CN106643492A - 一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法。其包括建立航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统、双目摄像机标定、散斑制作、测量分区、回旋待测散斑损伤叶片并采集图像、同名散斑点匹配、各分区坐标系下空间散斑点三维坐标求解、全局坐标系下空间散斑点三维坐标求解、三维空间坐标曲面拟合和三维数字建模等步骤。本发明方法能够高精度、高效率、全场非接触地测量损伤叶片的三维形貌特征，构造三维空间模型。其意义在于造型后的损伤叶片比对标准叶片尺寸参数，利用数字再制造技术对其进行修复，从而可缩短送修周期、减少修复费用，降低发动机维护成本。

Description

一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法

技术领域

本发明属于双目视觉三维数字散斑测量技术领域，特别是涉及一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法。

背景技术

随着我国民航运输业的迅速发展，飞机航行安全问题受到越来越多的关注。统计资料表明，航空发动机作为飞机的最核心部件，其叶片在高温高压的恶劣环境下长时间工作很容易发生损伤，进而影响发动机的性能，由此埋下飞行安全隐患。

国内相关航空机械制造装备行业起步较晚，作为发动机核心零件的叶片损伤后一般送到国外进行维修，因此费用高，耗时长，从而造成巨大的经济损失。因此，研究航空发动机损伤叶片测量造型新方法，能够减少国内损伤叶片修复费用，从而降低发动机维护成本。

目前对于航空发动机叶片的测量技术通常分为两类。其一，基于单点测量及逐点测量的接触式测量方法，如标准样本法、自动绘图法和三坐标法等。其中标准样本法是用于叶片成品检测的方法，只能定性地检测零件是否合格，并且一个样板只对应于某叶片相应截面的一条型线，测量精度低、成本高；自动绘图测量法的仪器体积庞大且操作不方便，只适合于零件的抽检；三坐标法的测量精度高，但测量效率低，成本高，且无法获取叶片的整体三维形貌参数。其二，基于非接触式测量的方法，如光学投影法、光切法和结构光法等。光学投影测量法受客观因素影响较多，测量精度低，适合叶片半成品型面的检测；结构光法所采用的激光易被抛光后的叶片镜面反射，同时为了实现不同部位测量数据的拼接，该方法必须在被测叶片外部粘贴一定数量的编码标志点，这些都限制了该方法的实用性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法。

为了达到上述目的，本发明提供的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)建立航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统：所述的系统包括测量旋转台、两个摄像机、同步频闪控制装置和计算机；其中：测量旋转台为放置待测散斑损伤叶片的可控旋转平台；摄像机为包含照明光源和摄像头的图像采集装置，两个摄像机分别置于测量旋转台两侧；同步频闪控制装置为图像采集同步控制装置，分别与两个摄像机相连接，用于实现两个摄像机的图像同步采集；计算机分别与两个摄像机、测量旋转台相连接，通过两个摄像机采集待测散斑损伤叶片的图像信息并进行处理；

步骤2)双目摄像机标定：将上述系统中的左右两个摄像机的主光轴的夹角设定为60°；根据双目立体视觉原理，对两个摄像机进行系统标定，获取其内外参数，得到摄像机投影矩阵；

步骤3)散斑制作：在待测损伤叶片的表面喷涂黑白哑光漆，形成三维随机空间散斑点，由此制成待测散斑损伤叶片；

步骤4)测量分区：由测试人员将待测散斑损伤叶片的表面划分成多个分区并排序，并且相邻分区间互有重叠；

步骤5)回旋待测散斑损伤叶片并采集图像：将待测散斑损伤叶片放置在航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统的测量旋转台上，并随受计算机控制的测量旋转台间歇性旋转；在计算机的控制下，利用同步频闪控制装置控制两个摄像机依次同步采集待测散斑损伤叶片上各个分区的图像，并传送给计算机；

步骤6)同名散斑点匹配：计算机基于外极线约束三维散斑网格单元匹配方法，根据左右两个摄像机同一时刻采集的图像和外极线约束条件及散斑图像网格单元灰度相关条件，匹配出同一位姿时待测散斑损伤叶片上空间散斑点的左像面上的目标散斑点在右像面上的同名散斑点；

步骤7)各分区坐标系下空间散斑点三维坐标求解：根据步骤6)得到的左右像面上的同名散斑点，将像素坐标系转换成分区坐标系，求解出该分区内空间散斑点在该分区坐标系的三维空间坐标数据；重复步骤6)、7)，求解出各分区坐标系下各自分区内空间散斑点的三维空间坐标数据；

