CN111561867A - 一种飞机表面形貌数字化测量方法 - Google Patents

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杨林志
朱绪胜
陈雪梅
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Abstract

本发明提出了一种飞机表面形貌数字化测量方法，首先架设一个覆盖待测飞机的测量区域的多相机系统；然后使用标定工具对多相机系统进行标定，从而计算出多相机系统中各相机的位姿；接着使用光学投点器，将靶标点投射到待测飞机的表面上，通过多相机系统对待测飞机拍摄图像，然后通过所拍摄的图像计算出待测飞机的表面上靶标点的三维空间坐标，完成飞机表面形貌的测量。本发明通过上述方法，解决了现有技术测量受温度的影响而精度低下，测量繁琐，效率低下等问题，同时通过多相机系统，实现了大范围，且表面复杂的飞机形貌的数字化测量。

Description

一种飞机表面形貌数字化测量方法
技术领域
本发明属于数字化测量技术领域，具体地说，涉及一种飞机表面形貌数字化测量方法。
背景技术
随着新一代飞机性能的不断提升，飞机制造业亟需满足高精度、柔性化、高效率等新的要求。同时，自动化、数字化以及智能化也是航空制造业发展的方向。在飞机制造过程中，装配环节是关键环节之一，具有结构复杂、工艺难度大等特点，占据大量劳动时间。装配质量会直接影响飞机的外形准确度，进一步影响飞机的整体性能。传统的飞机装配质量检测，也即飞机表面形貌准确度检测，采用水平测量的方式进行。其通常采用激光跟踪仪、iGPS等设备来对飞机上的一些关键点进行测量，根据测量数据来判断飞机装配的情况。激光跟踪仪具有一定的测量精度，能够满足大尺寸零部件的测量需求。但在使用时，激光跟踪仪会受到现场温度的影响，存在一定的不确定度。当需要测量多个点时，由于只能逐点测量，所以使得测量效率较低。测量某些点位时，为进一步保证测量精度，还需使用特定的靶球座，这将造成额外的消耗。iGPS最少可以使用两个已知位置的信号发射器来计算待测点的三维坐标，并且通过增加信号发射器的数量来扩大检测范围，适应于飞机大尺寸测量。但相较激光跟踪仪而言，iGPS在测量精度上相对较低，较难满足精度要求较高场合的需求。因此，采用一种既有较高测量精度，又便捷高效的测量方法来完成飞机表面形貌的测量是飞机制造业中亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明针对现有技术测量精度受温度影响、测量效率低、成本高、测量精度低等问题，提出了一种飞机表面形貌数字化测量方法，通过架设多相机系统，并对多相机系统进行位姿计算，再通过光学投点器实现对飞机表面三维坐标的计算，实现飞机表面形貌的测量。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种飞机表面形貌数字化测量方法，首先架设一个覆盖待测飞机的测量区域的多相机系统；然后使用标定工具对多相机系统进行标定，从而计算出多相机系统中各相机的位姿；接着使用光学投点器，将靶标点投射到待测飞机的表面上，通过多相机系统对待测飞机拍摄图像，然后通过所拍摄的图像计算出待测飞机的表面上靶标点的三维空间坐标，完成飞机表面形貌的测量。
为了更好地实现本发明，进一步地，靶标点的三维坐标的计算具体包括以下步骤：
步骤一：使用光学投点器将一定密度的光学靶标点投射到飞机待测表面；
步骤二：使用多相机系统对待测飞机表面拍摄图像；
步骤三：根据靶标点在不同图像中的像点信息，计算出靶标点的空间坐标近似值；
步骤四：根据各靶标点的空间坐标近似值，列出像点误差方程；并通过最小二乘法求解出靶标点的空间坐标值改正数，将空间坐标值改正数与靶标点的空间坐标近似值相加求出靶标点的三维坐标。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述多相机系统中各相机的位姿计算方法为：将标定工具在测量区域内移动若干位置，每移动一次位置，对标定工具进行一次拍摄；所述标定工具上面自带标志点，在拍摄时需要确保标定工具上的标志点所在平面尽量与地面保持垂直。
为了更好地实现本发明，进一步地，在每一次拍摄后，都会得到标定工具的标志点图像，首先对图像中的标志点进行识别，提取出标志点信息，根据标志点信息，利用单像空间后方交会原理，计算出拍摄图像的单个相机的相机位姿；将每一次移动标定工具后拍摄得到的图像都进行处理，进一步迭代计算出多相机系统中每个相机的位姿。
为了更好地实现本发明，进一步地，对于大型面结构的飞机被测区域的多相机系统的架设，首先将大型面结构的飞机的被测区域划分为若干子区域，然后再进行相机布站组成多相机系统；在布站时，相机安装位置需要满足拍摄最大范围的视场和角度，并确保每个相邻相机之间具有80％以上的拍摄重叠度。
为了更好地实现本发明，进一步地，当被测区域具有多个待测面时，需要在面与面之间安装额外的相机，所述额外的相机需要能够同时拍摄到相邻的两个面。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述光学投点器为单点光学投点器。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述光学投点器为多点光学投点器。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述标定工具为定向尺。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
