CN103471532B - 测量飞行器表面波纹度的系统以及相应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量飞行器表面波纹度的系统以及相应方法。该系统包括如下部件：激光轮廓扫描模块，用于发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；数字信号处理器，用于对来自该激光轮廓扫描模块的数据进行处理，得到波纹度计算模块可以处理的数据；波纹度计算模块，用于根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度。通过本发明的实施方式，可以在非接触的情况下，瞬时获取被测机体表面某一截面的波纹度信息。信息采集过程迅速高效，能有效避免数据采集过程中产生的误差。

Description

测量飞行器表面波纹度的系统以及相应方法

技术领域

本发明涉及飞行器的检测，尤其涉及对飞行器表面的检测。

背景技术

在航空工程中，波纹度用来衡量飞机外表面起伏情况，反映了飞机的表面质量。飞机表面某些特殊区域的波纹度大小会对飞机的气动特性和飞行性能产生较大影响，例如：静压口附近的波纹度情况直接影响民用飞机缩小最小垂直间隔(RVSM)运行能力的适航取证。

目前，对波纹度检查的传统方法有两种：目视检查，以及直尺与样条检查法。传统检测方法检查结果不够精确，特别是对多架机检测耗时且工作量大。现阶段国外使用的方法是机械式的测量卡尺，该卡尺利用自身的支架支撑在飞机表面，然后等间距移动卡尺探针，测出飞机表面不同位置的点到支架基准到距离，通过样条连线来反映飞机表面波纹度情况。

发明内容

对于现有的机械式的测量方法，需要人工采样，因此采样时间较长，并且容易产生采样误差。

为了弥补现有技术的以上缺点，本项目提出了一种光学式波纹度测量仪，可以有效地改善现有测量工具的种种弊端。

根据本发明的一个方面，提供了一种测量飞行器表面波纹度的系统，其中，包括如下部件：激光轮廓扫描模块，用于发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；数字信号处理器，用于对来自该激光轮廓扫描模块的数据进行处理，得到波纹度计算模块可以处理的数据；波纹度计算模块，用于根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度。

本发明的该方面使用激光来扫描飞行器表面的轮廓，并根据该轮廓来计算飞行器表面的波纹度，提高了测量的自动化程度，缩短了测量时间。提高了测量效率，并且也减少了人工采样可能导致的采样误差。

在一个优选的实施方式中，该系统还包括至少任一如下部件：

-电源模块，用于为该系统供电；

-支架，用于承载该激光轮廓扫描模块；

-系统设备箱，用于容纳所述数字信号处理器、所述波纹度计算模块和所述电源模块。

优选的，所述波纹度计算模块被配置为进行如下操作：

i.将数据点连成样条曲线；

ii.对该样条曲线中的凸包进行识别筛选，忽略其中部分凸包，使剩余凸包的包络线具有保凸性；

iii.作出剩余凸包的包络线，该包络线与所有剩余凸包相切；

iv.根据该样条曲线以及所作出的包络线，计算波幅和波长作为波纹度的信息。

在该实施方式中，还对凸包进行识别筛选，使凸包的包络线具有保凸性，提高了对波纹度的测量准确性。

优选地，所述步骤ii包括如下子步骤：

a.将样条曲线按一定密度离散为等间距的测量点集；

b.找出测量点集的最大矩形，最少有两个测量点落在矩形的边界上；

c.任取该矩形边界上的一个测量点，将其作为当前凸包的顶点；

d.依次做该当前凸包的该顶点与测量点集内其它点的射线；

e.对于某个点，对于该当前凸包的该顶点与该点间的射线，其他测量点集全部位于该射线的同一侧，则将该点定为下一个凸包的顶点；

f.以该下一个凸包的作为当前凸包，沿相同方向重复以上d和e步骤，以找到下一个凸包的顶点；

重复步骤f，直到新找到的凸包的顶点是该矩形边界上的另一个测量点为止，所有找出的凸包的顶点为凸包顶点的点集。

该实施方式提供了为了保证保凸性而对凸包进行筛选的一种具体实施方式。

优选地，所述步骤i包括使用样条曲线对数据点进行插值。

该实施方式提供了使用插值将数据点转换为样条曲线的一种具体实施方式。更加具体的，可以使用三次样条，三次样条能够比较准确地进行曲线拟合，并且计算量也比较适中。可以理解，其他任何样条插值方式均能够适用。