步骤8)全局坐标系下空间散斑点三维坐标求解：以第一分区的坐标系为全局坐标系，将其他分区坐标系转换为全局坐标系，通过相邻分区重叠标志点确定各分区坐标系与全局坐标系的映射关系，根据映射关系得到各分区在全局坐标系下的三维空间坐标数据，进而得到整个待测散斑损伤叶片5上所有空间散斑点在全局坐标系下的三维空间坐标数据；

步骤9)三维空间坐标曲面拟合：结合叶盆面、叶背面、叶片型面边缘及损伤边界这些关键曲面精度要求及测量运算效率，在全局坐标系下利用待测散斑损伤叶片上叶盆面、叶背面处空间散斑点的三维空间坐标数据进行九点二次曲面拟合，利用叶片型面边缘及损伤边界处空间散斑点的三维坐标数据进行五次多项式曲面拟合，由此获得这些关键曲面的三维空间坐标数据；

步骤10)三维数字建模：根据步骤8)获得的空间散斑点的三维空间坐标数据以及步骤9)获得的关键曲面的三维空间坐标数据，由计算机利用其内的三维数字建模程序建立起待测散斑损伤叶片的三维数字模型。

在步骤1)中，所述的摄像机采用同型号的工业数字摄像机。

在步骤2)中，所述的对两个摄像机进行系统标定的方法为非参数模型校准方法，结合摄像机成像原理及垂线法，直接建立空间不同方位与相面位置的对应关系，通过将成像平面细化分割，利用插值解算得到任意被测未知点的偏移量，从而得到高精度标定结果。

在步骤6)中，所述的外极线约束三维散斑网格单元匹配的具体方法如下：首先利用外极线约束法对左右摄像机同一时刻采集的图像进行两成像基站目标散斑像点的外极线约束，确定右像面上的某一直线为左像面上目标散斑点的外极线，左像面上目标散斑点的匹配点约束在右像面的该直线上；然后按照适当尺寸对左像面、右像面进行网格划分和网格匹配搜索，左像面上目标散斑点的网格的匹配区域一定约束在右像面上该直线的网格上，根据灰度区域相关算法将左像面上目标散斑点的网格与右像面上该直线附近的网格进行搜索匹配计算，剔除干涉网格，找出相似性最高的散斑点的网格，从而确定出该散斑点即为目标散斑点的同名散斑点。

在步骤7)中，所述的将像素坐标系转换为分区坐标系的具体方法如下：假设步骤6)所述某一空间散斑点在该分区坐标系下的坐标为(Xw,Yw,Zw)，其投影在左像面和右像面像素坐标分别为(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，由像素坐标系转换成分区坐标系的公式为：其中为一中间变量，P为上述左右两个摄像机标定获取的摄像机投影矩阵；上述两方程组成方程组，采用最小二乘法消去中间变量求解出该空间散斑点在该分区坐标系下的坐标数据。

在步骤8)中，所述的将其他分区坐标系转换为全局坐标系的方法如下：V_o＝R_iV_i+T_i,其中V_o为全局坐标系,V_i为第i个分区坐标系,R_i、T_i分别为第i分区坐标系转换的旋转矩阵和平移矩阵；旋转矩阵R_i采用角一轴法求解，通过单一的旋转角和所围绕的单位向量方向来表示旋转矩阵，即：

其中θ为单一旋转角，(x,y,z)为旋转角所围绕的单位向量的方向。

在步骤9)中，所述的九点二次曲面拟合所采用的公式如下：

f(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+b₁x+b₂y+b₃z+c

上述多项式中的系数采用线性最小二乘法确定；

所述的五次多项式曲面拟合所采用的公式如下：

f(x)＝p₀x⁵+p₁x⁴+p₂x³+p₃x²+p₄x+p₅

同理多项式中的系数采用线性最小二乘法确定。

本发明提供的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法能够高精度、高效率、全场非接触地测量损伤叶片的三维形貌特征，构造三维空间模型。其意义在于造型后的损伤叶片比对标准叶片尺寸参数，利用数字再制造技术对其进行修复，从而可缩短送修周期、减少修复费用，降低发动机维护成本。

