CN111238386A - 发动机管道最小间距测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的发动机管道最小间距测量方法，属于发动机管道测量领域。本发明实现方法为：对点云数据进行管道数据划分，得到每根管道的扫描数据；判断每条管道分别在坐标轴三个方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格，将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，计算管道趋势线数据；构造垂直平面获取管道截面线数据；拟合计算管道中心线数据；遍历计算两条管道中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，实现发动机管道最小间距非接触测量。本发明能够减小噪声点和单点测量不确定度对计算测量结果的影响，测量结果受工人影响的问题。本发明具有鲁棒性好和测量效率高的优点。

Description

发动机管道最小间距测量方法
技术领域
本发明涉及发动机管道最小间距测量方法，尤其发动机管道中心线数据提取测量方法，属于发动机管道测量领域。
背景技术
航空发动机管路是指通过管道将发动机各部件、各附件进行连接，并输送发动机运行、控制、操纵等功能所需要的各种流体的系统。一台典型的航空发动机通常包含200多根管道，所有管道敷设在内机匣与短舱之间的有限回转空间内，同时，管路还需满足力学、振动等多种工程要求，这使得管路层叠交错，形状复杂。HB20123.4-2012中规定航空发动机管路的敷设要保证管路之间，管路与相邻附件之间最小间隙满足设计要求。管道最小间距的保证可以防止发动机运行过程中管路与飞机结构、其它管路、紧固件发生摩擦，同时也避免管道间产生共振。因此，发动机管道最小间距是保证发动机正常运行的重要因素之一。
针对发动机管道最小间隙的检测，传统的测量方法是工人使用塞尺，在目视最小间距位置上测量间距是否满足要求。这种方法虽然满足发动机管路间距检测准确度的要求，但存在测量效率低，测量结果受工人影响的问题，因此，无法满足高效、准确检测的要求。随着非接触测量原理的成熟和三维扫描测量设备的快速发展，管路半径及管路中心线等特征参数信息可通过非接触的方式获取，并通过计算获取管道最小间距。现阶段获取管路特征参数的方法为图像特征识别结合三维测量原理：首先通过相机拍摄管路二维图像，在对图像进行降噪和二值化处理后，提取管路的边缘像素点和中心线像素点，然后基于三角交汇原理[9]计算管路边缘及管路中心线的三维点数据，最后通过对管路边缘数据进行圆柱拟合得到管道直径。该方法计算的管路中心线数据是基于中心线在两台相机中所成像获得的。所以，计算结果受像素提取准确度和图像匹配准确度的影响，而这两个过程都易受到图像噪点的影响。
发明内容
与现阶段常用的图像特征识别结合三维测量的方法相比，本发明公开的发动机管道最小间距测量方法要解决的技术问题是：实现发动机管道最小间距非接触测量，能够减小噪声点和单点测量不确定度对计算测量结果的影响，测量结果受工人影响的问题。本发明具有鲁棒性好和测量效率高的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的发动机管道最小间距测量方法实现方法为：对点云数据进行管道数据划分，得到每根管道的扫描数据；判断每条管道分别在坐标轴三个方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格，将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，并计算管道趋势线数据；基于趋势线数据构造垂直平面，获取管道截面线数据；基于获取的管道截面线数据拟合计算管道中心线数据；采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
本发明公开的发动机管道最小间距测量方法，包括如下步骤：
步骤一：对点云数据进行管道数据划分，得到每根管道的扫描数据；
步骤二：判断每条管道分别在坐标轴三个方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格，将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，并计算管道趋势线数据；
步骤2.1：判断每条管道分别在X、Y、Z方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格；
