CN105136065B - 飞机结构件特征点自动采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了飞机结构件特征点自动采集系统及采集方法，飞机结构件特征点自动采集系统包括具有驱动采集系统沿被采集件做圆周运动的支撑平台；图像采集模块，用于采集被采集件各个视角的图像；处理模块，提取图像采集模块上传的图像中被采集件的轮廓特征线，并以图像中心像素点为原点，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；当所有特征点采集完成后，将所有特征点融合形成点云数据；特征点采集模块，用于接收处理模块发送的采集坐标，根据采集坐标采集被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标进行存储；电源模块，分别与驱动装置、图像采集模块、处理模块和特征点采集模块连接。

Description

飞机结构件特征点自动采集系统及其采集方法

技术领域

本发明涉及采集被采集件的特征点的系统，具体涉及飞机结构件特征点自动采集系统及采集方法。

背景技术

飞机结构件是一种体积较大、结构复杂且对精度要求较高的机械结构件，加工完成后需经过严格的测试才能投入装配使用。目前，检测这些结构件之前的特征点数据主要是通过人工采集的，由于飞机结构件比较复杂，若人工在进行特征点采集时稍存在误差就会致使检测非常不准确。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的飞机结构件特征点自动采集系统及采集方法在基准位置设置后就能够实现特征点的自动采集，解决了传统工人采集特征点误差大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种飞机结构件特征点自动采集系统，其包括：

用于驱动采集系统沿被采集件做圆周运动的支撑平台；

图像采集模块，用于采集被采集件各个视角的图像；

处理模块，与图像采集模块连接，提取图像采集模块上传的图像中被采集件的轮廓特征线，并以图像中心像素点为原点，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；当所有特征点采集完成后，将所有特征点融合形成点云数据；

特征点采集模块，与处理模块连接，用于接收处理模块发送的采集坐标，根据采集坐标采集被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标进行存储；

电源模块，分别与支撑平台、图像采集模块、处理模块和特征点采集模块连接。

第二方面，提供一种飞机结构件特征点自动采集方法，其包括以下步骤：

选取被采集件上的任一空间基准点作为自动采集系统的旋转中心；

设置所述图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置；

当所述采集系统运动至规划路线中的设定位置，控制图像采集模块采集被采集件空间基准点方向的图像；

提取所述图像中被采集件的轮廓特征线；

以图像中心的像素点为原点，根据图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；

特征点采集模块根据采集坐标获取被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标；

当完成规划路线中所有设定位置的采集后，将所有空间坐标进行融合形成以被采集件上选取的任一空间基准点为原点的点云数据。

本发明的有益效果为：本采集系统在设置相对空间基准点的相对位置之后能够通过图像采集模块、处理模块和特征点采集模块实现自动化采集被采集件特征点；相对于现有人工采集特征点而言，采集准确度和效率得到大幅度地提高，大大节省了人力成本；同时避免了后续采用特征点进行飞机结构件的检测误差，使飞机结构件的检测更加精准。

附图说明

图1为飞机结构件特征点自动采集系统的原理框图。

图2为支撑平台未安装驱动装置的侧视图。

图3为支撑平台未安装驱动装置的立体图。

图4为支撑平台的主视图。

图5为支撑平台的立体图。

图6为飞机结构件特征点自动采集方法的流程图。

图7为处理模块轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标的原理图。

其中，1、支撑柱；11、支撑台；12、支撑块；13、卡槽；2、安装座；21、第一安装孔；22、第二安装孔；23、驱动轮；3、电源模块；4、伺服电机；5、传输履带。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了飞机结构件特征点自动采集系统的原理框图；如图1所示，该飞机结构件特征点自动采集系统包括支撑平台、图像采集模块、处理模块、特征点采集模块和给整个采集系统供电的电源模块3。

如图2至图5所示，支撑平台包括安装座2、设置在安装座2上用于驱动采集系统沿被采集件做圆周运动的驱动装置和固定安装在安装座2上的支撑柱1。图像采集模块、处理模块和特征点采集模块均安装在支撑柱1上。

驱动装置包括安装在安装座2上的伺服电机4和至少两个分别安装在安装座2两侧的驱动轮23；伺服电机4的动力输出轴与至少一对邻近伺服电机4、安装在安装座2两侧且位于同一轴线上的驱动轮23连接。

由于特征点采集系统采集的飞机结构件体积比较庞大，驱动装置设置之后，处理模块可以通过控制驱动装置快速移动实现飞机结构件所有特征点的采集。

安装座2设置伺服电机4的侧壁上设置有用于伺服电机4的动力输出轴穿过的第一安装孔21，设置驱动轮23的安装座2侧壁上设置有与驱动轮23数量相匹配的第二安装孔22，驱动轮23的安装轴穿过第二安装孔22与带动其旋转的动力输出轴连接。