优选地，所述步骤iv包括：

-将相邻的两个凸包作为一个波纹，测量该相邻凸包的顶点间的包络线的长度作为该波纹的所述波长；

所述计算波幅的步骤包括：

-将相邻的两个凸包作为一个波纹，将该段包络线与该样条曲线之间的最大间距作为所述波幅。

该实施方式提供了计算波纹的波长和波幅的具体实现方式。

优选地，所述波纹度计算模块被配置为在进行所述i操作前，还进行如下操作：

对处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据点进行前期筛选，去除测量坏点。

在该实施方式中，考虑到可能出现的测量坏点，对它进行筛选并去除，提高了测量所得的数据的准确性。

优选地，在对测量坏点进行筛选时，依次对各数据点，进行如下操作：计算该数据点与前一个数据点的距离差；当该距离差超出预定阈值时，判断该数据点为测量坏点；将该测量坏点忽略。

该实施方式提供了筛选测量坏点的一种具体实施方式：由于飞行器表面一般具有连续性，因此该实施方式将不连续的数据点作为测量坏点，具有较好的准确性。

优选地，所述波纹度计算模块被配置为在进行所述i操作后，所述ii操作前，还进行如下操作：

-滤除样条曲线中的微小波动。

在该实施方式中，还滤除样条曲线中的微小波动，这避免了微小波动对波纹度的影响，也减少了计算量。

优选地，所述滤除样条曲线中的微小波动的步骤包括，利用小波滤波方法，将有效测量点生成三次样条曲线光顺化，以滤除样条曲线中包含的微小波动，排除粗糙度范畴的干扰。更加优选地，滤除样条曲线中的微小波动中，使用db6，sym6，或coif3小波，且，调整分解层数为1至3层。

该实施方式提供了滤除微小波动的一种具体实施方式，以及更加具体的滤波参数。

相应地，从方法的角度，本发明的第二个方面提供了一种测量飞行器表面波纹度的方法，包括如下步骤：发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度；

其中，计算波纹度的步骤包括：对处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据点进行前期筛选，去除测量坏点；将去除测量坏点后的数据点连成样条曲线；滤除样条曲线中的微小波动；对滤除微小波动后的该样条曲线中的凸包进行识别筛选，忽略其中部分凸包，使剩余凸包的包络线具有保凸性；作出剩余凸包的包络线，该包络线与所有剩余凸包相切；根据该样条曲线以及所作出的包络线，计算波幅和波长作为波纹度的信息。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1是本发明的实施方式所使用的激光轮廓扫描模块的外观和工作示意图；

图2是本发明的实施方式对飞行器表面进行测量的工作示意图；

图3是本发明的实施方式所测的飞行器表面的数据点、凸包以及包络线的示意图；

图4是根据本发明的实施方式计算波纹度的流程图。

附图中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的步骤特征或部件(模块)特征。

具体实施方式

本发明的一个基本的实施方式提供了一种测量飞行器表面波纹度的系统，其中，包括如下部件：

-激光轮廓扫描模块，用于发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；

-数字信号处理器，用于对来自该激光轮廓扫描模块的数据进行处理，得到波纹度计算模块可以处理的数据；

-波纹度计算模块，用于根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度。

图1给出了激光轮廓扫描模块的外观和工作示意图。如图1中右侧所示，该扫描模块一般自带激光源、透镜组和传感器。激光源发出的激光照射在待测物体表面后，透镜组收集待测物体表面所反射的激光并提供给传感器，传感器对该激光进行检测，获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据。激光轮廓扫描模块本身已是现有产品，例如ZSY(真尚有)公司的ZLDS210大范围激光二维轮廓扫描传感器，可以理解，任何能够获得表面截面线轮廓数据的激光扫描器都适用于本发明。

优选地，该系统还包括：

-电源模块，用于为该系统供电；

-支架，用于承载该激光轮廓扫描模块；

-系统设备箱，用于容纳所述数字信号处理器、所述波纹度计算模块和所述电源模块。

图2给出了本发明的实施方式对飞行器表面进行测量的工作示意图。如图2所示，激光轮廓扫描传感器固定在活动的支架上，通过调整支架的高度和角度，使激光轮廓扫描传感器可以照射到飞行器表面需要测量的区域。数字信号处理器、波纹度计算模块、电源安装于系统设备箱内。

激光轮廓扫描传感器将采集的图像信息数据通过线缆传输到数字信号处理器内。数字信号处理器处理接受到的图像信息数据，使之成为波纹度计算模块可以处理的数据，并将处理后的数据传榆到波纹度计算模块。波纹度计算模块具体地可以实体化在工业PC或平板PC等数据处理计算机中，该波纹度计算模块可以以被运行了的处理软件的形式而实现，其通过算法处理接收到的数据，得出波纹度测量结果，保存结果并在与数据处理计算机相连的显示器(未示出)上将结果显示出来。为方便操作，以平板PC实现的波纹度计算模块可以方便地从系统设备箱中拿出使用。