步骤2.2：将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，计算每个栅格的中心点坐标，所有中心点坐标反映管路中心线的空间位姿，所述反映管路中心线的空间位姿即为趋势线数据。
步骤三：基于步骤二得到的趋势线数据构造垂直平面，获取管道截面线数据；
步骤3.1：将步骤2.2得到的趋势线数据中相邻两点连线，并在前端点处构造直线段的垂直平面；
步骤3.2：将管道表面点云数据投影到距离最近的垂直平面上，则在每个垂直平面上得到一组按圆弧分布的投影点数据。
步骤四：基于步骤三获取的管道截面线数据拟合计算管道中心线数据；
对步骤3.1所有垂直平面上的投影点数据进行拟合，计算拟合圆的圆心和半径值，所有拟合圆心即为管道中心线数据。
作为优选，对步骤3.1所有垂直平面上的投影点数据进行拟合，选最小二乘圆进行拟合。
步骤五：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
步骤5.1：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距；
步骤5.1.1：定义第一条管道的中心线数据为C1i(i＝1,2,...,n1)，第二条管道的中心线数据为C2i(i＝1,2,...,n2)。
步骤5.1.2：计算两组管道中心线数据的欧氏距离，则得到n1×n2个距离值；
步骤5.1.3：计算n1×n2个距离值的最小值作为两条管道的最小间距位置；
步骤5.1.4：在两条管道的最小间距位置处，进行一次插值计算最小间距。
当点C1k到点C2q距离最小时，分别计算点C1k-1与点C2q-1、点C1k+1与点C2q+1、点C1k-1与点C2q+1、点C1k+1与点C2q-1之间的距离，用四个距离中的最小值Dmin与点C1k到点C2q的距离值比较，取较小的值作为管道中心线数据的最小间距。
步骤5.2：用步骤5.1得到的中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
本发明公开的发动机管道最小间距测量方法不仅适用于发动机管道最小间距测量，还能推广应用至其他领域管道最小间距测量，解决相关工程技术问题。
有益效果：
1、与现阶段常用的图像特征识别结合三维测量的方法相比，本发明公开的发动机管道最小间距测量方法，通过计算出不同管道的中心线数据及管道半径值，然后计算不同中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去管道半径值则得到不同管道的表面最小间距，实现发动机管道最小间距非接触测量，能够减小噪声点和单点测量不确定度对计算测量结果的影响，测量结果受工人影响的问题。本发明具有鲁棒性好和测量效率高的优点。
2、本发明公开的发动机管道最小间距测量方法，不仅适用于发动机管道最小间距测量，还能推广应用至其他领域管道最小间距测量，解决相关工程技术问题。
3、本发明公开的发动机管道最小间距测量方法，能够对发动机上的“L”形管道有和“U”形管道进行有效测量，准确度满足现阶段管道最小间距检测准确度的要求。
附图说明
图1为本发明公开的发动机管道最小间距测量方法流程图；
图2为沿趋势线数据构造垂直平面示意图；
图3为遍历法计算一点到另一条管道中心线数据的最小距离；
图4为管道中心线数据计算过程示意图，其中：图4(a)为划分的单条管道点云数据，图4(b)为构造的趋势线数据，图4(c)为沿趋势线数据构造垂直平面，图4(d)为管道点云数据向垂直平面投影，图4(e)为圆拟合获取管路中心线数据。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
发动机管路系统具有管道数量多，形状复杂，敷设空间有限的特点，所以管道最小间距的检测是项工作量大，精度要求高的工作。随着非接触式扫描测量设备的推广使用，管道最小间距的数字化检测成为可能。
如图1所示，本实施例公开的发动机管道最小间距测量方法，具体实现步骤如下：
步骤一：对点云数据进行管道数据划分，得到每根管道的扫描数据；
管道数据的划分是将每条管道的扫描数据从整体的点云数据中提取出来，采用形状索引系数映射，高斯映射等方法。
步骤二：判断每条管道分别在坐标轴三个方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格，将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，并计算管道趋势线数据；