伺服电机4的动力输出轴在带动驱动轮23进行运动时，可以采用以下结构实现动力的传递：在动力输出轴上连接一根蜗杆，在驱动轮23安装轴上设置有一个与所述蜗杆配合的涡轮，动力输出轴的动力可以通过蜗杆蜗轮配合结构传递给安装在驱动轮23上的安装轴，而实现驱动装置带动采集系统沿被采集件做圆周运动。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，支撑柱1包括开设在其柱体上、用于安装处理模块的卡槽13，设置在支撑柱1顶部用于安装特征点采集模块的支撑台11和支撑柱1中部的外表面设置的向外延伸、且用于安装图像采集模块的支撑块12。采集系统的电源模块3由于体积较大，可以直接放置在安装座2上。

上述的图像采集模块用于采集被采集件各个视角(驱动装置带动图像采集模块运动时就能够实现被采集件每个方位的图像)的图像；处理模块，与图像采集模块和驱动装置连接，提取图像采集模块上传的图像中被采集件的轮廓特征线，并以图像中心像素点为原点，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；当所有特征点采集完成后，将所有特征点融合形成点云数据。

特征点采集模块，与处理模块连接，用于接收处理模块发送的采集坐标，根据采集坐标采集被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标进行存储；电源模块3分别与驱动装置、图像采集模块、处理模块和特征点采集模块连接。

在本发明的一个实施例中，驱动轮23包括主动轮和从动轮，邻近伺服电机4、安装在安装座2两侧且位于同一轴线上的两个驱动轮23为主动轮，其他驱动轮23为从动轮。伺服电机4的动力输出轴与主动轮的安装轴连接。

再次参考图5，为了保证驱动装置平稳地进行移动及快速地驱动未与伺服电机4连接的驱动轮23快速向前移动，驱动装置还包括位于安装座2同一侧的驱动轮23上套设的传输履带5。

为了便于调整图像采集模块和特征点采集模块对被采集件同一视角的图像信息的采集，以及后续将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标，安装时，使图像采集模块和特征点采集模块的采集端均位于同一侧，且图像采集模块的采集端与特征点采集模块的采集端之间的夹角小于180°。

为了实现飞机结构件特征点的高精度采集，其中的图像采集模块为高速摄像机；特征点采集模块为全站仪；处理模块为PowerPC的硬件板卡。

如图6所示，该飞机结构件特征点自动采集方法包括以下步骤：

选取被采集件上的任意空间基准点作为自动采集系统的旋转中心；在进行空间基准点的选择时，理论上被采集件上的任何一点都可以作为空间基准点，但由于自动采集系统在进行图像采集时需要以空间基准点为圆心进行旋转，若空间基准点选择不当，自动采集系统就不能以空间基准点为圆心做圆周运动；

故在选取空间基准点时应满足以下条件：图像采集模块和特征点采集模块的采集端到空间基准点的距离必须大于等于图像采集模块和特征点采集模块的采集端到被采集件最远轮廓点之间距离的二分之一。

设置图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置；此处的相对位置为图像采集模块相对旋转中心的水平距离R、图像采集模块相对旋转中心的纵向俯仰角θ和特征点采集模块相对旋转中心的纵向俯仰角λ。

当旋转中心及图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置确定之后，处理模块会自动生成一个采集系统相对于旋转中心的规划路线，当采集系统运动至规划路线中的设定位置，控制图像采集模块采集被采集件空间基准点方向的图像；图像采集完成后，图像采集模块会自动将采集的图像传递给处理模块。

处理模块接收到图像后，会自动提取图像中被采集件的轮廓特征线；在进行轮廓特征线提取的具体操作方法为：

采用中值滤波法对图像进行去噪处理；采用拉普拉斯算子法对去噪处理的图像进行锐化处理；采用增强函数对图像的对比度进行增强；对对比度增强的图像进行二值化处理得到二值化图像；采用八邻域边界跟踪算法，提取二值化图像中的轮廓特征线。

由于采用八邻域边界跟踪算法提取的轮廓特征线存在大量冗余点，会影响后续特征点采集模块的采集频率，于是本方案还会进一步采用曲率采样法对轮廓特征线(轮廓特征线为由多个采集点构成的集合)上的点进行简化，形成采集点。

轮廓特征线提取完成后，处理模块会将轮廓特征线简化后形成的采集点发送给特征点采集模块，特征点采集模块以图像中心的像素点为原点，根据图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标。

参考图7，在本发明的一个实施例中，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标的具体操作方式为：

取图像采集模块获取的图像中心像素点为原点(图7中的基准点)，建立坐标系，则此时点a的坐标为x_实景、y_实景；特征点采集模块的俯仰角度为λ，水平角为0°；图像采集模块的俯仰角为θ；特征点采集模块和图像采集模块的采集端与平面基准点投影距离为R。

依据图像采集模块采集的图像的像素与实景的比例关系(具体方法依据《软件导刊》Vol.8No.12Dec.2009)可得点a在实景采集基准面内的物理位置为x_物理、y_物理。

接着，计算特征点采集模块应旋转水平角为arctan(x_物理/R)；点a与特征点采集模块当前直线距离(即到实景基准平面的z轴值)为R/cosθ，则特征点采集模块移动到点a的俯仰角度差为arctan(y_物理/(R/cosθ))，即特征点采集模块应旋转俯仰角为λ+arctan(y_物理/(R/cosθ))；计算出的全站仪应旋转水平角和俯仰角即为全站仪控制坐标。