在进行测量时，可以通过以下流程进行设备的部署和使用：

1)调整活动支架高度和角度至合适位置，采集被测飞机机体表面图像信息；

2)采集的图像信息数据通过数字信号处理器存储在实现了波纹度计算模块的数据处理计算机中；

3)在数据处理计算机中的波纹度计算模块运作，根据后处理智能算法对采集的图像信息数据进行处理，得到波纹度测量结果。

通过本发明的实施方式，可以在非接触的情况下，瞬时获取被测机体表面某一截面的波纹度信息。信息采集过程迅速高效，能有效避免数据采集过程中产生的误差；使用配套的数据后处理软件，由于后处理智能算法的嵌入，可以根据采集的图像信息迅速得出波纹度测量结果，并将结果以图形、报表的形式输出。

在描述了根据本发明的实施方式的系统以及组成模块之后，下面将更加详细地描述波纹度计算模块计算波纹度的计算方式。

波纹度计算模块所接收的是激光轮廓扫描器提供的代表飞行器表面某一截面线的离散数据点，如图3中虚线点所标记的实测数据所示。该波纹度计算模块需要使用一套完善的算法来分析所测数据的波纹度特征。

图4是根据本发明的实施方式计算波纹度的流程图。

针对上图各个步骤，具体的算法分别为：

(1)数据预处理，剔除坏点：将测量点的坐标数据导入计算机中，假设有n个测量点，逐个分析相临测量点的坐标，如果第n+1个测量点的坐标相对第n个测量点的距离差值较大，差值超过某一设定的上限，则认为第n+1个测量点为坏点，将其剔除。剔除第n+1个测量点之后，第n+2个测量点变为第n+1个测量点，继续对比第n个测量点与新的第n+1个测量点的坐标，判断新的第n+1个测量点是否为坏点，直至将所有坏点剔除，剩余测量点为有效测量点。可以理解，该步骤是一个优选的步骤，是可以省略的。

(2)将数据点连成样条曲线：利用插值法，通过所有有效测量点生成三次样条曲线。可以理解，使用三次曲线进行插值仅仅是一个示例，在满足准确性和计算量要求的情况下，其他的曲线插值方式也可以适用。

(3)滤除样条曲线中的微小波动：利用小波滤波方法，将有效测量点生成三次样条曲线光顺化，即滤除样条曲线中包含的微小波动，排除粗糙度范畴的干扰。更加具体地，操作时使用db6、sym6、coif3等小波，调整分解层数为1-3层，即可实现滤除样条曲线的微小波动。如图4所示，下部需要忽略的凸包被滤除。可以理解，小波滤波是本领域所公知的技术手段，因此本发明在此不再赘述。可以理解，该步骤是一个优选的步骤，是可以省略的。

(4)凸包识别，找出凸包顶点，使凸包的包络线具有保凸性：将滤除微小波动后的测量数据样条按一定密度离散为等间距的测量点集，称为Pi(i=1，2，...，n)。先用求最值法找出测量点集Pi(i=1，2，...，n)的最大矩形，则最少有两个测量点落在矩形的边界上，任取一个这样的矩形边界上的测量点，设定为Q1=Pk，Q1就是凸包的一个顶点，依次做该点与测量点集内其它点Pi(i=1，2，...，n且i<>k)的射线。若该射线将将测量点集分为两部分，例如图4中的点划线40所示，即测量点集全部位于射线的两侧，则该点并非凸包顶点；而若该射线将没有将测量点集分为两部分，如图4中的点划线42所示，即测量点集全部位于射线的同一侧，则Pi点为凸包顶点Q2。再以新的凸包顶点Q2为起点沿同一螺旋方向寻找下一个凸包顶点Q3，......，直到新找到的凸包顶点是Q1为止，这样Qj(j=1，2，...，m)即为凸包顶点点集。可以理解，本领域的一般技术人员也可以设计出其他算法来筛选使凸包的包络线具有保凸性的凸包顶点，本发明不再举例说明。

(5)以凸包点集为型值点，做测量点集的包络线。

(6)计算波幅和波长：相临两凸包为一个波纹，测量相临凸包顶点间这段包络线的长度，该长度即为此波纹的波长。将此段包络线按一定密度离散为等间距的数据点集，称为Ri(i=1，2，...，m)。根据测量点集Pi(i=1，2，...，n)和数据点集Ri(i=1，2，...，m)中所有点的坐标，逐一比较Pi(i=1，2，...，n)中n个点到Ri(i=1，2，...，m)中m个点的距离，取距离最大值即为该波纹的波幅。

