jìn)而影響飛行的氣動(dòng)性能,甚至威脅飛機(jī)飛行的安全性。加之這種微小變形通常人眼無(wú)法直接感受和識(shí)別,由此給飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成了較大困難。將TLS技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,目前已有部分學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。文獻(xiàn)[13]利用激光點(diǎn)云技術(shù)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)量;文獻(xiàn)[14—16]將TLS技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)整機(jī)測(cè)量和零部件缺陷的檢測(cè)中,取得了毫米級(jí)的檢驗(yàn)精度;文獻(xiàn)[17—18]將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于飛機(jī)插配零部件數(shù)字化裝配、碰撞檢測(cè)和機(jī)翼C梁變形檢測(cè)中,取得了良好的效果;文獻(xiàn)[19—20]將TLS技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮損傷的三維重建和視覺(jué)檢測(cè)中,損傷驗(yàn)證的準(zhǔn)確度得到有效提升。以上學(xué)者的相關(guān)研究從不同角度對(duì)TLS技術(shù)在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的各個(gè)部位各個(gè)類型的變形檢測(cè)進(jìn)行深入研究與探討,為本文技術(shù)方案的設(shè)計(jì)和分析方法的選取提供了重要的參考依據(jù)。本文將TLS技術(shù)應(yīng)用于機(jī)翼的微變形檢測(cè)中,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該過(guò)程中點(diǎn)云獲取、點(diǎn)云配準(zhǔn)、濾波去噪、封裝建模和變形指標(biāo)提取等各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了探索,并通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)的精度進(jìn)行評(píng)定和分析,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)技術(shù)路線的可行性和精度效果的驗(yàn)證和研究。

1 技術(shù)原理與方案設(shè)計(jì)

1.1 TLS技術(shù)原理

TLS是繼GPS空間定位技術(shù)之后的一種全新測(cè)繪技術(shù),它是利用激光測(cè)距原理,通過(guò)線陣或面陣的激光掃描獲取被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo),以此形成密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)制待測(cè)目標(biāo)的空間形態(tài)的目的。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描計(jì)算原理如圖1和式(1)所示。

圖1 TLS技術(shù)點(diǎn)云獲取計(jì)算原理

(1)

式中,O點(diǎn)為掃描設(shè)備中心;P點(diǎn)為待測(cè)物體表面點(diǎn);S為激光測(cè)距獲取的距離。

1.2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

基于TLS技術(shù)的機(jī)翼微變形檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)主要包括3個(gè)環(huán)節(jié):①機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理。該環(huán)節(jié)主要包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描獲取、點(diǎn)云濾波去噪和點(diǎn)云配準(zhǔn)3個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。通過(guò)該環(huán)節(jié)能夠獲取高精度的機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)。②點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝與建模處理。該環(huán)節(jié)主要包含點(diǎn)云封裝、精度評(píng)價(jià)和機(jī)翼模型構(gòu)建3個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。通過(guò)該環(huán)節(jié)能夠構(gòu)建出精確的機(jī)翼三維數(shù)字模型。③機(jī)翼微變形量探測(cè)與精度評(píng)價(jià)。該環(huán)節(jié)主要包含機(jī)翼微變形量探測(cè)和探測(cè)精度評(píng)價(jià)兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。通過(guò)該環(huán)節(jié)能探測(cè)出機(jī)翼微變形量的大小和分布位置。具體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程

2 機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維建模

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備選取

本文選取的三維激光掃描設(shè)備為先臨EinScan Pro 2X 2020型手持三維激光掃描儀,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三維激光掃描儀設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

本文選取的測(cè)量對(duì)象為比例1∶160的民航客機(jī)機(jī)模,機(jī)型為Airbus A380,掃描機(jī)翼為左翼。在試驗(yàn)中需要設(shè)置兩組機(jī)翼:一組為有變形的機(jī)翼,作為試驗(yàn)組;另一組為未變形的機(jī)翼,作為對(duì)照組,即用于變形檢測(cè)的基準(zhǔn)。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描獲取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描采用30幀/s的快速掃描模式,掃描空間點(diǎn)距設(shè)置為0.2 mm,掃描順序依次為:機(jī)翼上表、下表和引擎。在掃描工作中需要分別掃描試驗(yàn)組和對(duì)照組的機(jī)翼模型,掃描獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3(a)所示。