特征点采集模块根据采集坐标获取被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标；具体地为，处理模块控制特征点采集模块根据推导出的控制坐标依次完成特征点采集，存储时依据俯仰角、水平角和测得距离转换为空间坐标(即以特征点采集模块为原点的x、y、z值)。

当完成规划路线上一个设定位置的特征采集时，处理模块会控制驱动装置带动采集系统继续运动，运动到下一个设定位置后，处理模块会继续控制图像采集模块和特征点采集模块进行被采集点当前位置的特征点的采集。

当处理模块判断目前已完成规划路线中所有设定位置的采集后，便会将所有空间坐标进行融合形成以被采集件上选取的任一空间基准点为原点的点云数据。

具体地，使用基于罗德里格矩阵的方法将采集系统在每个设定位置所采集的所有特征点空间坐标通过坐标变换转化为以基准点为原点的坐标值，这样将最终形成以指定基准点为原点的点云数据。该点云数据可导出并供后续软件分析监测被测件的质量。

综上所述，本方案解决了目前不能自动实现飞机结构件特征点数据采集的问题，该采集系统及其采集方法能够准确、高效地完成飞机结构件的数据采集，并形成数字化采集结果，使用方便，大大节省了人力并提高了采集准确度。

Claims (10)

1.飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在于，包括：

用于驱动采集系统沿被采集件做圆周运动的支撑平台；

图像采集模块，用于采集被采集件各个视角的图像；

处理模块，与所述图像采集模块连接，提取所述图像采集模块上传的图像中被采集件的轮廓特征线，并以图像中心像素点为原点，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；当所有特征点采集完成后，将所有特征点融合形成点云数据；

特征点采集模块，与所述处理模块连接，用于接收处理模块发送的采集坐标，根据所述采集坐标采集被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标；

电源模块，分别与所述支撑平台、图像采集模块、处理模块和特征点采集模块连接。

2.根据权利要求1所述的飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在于，所述图像采集模块和特征点采集模块的采集端均位于同一侧，且图像采集模块的采集端与特征点采集模块的采集端之间的夹角小于180°。

3.根据权利要求1或2所述的飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在于，所述支撑平台包括安装座，安装在所述安装座下端、用于驱动采集系统沿被采集件做圆周运动的驱动装置和固定安装在所述安装座的顶部用于安装采集模块、处理模块和特征点采集模块的支撑柱；

所述驱动装置包括安装在安装座上的伺服电机和至少两个分别安装在所述安装座两侧的驱动轮；所述伺服电机的动力输出轴与至少一对邻近所述伺服电机、安装在所述安装座两侧且位于同一轴线上的驱动轮连接。

4.根据权利要求3所述的飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在于，所述支撑柱包括开设在其柱体上、用于安装所述处理模块的卡槽，设置在支撑柱顶部、用于安装所述特征点采集模块的支撑台和支撑柱中部的外表面设置的向外延伸、用于安装所述图像采集模块的支撑块。

5.根据权利要求3所述的飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在，所述伺服电机的动力输出轴与邻近所述伺服电机、安装在所述安装座两侧且位于同一轴线上的两个驱动轮连接；所述驱动装置还包括位于安装座同一侧的驱动轮上套设的传输履带。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的飞机结构件特征点自动采集系统，其特征在于，所述图像采集模块为高速摄像机，所述特征点采集模块为全站仪。

7.根据权利要求6所述的被采集件特征点自动采集系统，其特征在于，所述处理模块为PowerPC的硬件板卡。

8.一种权利要求1-7任一所述的飞机结构件特征点自动采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

选取被采集件上的任一空间基准点作为自动采集系统的旋转中心；

设置所述图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置；

当所述采集系统运动至规划路线中的设定位置，控制图像采集模块采集被采集件空间基准点方向的图像；

提取所述图像中被采集件的轮廓特征线；

以图像中心的像素点为原点，根据图像采集模块和特征点采集模块相对旋转中心的相对位置，将轮廓特征线的平面坐标转换为特征点采集模块的采集坐标；

特征点采集模块根据采集坐标获取被采集件的特征点，并将特征点转换为以特征点采集模块为中心的空间坐标；

当完成规划路线中所有设定位置的采集后，将所有空间坐标进行融合形成以被采集件上选取的任一空间基准点为原点的点云数据。

9.根据权利要求8所述的飞机结构件特征点自动采集方法，其特征在于，所述提取所述图像中被采集件的轮廓特征线进一步包括：

采用中值滤波法对图像进行去噪处理；

采用拉普拉斯算子法对去噪处理的图像进行锐化处理；

采用增强函数对图像的对比度进行增强；

对对比度增强的图像进行二值化处理得到二值化图像；

采用八邻域边界跟踪算法，提取二值化图像中的轮廓特征线。

10.根据权利要求9所述的飞机结构件特征点自动采集方法，其特征在于，提取所述图像中被采集件的轮廓特征线还包括：

采用曲率采样法，去除轮廓特征线上的冗余点，形成简化的采集点。