附图说明

图1为本发明中航空发动机损伤叶片三维散斑测量系统结构图。

图2为本发明提供的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法流程图。

图3为本发明中外极线约束三维散斑网格单元匹配原理图。

图4(a)和图4(b)分别为本发明图3中左右像面的网格匹配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)建立航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统：所述的系统包括测量旋转台1、两个摄像机2、同步频闪控制装置3和计算机4；其中：测量旋转台1为放置待测散斑损伤叶片5的可控旋转平台；摄像机2为包含照明光源和摄像头的图像采集装置，两个摄像机2分别置于测量旋转台1两侧；同步频闪控制装置3为图像采集同步控制装置，分别与两个摄像机2相连接，用于实现两个摄像机2的图像同步采集；计算机4分别与两个摄像机2、测量旋转台1相连接，通过两个摄像机2采集待测散斑损伤叶片5的图像信息并进行处理；摄像机2采用同型号的工业数字摄像机；

步骤2)双目摄像机标定：将上述图1所示系统中的左右两个摄像机2的主光轴的夹角设定为60°；根据双目立体视觉原理，对两个摄像机2进行系统标定，获取其内外参数，得到摄像机投影矩阵；

所述的对两个摄像机2进行系统标定的方法为非参数模型校准方法，结合摄像机成像原理及垂线法，直接建立空间不同方位与相面位置的对应关系，通过将成像平面细化分割，利用插值解算得到任意被测未知点的偏移量，从而得到高精度标定结果。

步骤3)散斑制作：在待测损伤叶片的表面喷涂黑白哑光漆，形成三维随机空间散斑点，由此制成待测散斑损伤叶片5；

步骤4)测量分区：由测试人员将待测散斑损伤叶片5的表面划分成多个分区并排序，并且相邻分区间互有重叠；

步骤5)回旋待测散斑损伤叶片并采集图像：将待测散斑损伤叶片5放置在航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统的测量旋转台1上，并随受计算机4控制的测量旋转台1间歇性旋转；在计算机4的控制下，利用同步频闪控制装置3控制两个摄像机2依次同步采集待测散斑损伤叶片5上各个分区的图像，并传送给计算机4；

步骤6)同名散斑点匹配：计算机4基于外极线约束三维散斑网格单元匹配方法，根据左右两个摄像机2同一时刻采集的图像和外极线约束条件及散斑图像网格单元灰度相关条件，匹配出同一位姿时待测散斑损伤叶片5上空间散斑点的左像面上的目标散斑点在右像面上的同名散斑点；

所述的外极线约束三维散斑网格单元匹配的具体方法如下：首先利用外极线约束法对左右摄像机2同一时刻采集的图像进行两成像基站目标散斑像点的外极线约束，如图3所示，其中O_L、O_R为左右两个摄像机2的光心点，Ⅰ、Ⅱ分别为左右像面，M为一空间散斑点，P为干涉点，右像面Ⅱ上的直线m’m”为左像面Ⅰ上目标散斑点m的外极线，左像面Ⅰ上目标散斑点m的匹配点约束在右像面Ⅱ的直线m’m”上；然后按照适当尺寸对左像面Ⅰ、右像面Ⅱ进行网格划分和网格匹配搜索，如图4所示，左像面Ⅰ上目标散斑点m的网格的匹配区域一定约束在右像面Ⅱ上直线m’m”的网格上，根据灰度区域相关算法将左像面Ⅰ上目标散斑点m的网格与右像面上直线m’m”附近的网格进行搜索匹配计算，剔除干涉网格p’，找出相似性最高的散斑点m’的网格，从而确定出散斑点m’即为目标散斑点m的同名散斑点。

步骤7)各分区坐标系下空间散斑点三维坐标求解：根据步骤6)得到的左右像面上的同名散斑点，将像素坐标系转换成分区坐标系，求解出该分区内空间散斑点在该分区坐标系的三维空间坐标数据；重复步骤6)、7)，求解出各分区坐标系下各自分区内空间散斑点的三维空间坐标数据；

所述的将像素坐标系转换为分区坐标系的具体方法如下：假设步骤6)所述某一空间散斑点在该分区坐标系下的坐标为(Xw,Yw,Zw)，其投影在左像面Ⅰ和右像面Ⅱ的像素坐标分别为(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，由像素坐标系转换成分区坐标系的公式为：其中为一中间变量，P为上述左右两个摄像机2标定获取的摄像机投影矩阵；上述两方程组成方程组，采用最小二乘法消去中间变量求解出该空间散斑点在该分区坐标系下的坐标数据。

步骤8)全局坐标系下空间散斑点三维坐标求解：以第一分区的坐标系为全局坐标系，将其他分区坐标系转换为全局坐标系，通过相邻分区重叠标志点确定各分区坐标系与全局坐标系的映射关系，根据映射关系得到各分区在全局坐标系下的三维空间坐标数据，进而得到整个待测散斑损伤叶片5上所有空间散斑点在全局坐标系下的三维空间坐标数据；