根据管道空间弯曲情况，将管道分为“L”形有和“U”形。“L”形管道是指中心线为开放曲线或直线的管道，“U”形管道是指中心线为半封闭曲线的管道。将一条“U”形管道划分为两条“L”形管道，然后按照下述方法计算管道趋势线。
步骤2.1：判断每条管道分别在X、Y、Z方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格；
管道点云数据为Pi(xi,yi,zi)(i＝1,2,...,n)。
步骤2.1.1：寻找点云数据在X、Y、Z坐标轴方向上的最大值和最小值，表示为xmax,xmin，ymax,ymin,zmax,zmin；
步骤2.1.2：计算该条管道在X、Y、Z三个坐标轴方向上的长度，并确定最长方向，即计算max{(xmax-xmin),(ymax-ymin),(zmax-zmin)}，当X(或Y、或Z)方向长度最大时，确定X(或Y、或Z)方向为栅格的划分方向；
步骤2.1.3：从xmin(或ymin、或zmin)到xmax(或ymax、或zmax)等间隔划分栅格，确定每个栅格的在划分方向上的上下界限。
步骤2.2：将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，计算每个栅格的中心点坐标，所有中心点坐标反映管路中心线的空间位姿，称之为趋势线数据；
步骤2.2.1：根据栅格上下限，将位于栅格上、下界限的管道点云数据划分到对应的栅格中；
步骤2.1.2：计算每个栅格所包含数据的中心点，所有栅格的中心点构成了管道趋势线数据，如图2所示。
步骤三：基于步骤二得到的趋势线数据构造垂直平面，获取管道截面线数据；
步骤3.1：将步骤2.2得到的趋势线数据中相邻两点连线，并在前端点处构造直线段的垂直平面；
步骤3.1：将步骤2.2得到的将趋势线数据中相邻两点连线并在前端点处构造直线段的垂直平面；
定义一条管道的趋势线数据为Pcj(xcj,ycj,zcj)(j＝1,2,...,n)。
步骤3.1.1：用直线连接相邻的两个点，得到直线段Lj(j＝1,2,...,n-1)；
步骤3.1.2：在每个点的位置上构造平分于相邻直线段夹角的平面PLj(j＝2,...,n-1)，首末端点处的平面垂直于首末直线段。
位于趋势线两端点之间的垂直平面PLj(j＝2,...,n-1)通过点Pcj(xcj,ycj,zcj)，且平面法向与向量
Figure BDA0002430295350000051
方向平行，其中
Figure BDA0002430295350000052
则垂直平面可表示式见式(1)：
A(x-xcj)+B(y-ycj)+C(z-zcj)＝0 (1)
其中：
Figure BDA0002430295350000053
Figure BDA0002430295350000054
Figure BDA0002430295350000055
步骤3.2：将管道表面点云数据投影到距离最近的垂直平面上，则在每个垂直平面上得到一组按圆弧分布的投影点数据；
以一点为例进行说明。
步骤3.2.1：计算点Psm(xm,ym,zm)到所有垂直平面PLj(j＝1,2,...,n)的垂直距离，表示为(Dm,1,Dm,2,...,Dm,n)；
步骤3.2.2：计算垂直距离的最小值，即min{Dm,1,Dm,2,...,Dm,n}，当Dm,l(1≤l≤n)为最小时，说明点Psm到第l个垂直平面的距离为最小；
步骤3.2.3：将点Psm投影到第l个垂直平面上，其投影点Psm'(xm',ym',zm')的计算表达式见式(2)，
Figure BDA0002430295350000056
其中(A,B,C)为垂直平面法向量，(xcj,ycj,zcj)为垂直平面通过的趋势线数据点的坐标；
步骤3.2.4：对管道所有点云数据进行上述操作，则在各垂直平面上得到呈圆弧状分布的投影点数据。
步骤四：最小二乘圆拟合计算管道中心线数据；
对每张垂直平面上的投影点数据进行最小二乘圆拟合，得到拟合圆圆心坐标和拟合半径值；所有拟合圆的圆心为管道中心线上的点，称之为管道中心线数据。
步骤五：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
步骤5.1：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距；
步骤5.1.1：定义第一条管道的中心线数据为C1i(i＝1,2,...,n1)，第二条管道的中心线数据为C2i(i＝1,2,...,n2)，如图3所示。
步骤5.1.2：计算两组管道中心线数据的欧氏距离，则得到n1×n2个距离值；
步骤5.1.3：计算n1×n2个距离值的最小值作为两条管道的最小间距位置；