与以上测量系统的相对应地，本发明的实施方式还提供了一种测量飞行器表面波纹度的方法，包括如下步骤：

-发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；

-根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度；

其中，计算波纹度的步骤包括：

-对处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据点进行前期筛选，去除测量坏点；

-将去除测量坏点后的数据点连成样条曲线；

-滤除样条曲线中的微小波动；

-对滤除微小波动后的该样条曲线中的凸包进行识别筛选，忽略其中部分凸包，使剩余凸包的包络线具有保凸性；

-作出剩余凸包的包络线，该包络线与所有剩余凸包相切；

-根据该样条曲线以及所作出的包络线，计算波幅和波长作为波纹度的信息。

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本发明，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本发明不限于上述实施方式。

那些本技术领域的一般技术人员能够通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在本发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种测量飞行器表面波纹度的系统，其中，包括如下部件：

-激光轮廓扫描模块，用于发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；

-数字信号处理器，用于对来自该激光轮廓扫描模块的数据进行处理，得到波纹度计算模块可以处理的数据；

-波纹度计算模块，用于根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度；

其中，所述波纹度计算模块包括：

连结一级子模块，用于将数据点连成样条曲线；

识别一级子模块，用于对该样条曲线中的凸包进行识别筛选，忽略其中部分凸包，使剩余凸包的包络线具有保凸性；

包络线生成一级子模块，用于作出剩余凸包的包络线，该包络线与所有剩余凸包相切；

计算一级子模块，用于根据该样条曲线以及所作出的包络线，计算波幅和波长作为波纹度的信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括至少任一如下部件：

-电源模块，用于为该系统供电；

-支架，用于承载该激光轮廓扫描模块；

-系统设备箱，用于容纳所述数字信号处理器、所述波纹度计算模块和所述电源模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述识别一级子模块进一步包括：

离散二级子模块，用于将样条曲线按一定密度离散为等间距的测量点集；

寻找二级子模块，用于找出测量点集的最大矩形，最少有两个测量点落在矩形的边界上；

取点二级子模块，用于任取该矩形边界上的一个测量点，将其作为当前凸包的顶点；

射线生成二级子模块，用于依次做该当前凸包的该顶点与测量点集内其它点的射线；

顶点获取二级子模块，用于对于某个点，对于该当前凸包的该顶点与该点间的射线，其他测量点集全部位于该射线的同一侧，则将该点定为下一个凸包的顶点；

其中，所述射线生成二级子模块和所述顶点获取二级子模块用于以该下一个凸包作为当前凸包，沿相同方向分别重复地生成射线和获取顶点，以找到下一个凸包的顶点；

并且所述射线生成二级子模块和所述顶点获取二级子模块还用于分别重复地生成射线和获取顶点，直到新找到的凸包的顶点是该矩形边界上的另一个测量点为止，所有找出的凸包的顶点为凸包顶点的点集。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述连结一级子模块包括插值二级子模块，用于使用样条曲线对数据点进行插值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算一级子模块包括：

波长测量二级子模块，用于将相邻的两个凸包作为一个波纹，测量该相邻凸包的顶点间的包络线的长度作为该波纹的所述波长；

所述计算一级子模块还用于将相邻的两个凸包作为一个波纹，将该段包络线与该样条曲线之间的最大间距作为所述波幅。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波纹度计算模块还包括：

筛选一级子模块，用于对处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据点进行前期筛选，去除测量坏点。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述筛选一级子模块用于操作各数据点，所述筛选一级子模块进一步包括：

-计算二级子模块，用于计算该数据点与前一个数据点的距离差；

-判断二级子模块，用于当该距离差超出预定阈值时，判断该数据点为测量坏点；

-坏点忽略二级子模块，用于将该测量坏点忽略。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波纹度计算模块还包括：

滤除一级子模块，用于滤除样条曲线中的微小波动。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述滤除一级子模块进一步包括：

滤波二级子模块，用于利用小波滤波方法，将有效测量点生成的样条曲线光顺化，以滤除样条曲线中包含的微小波动，排除粗糙度范畴的干扰。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述滤除样条曲线中的微小波动中，所述滤波二级子模块还用于使用db6，sym6，或coif3小波，且，调整分解层数为1至3层。

11.一种测量飞行器表面波纹度的方法，包括如下步骤：

-发射激光至飞行器表面，接收飞行器表面反射回的激光，并获得代表飞行器表面截面线轮廓的数据；

-根据处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据，计算出该飞行器表面的波纹度；

其中，计算波纹度的步骤包括：

-对处理后的代表飞行器表面截面线轮廓的数据点进行前期筛选，去除测量坏点；

-将去除测量坏点后的数据点连成样条曲线；

-滤除样条曲线中的微小波动；

-对滤除微小波动后的该样条曲线中的凸包进行识别筛选，忽略其中部分凸包，使剩余凸包的包络线具有保凸性；

-作出剩余凸包的包络线，该包络线与所有剩余凸包相切；

-根据该样条曲线以及所作出的包络线，计算波幅和波长作为波纹度的信息。