圖3 機(jī)翼點(diǎn)云配準(zhǔn)前后對(duì)比

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

通過(guò)掃描獲取的機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于多站散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù),需要配準(zhǔn)處理后才能進(jìn)行后續(xù)操作。EinScan Pro 2X 2020配套的數(shù)據(jù)處理技術(shù)提供了兩種配準(zhǔn)方案:一是標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)法,主要針對(duì)精細(xì)掃描和表面特征不豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù);二是特征點(diǎn)配準(zhǔn)法,主要針對(duì)快速掃描和表面特征豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于該機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)是采用快速掃描模式獲取的,且機(jī)翼表面存在一定數(shù)量的特征點(diǎn)。因此,采用特征點(diǎn)配準(zhǔn)法首先對(duì)多站散亂點(diǎn)云進(jìn)行拼接處理,以構(gòu)建完整的機(jī)翼點(diǎn)云模型;然后對(duì)兩組機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)處理,配準(zhǔn)精度RMSE保證在0.2 mm之內(nèi)。點(diǎn)云配準(zhǔn)如圖3所示。

2.2.2 點(diǎn)云濾波去噪

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波去噪處理,處理過(guò)程主要步驟為:①按多邊形過(guò)濾處理,主要用于剔除掃描對(duì)象范圍之外的非目標(biāo)性點(diǎn)云,如掃描進(jìn)入視野中的環(huán)境物品、輔助設(shè)備和其他零部件等點(diǎn)云;②點(diǎn)云過(guò)濾處理,直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描的點(diǎn)云間距通常較小,過(guò)于密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)冗余,對(duì)后期點(diǎn)云模型構(gòu)建、變形分析和算法處理等環(huán)節(jié)造成較大影響。因此,掃描獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要在保證模型精度的情況下進(jìn)行點(diǎn)云的濾波去噪處理。

Geomagic Studio軟件平臺(tái)提供了4種點(diǎn)云濾波的采樣方案:①統(tǒng)一采樣。該方案以統(tǒng)一指標(biāo)精簡(jiǎn)平坦面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)設(shè)置密度閾值過(guò)濾曲面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。②曲率采樣。該方案通過(guò)百分比閾值過(guò)濾平坦面上的點(diǎn)云數(shù)量,保留高曲率表面內(nèi)的點(diǎn)以保證細(xì)節(jié)。③柵格采樣。該方案通過(guò)設(shè)置均勻的間距進(jìn)行濾波,不考慮測(cè)量對(duì)象的曲率和密度,以此減少無(wú)序點(diǎn)云的數(shù)量。④隨機(jī)采樣。該方案從無(wú)序點(diǎn)云數(shù)據(jù)中隨機(jī)移除一定比例的點(diǎn)云,以達(dá)到精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)量的目的。由于本文中的機(jī)翼點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較為明顯的曲率特征,且細(xì)節(jié)處較多,因此在試驗(yàn)中選擇曲率采樣法進(jìn)行點(diǎn)云濾波去噪處理。過(guò)濾閾值設(shè)置為50%,即過(guò)濾后保留的點(diǎn)云數(shù)量為原始點(diǎn)云數(shù)量的50%。濾波去噪前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云濾波去噪前后對(duì)比

2.3 點(diǎn)云封裝與數(shù)字三維模型構(gòu)建

濾波去噪處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)封裝處理以構(gòu)建精細(xì)化的三維模型。Geomagic Studio軟件平臺(tái)的模型構(gòu)建方式主要是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理后構(gòu)建出不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的構(gòu)建與優(yōu)化。點(diǎn)云模型及其經(jīng)過(guò)封裝和優(yōu)化處理后獲取的機(jī)翼TIN模型如圖5所示。

圖5 機(jī)翼點(diǎn)云封裝建模

3 機(jī)翼微變形檢測(cè)與結(jié)果分析

3.1 機(jī)翼微變形檢測(cè)