步骤5.1.4：在两条管道的最小间距位置处，进行一次插值计算最小间距。
当点C1k到点C2q距离最小时，分别计算点C1k-1与点C2q-1、点C1k+1与点C2q+1、点C1k-1与点C2q+1、点C1k+1与点C2q-1之间的距离，用四个距离中的最小值Dmin与点C1k到点C2q的距离值比较，取较小的值作为管道中心线数据的最小间距。
步骤5.2：用步骤5.1得到的中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
图4显示了采用本实施例提取一根发动机管道中心线数据的过程，(a)～(e)依次显示了本实施例五个步骤的计算测量结果。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：对点云数据进行管道数据划分，得到每根管道的扫描数据；
步骤二：判断每条管道分别在坐标轴三个方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格，将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，并计算管道趋势线数据；
步骤三：基于步骤二得到的趋势线数据构造垂直平面，获取管道截面线数据；
步骤四：基于步骤三获取的管道截面线数据拟合计算管道中心线数据；
步骤五：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距，中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
2.如权利要求1所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：不仅适用于发动机管道最小间距测量，还能推广应用至其他领域管道最小间距测量，解决相关工程技术问题。
3.如权利要求1或2所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
步骤2.1：判断每条管道分别在X、Y、Z方向上的分布长度，在分布最长的坐标轴方向上构造等间隔栅格；
步骤2.2：将管道点云数据划分到对应的隔栅格中，计算每个栅格的中心点坐标，所有中心点坐标反映管路中心线的空间位姿，所述反映管路中心线的空间位姿即为趋势线数据。
4.如权利要3所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
步骤3.1：将步骤2.2得到的趋势线数据中相邻两点连线，并在前端点处构造直线段的垂直平面；
步骤3.2：将管道表面点云数据投影到距离最近的垂直平面上，则在每个垂直平面上得到一组按圆弧分布的投影点数据。
5.如权利要求4所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：步骤四实现方法为，对步骤3.1所有垂直平面上的投影点数据进行拟合，计算拟合圆的圆心和半径值，所有拟合圆心即为管道中心线数据。
6.如权利要求5所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：步骤五实现方法为，
步骤5.1：采用遍历法计算两条管道中心线数据的最小间距；
步骤5.2：用步骤5.1得到的中心线数据的最小间距减去两条管道的半径值即得到两条管道表面的最小间距，即实现发动机管道最小间距非接触测量。
7.如权利要求6所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：步骤5.1实现方法为，
步骤5.1.1：定义第一条管道的中心线数据为C1i(i＝1,2,...,n1)，第二条管道的中心线数据为C2i(i＝1,2,...,n2)；
步骤5.1.2：计算两组管道中心线数据的欧氏距离，则得到n1×n2个距离值；
步骤5.1.3：计算n1×n2个距离值的最小值作为两条管道的最小间距位置；
步骤5.1.4：在两条管道的最小间距位置处，进行一次插值计算最小间距；
当点C1k到点C2q距离最小时，分别计算点C1k-1与点C2q-1、点C1k+1与点C2q+1、点C1k-1与点C2q+1、点C1k+1与点C2q-1之间的距离，用四个距离中的最小值Dmin与点C1k到点C2q的距离值比较，取较小的值作为管道中心线数据的最小间距。
8.如权利要求7所述的发动机管道最小间距测量方法，其特征在于：对步骤3.1所有垂直平面上的投影点数据进行拟合，选最小二乘圆进行拟合。
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