所述的将其他分区坐标系转换为全局坐标系的方法如下：V_o＝R_iV_i+T_i,其中V_o为全局坐标系,V_i为第i个分区坐标系,R_i、T_i分别为第i分区坐标系转换的旋转矩阵和平移矩阵；旋转矩阵R_i采用角一轴法求解，通过单一的旋转角和所围绕的单位向量方向来表示旋转矩阵，即：

其中θ为单一旋转角，(x,y,z)为旋转角所围绕的单位向量的方向。

步骤9)三维空间坐标曲面拟合：由于待测散斑损伤叶片5上的空间散斑点是随机且离散的，而建模时还需要叶盆面、叶背面、叶片型面边缘及损伤边界这些关键曲面的三维空间坐标数据，所以本步骤结合上述不同曲面精度要求及测量运算效率，在全局坐标系下利用待测散斑损伤叶片5上叶盆面、叶背面处空间散斑点的三维空间坐标数据进行九点二次曲面拟合，利用叶片型面边缘及损伤边界处空间散斑点的三维坐标数据进行五次多项式曲面拟合，由此获得这些关键曲面的三维空间坐标数据；

所述的九点二次曲面拟合所采用的公式如下：

f(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+b₁x+b₂y+b₃z+c

上述多项式中的系数采用线性最小二乘法确定；

所述的五次多项式曲面拟合所采用的公式如下：

f(x)＝p₀x⁵+p₁x⁴+p₂x³+p₃x²+p₄x+p₅

同理多项式中的系数采用线性最小二乘法确定。

步骤10)三维数字建模：根据步骤8)获得的空间散斑点的三维空间坐标数据以及步骤9)获得的关键曲面的三维空间坐标数据，由计算机4利用其内的三维数字建模程序建立起待测散斑损伤叶片5的三维数字模型。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)建立航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统：所述的系统包括测量旋转台(1)、两个摄像机(2)、同步频闪控制装置(3)和计算机(4)；其中：测量旋转台(1)为放置待测散斑损伤叶片(5)的可控旋转平台；摄像机(2)为包含照明光源和摄像头的图像采集装置，两个摄像机(2)分别置于测量旋转台(1)两侧；同步频闪控制装置(3)为图像采集同步控制装置，分别与两个摄像机(2)相连接，用于实现两个摄像机(2)的图像同步采集；计算机(4)分别与两个摄像机(2)、测量旋转台(1)相连接，通过两个摄像机(2)采集待测散斑损伤叶片(5)的图像信息并进行处理；

步骤2)双目摄像机标定：将上述系统中的左右两个摄像机(2)的主光轴的夹角设定为60°；根据双目立体视觉原理，对两个摄像机(2)进行系统标定，获取其内外参数，得到摄像机投影矩阵；

步骤3)散斑制作：在待测损伤叶片的表面喷涂黑白哑光漆，形成三维随机空间散斑点，由此制成待测散斑损伤叶片(5)；

步骤4)测量分区：由测试人员将待测散斑损伤叶片(5)的表面划分成多个分区并排序，并且相邻分区间互有重叠；

步骤5)回旋待测散斑损伤叶片并采集图像：将待测散斑损伤叶片(5)放置在航空发动机损伤叶片三维数字散斑测量系统的测量旋转台(1)上，并随受计算机(4)控制的测量旋转台(1)间歇性旋转；在计算机(4)的控制下，利用同步频闪控制装置(3)控制两个摄像机(2)依次同步采集待测散斑损伤叶片(5)上各个分区的图像，并传送给计算机(4)；

步骤6)同名散斑点匹配：计算机(4)基于外极线约束三维散斑网格单元匹配方法，根据左右两个摄像机(2)同一时刻采集的图像和外极线约束条件及散斑图像网格单元灰度相关条件，匹配出同一位姿时待测散斑损伤叶片(5)上空间散斑点的左像面上的目标散斑点在右像面上的同名散斑点；

步骤7)各分区坐标系下空间散斑点三维坐标求解：根据步骤6)得到的左右像面上的同名散斑点，将像素坐标系转换成分区坐标系，求解出该分区内空间散斑点在该分区坐标系的三维空间坐标数据；重复步骤6)、7)，求解出各分区坐标系下各自分区内空间散斑点的三维空间坐标数据；

步骤8)全局坐标系下空间散斑点三维坐标求解：以第一分区的坐标系为全局坐标系，将其他分区坐标系转换为全局坐标系，通过相邻分区重叠标志点确定各分区坐标系与全局坐标系的映射关系，根据映射关系得到各分区在全局坐标系下的三维空间坐标数据，进而得到整个待测散斑损伤叶片5上所有空间散斑点在全局坐标系下的三维空间坐标数据；