經(jīng)過(guò)點(diǎn)云封裝和優(yōu)化處理可以獲取到精細(xì)化的機(jī)翼數(shù)字化三維模型。試驗(yàn)中,分別構(gòu)建出作為試驗(yàn)組的有變形機(jī)翼模型和作為對(duì)照組的無(wú)變形機(jī)翼模型。由于已對(duì)兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)處理,因此兩組機(jī)翼模型已被配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下,可以進(jìn)行后續(xù)的變形檢測(cè)操作。

Geomagic Studio軟件平臺(tái)提供了測(cè)量對(duì)象的檢測(cè)模塊。以未變形的機(jī)翼模型為參考模型,以有變形的機(jī)翼模型為測(cè)試模型,進(jìn)行機(jī)翼微變形量的探測(cè),探測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)翼變形檢測(cè)結(jié)果

由圖6可知,利用三維激光掃描技術(shù)能夠探測(cè)出機(jī)翼表面變形的大小、位置和范圍。變形探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 機(jī)翼變形量探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì) mm

3.2 檢測(cè)結(jié)果精度分析

經(jīng)過(guò)變形探測(cè)處理,得出該機(jī)翼共有14處微小變形,其中11個(gè)為下偏差變形,即凹陷;有3個(gè)為上偏差變形,即凸起。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精度評(píng)定,本文試驗(yàn)方案的基本思路為:首先從機(jī)翼表面存在變形的區(qū)域選取一定數(shù)量的點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn);然后分別提取出這些驗(yàn)證點(diǎn)在數(shù)字模型上的變形量和實(shí)體模型上的變形量大小;最后統(tǒng)計(jì)出其探測(cè)誤差值。具體步驟為:

(1)驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)分配。選取的驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)為50個(gè),需要根據(jù)機(jī)翼表面14個(gè)變形區(qū)域的面積大小為權(quán)值進(jìn)行分配,分配過(guò)程為

(2)

式中,Ai為1～14號(hào)變形區(qū)域所分配到的檢測(cè)點(diǎn)數(shù);Si為1～14號(hào)變形區(qū)域的范圍大小。

(2)變形量獲取。首先按照步驟(1)分配的驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)量;然后各個(gè)變形區(qū)域范圍內(nèi)提取出數(shù)字模型上的變形量;最后提取出實(shí)體模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的變形量,并計(jì)算出每個(gè)變形區(qū)域內(nèi)每一對(duì)驗(yàn)證點(diǎn)的變形量誤差值的平均數(shù)Di。

(3)探測(cè)誤差精度評(píng)定。首先,以各變形區(qū)域的驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)分為基準(zhǔn)確定精度計(jì)算的加權(quán)值Wi;然后,以各變形區(qū)域的平均變形量誤差Di和權(quán)值Wi為基礎(chǔ),可計(jì)算出探測(cè)誤差精度值P,計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)表3計(jì)算測(cè)定,將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于機(jī)翼微變形檢測(cè)工作中,探測(cè)的整體精度可達(dá)0.12 mm。

表3 探測(cè)誤差精度評(píng)定計(jì)算

4 結(jié) 語(yǔ)

將TLS技術(shù)運(yùn)用于機(jī)翼變形檢測(cè)工作中,不僅能夠探測(cè)出人眼無(wú)法識(shí)別的微小變形,也能獲取變形量的大小、變形位置和區(qū)域等信息,具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)該技術(shù)應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了研究,驗(yàn)證了整個(gè)技術(shù)流程的可行性;同時(shí),通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于機(jī)翼微變形量的探測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)定,整體探測(cè)精度達(dá)到0.12 mm,接近該設(shè)備快速掃描狀態(tài)下0.1 mm的最高標(biāo)稱精度。

針對(duì)該領(lǐng)域的下一步研究可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行:一方面是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取整個(gè)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的要點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,如點(diǎn)云精確配準(zhǔn)算法的優(yōu)化、點(diǎn)云濾波去噪算法的優(yōu)化等;另一方面是將TLS技術(shù)構(gòu)建的有變形的機(jī)翼和機(jī)身模型數(shù)據(jù)與模擬風(fēng)洞技術(shù)相結(jié)合,以獲取更為詳細(xì)的氣動(dòng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼微變形損害的準(zhǔn)確評(píng)估。