步骤9)三维空间坐标曲面拟合：结合叶盆面、叶背面、叶片型面边缘及损伤边界这些关键曲面精度要求及测量运算效率，在全局坐标系下利用待测散斑损伤叶片(5)上叶盆面、叶背面处空间散斑点的三维空间坐标数据进行九点二次曲面拟合，利用叶片型面边缘及损伤边界处空间散斑点的三维坐标数据进行五次多项式曲面拟合，由此获得这些关键曲面的三维空间坐标数据；

步骤10)三维数字建模：根据步骤8)获得的空间散斑点的三维空间坐标数据以及步骤9)获得的关键曲面的三维空间坐标数据，由计算机(4)利用其内的三维数字建模程序建立起待测散斑损伤叶片(5)的三维数字模型。

2.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的摄像机(2)采用同型号的工业数字摄像机。

3.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的对两个摄像机(2)进行系统标定的方法为非参数模型校准方法，结合摄像机成像原理及垂线法，直接建立空间不同方位与相面位置的对应关系，通过将成像平面细化分割，利用插值解算得到任意被测未知点的偏移量，从而得到高精度标定结果。

4.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤6)中，所述的外极线约束三维散斑网格单元匹配的具体方法如下：首先利用外极线约束法对左右摄像机(2)同一时刻采集的图像进行两成像基站目标散斑像点的外极线约束，确定右像面上的某一直线为左像面上目标散斑点的外极线，左像面上目标散斑点的匹配点约束在右像面的该直线上；然后按照适当尺寸对左像面、右像面进行网格划分和网格匹配搜索，左像面上目标散斑点的网格的匹配区域一定约束在右像面上该直线的网格上，根据灰度区域相关算法将左像面上目标散斑点的网格与右像面上该直线附近的网格进行搜索匹配计算，剔除干涉网格，找出相似性最高的散斑点的网格，从而确定出该散斑点即为目标散斑点的同名散斑点。

5.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤7)中，所述的将像素坐标系转换为分区坐标系的具体方法如下：假设步骤6)所述某一空间散斑点在该分区坐标系下的坐标为(Xw,Yw,Zw)，其投影在左像面和右像面像素坐标分别为(u_l,v_l)、(u_r,v_r)，由像素坐标系转换成分区坐标系的公式为：其中为一中间变量，P为上述左右两个摄像机(2)标定获取的摄像机投影矩阵；上述两方程组成方程组，采用最小二乘法消去中间变量求解出该空间散斑点在该分区坐标系下的坐标数据。

6.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤8)中，所述的将其他分区坐标系转换为全局坐标系的方法如下：V_o＝R_iV_i+T_i,其中V_o为全局坐标系,V_i为第i个分区坐标系,R_i、T_i分别为第i分区坐标系转换的旋转矩阵和平移矩阵；旋转矩阵R_i采用角一轴法求解，通过单一的旋转角和所围绕的单位向量方向来表示旋转矩阵，即：

$R_i=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})x^2& (1-\cos \mathrm{\θ})xy-\left(\sin \mathrm{\θ}\right)z& (1-\cos \mathrm{\θ})xz+\left(\sin \mathrm{\θ}\right)y\\ (1-\cos \mathrm{\θ})xy+\left(\sin \mathrm{\θ}\right)z& \cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})y^2& (1-\cos \mathrm{\θ})yz-\left(\sin \mathrm{\θ}\right)x\\ (1-\cos \mathrm{\θ})xz-\left(\sin \mathrm{\θ}\right)y& (1-\cos \mathrm{\θ})yz+\left(\sin \mathrm{\θ}\right)x& \cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})z^2\end{array}\right]$

其中θ为单一旋转角，(x,y,z)为旋转角所围绕的单位向量的方向。

7.根据权利要求1所述的航空发动机损伤叶片三维数字散斑造型方法，其特征在于：在步骤9)中，所述的九点二次曲面拟合所采用的公式如下：

f(x,y,z)＝a₁₁x²+a₂₂y²+a₃₃z²+2a₁₂xy+2a₁₃xz+2a₂₃yz+b₁x+b₂y+b₃z+c

上述多项式中的系数采用线性最小二乘法确定；

所述的五次多项式曲面拟合所采用的公式如下：

f(x)＝p₀x⁵+p₁x⁴+p₂x³+p₃x²+p₄x+p₅

同理多项式中的系数采用线性最小二乘法确定。