(1)不受温度的影响，测量精度高；
(2)测量便捷；
(3)不需要再额外设置靶球座，成本低。
附图说明
图1为多相机系统的相机布站示意图；
图2为通过标定工具的标志点确定单个相机位姿的示意图；
图3为多相机系统通过标志工具的标志点确定相机位姿的示意图；
图4为多相机系统对靶标点的测量示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提出了一种飞机表面形貌数字化测量方法，如图1、图2、图3、图4所示，首先架设一个覆盖待测飞机的测量区域的多相机系统；然后使用标定工具对多相机系统进行标定，从而计算出多相机系统中各相机的位姿；接着使用光学投点器，将靶标点投射到待测飞机的表面上，通过多相机系统对待测飞机拍摄图像，然后通过所拍摄的图像计算出待测飞机的表面上靶标点的三维空间坐标，完成飞机表面形貌的测量，具体的步骤为：
1、首先所述架设一定数量的相机，组成多相机摄影测量网，即多相机系统，其具体方法如下：
如图1所示，对于大型面结构的飞机被测区域的多相机系统的架设，首先将大型面结构的飞机的被测区域划分为若干子区域，然后再进行相机布站组成多相机系统；在布站时，相机安装位置需要满足拍摄最大范围的视场和角度，并确保每个相邻相机之间具有80％以上的拍摄重叠度；
当被测区域具有多个待测面时，需要在面与面之间安装额外的相机，所述额外的相机需要能够同时拍摄到相邻的两个面，以达到将各个面连接起来的作用。
2、对于使用定向尺等标定工具对多相机系统进行标定，计算出各相机相对于摄影测量坐标系的相对位姿，其具体计算方法如下：
如图2所示，设空间中一点P在物方坐标系O-XYZ下的坐标值为(X,Y,Z)；以相机镜头光心S为坐标原点，建立像空间坐标系S-xyz，其中z轴与相机成像平面垂直，x轴与y轴分别与相机成像平面坐标系的u轴和v轴平行；设P点在相机成像平面上的投影点为p，其在像空间坐标系S-xyz下的坐标值为(x,y,z)。像空间坐标系S-xyz可以由物方坐标系O-XYZ先按向量(XS,YS,ZS)T平移后，再依次绕移动后的X轴、旋转后的Y轴和旋转后的Z轴旋转ω，
Figure BDA0002452050500000032
κ后得到；根据成像原理，有坐标变换方程：
Figure BDA0002452050500000031
其中：
Figure BDA0002452050500000041
Figure BDA0002452050500000042
表示像空间坐标系S-xyz相对于物方坐标系O-XYZ的旋转矩阵，由ω，
Figure BDA0002452050500000043
κ决定。
考虑相机内部参数造成的成像误差Δx和Δy，整理上式可以得到共线方程如下
Figure BDA0002452050500000044
其中f表示相机的焦距。
如图3所示，对多相机系统进行标定，确定其外方位元素R和t；列出投影点像点误差方程式如下：
V＝AX-L；
其中，
V＝[vx,vy]T，
Figure BDA0002452050500000045
Figure BDA0002452050500000046
其中，
Figure BDA0002452050500000047
和
Figure BDA0002452050500000048
为用近似参数计算得到的像点坐标。
本例中，以定向尺上三个控制点P1，P2，P3以及摄站1做计算说明。控制点Pi其在物方坐标系O-XYZ下的坐标值为(Xi,Yi,Zi)T，其在摄站1中的投影点为pi，对应的像空间坐标系坐标值为(xi,yi,-f)T，其中i＝1,2,3。则像点误差方程式为：
Vi＝AiX1-Li，i＝1,2,3；
令Vp＝[V1,V2,V3]T，Ap＝[A1,A2,A3]T，Lp＝[L1,L2,L3]T，则：
Vp＝ApX1-Lp；
其法方程式为：
Figure BDA0002452050500000051
其中，P为权矩阵。通过迭代计算，可以得出相机的外方位元素，完成相机标定。其他摄站的相机均可通过该方式进行标定。选取初始摄站作为摄影测量坐标系，根据各摄站相对于物方坐标系的变换关系，可以求出其他摄站相对于摄影测量坐标系的坐标变换关系。
3、对于使用单点或多点光学投点器，将靶标点投射到飞机待测表面上，通过多相机系统拍摄图像，计算出靶标点的三维空间坐标，其具体步骤如下：
步骤一：使用光学投点器将一定密度的光学靶标点投射到飞机待测表面；
步骤二：使用多相机系统对待测飞机表面拍摄图像；
步骤三：根据靶标点在不同图像中的像点信息，计算出靶标点的空间坐标近似值；
步骤四：根据各靶标点的空间坐标近似值，列出像点误差方程；并通过最小二乘法求解出靶标点的空间坐标值改正数，将空间坐标值改正数与靶标点的空间坐标近似值相加求出靶标点的三维坐标：
如图4所示，对于空间中一待测靶标点Q，设其在各摄站中的投影点为Qi，对应坐标值为(xi,yi,-f)T，i＝1,2,3…。根据坐标变换方程，有
Figure BDA0002452050500000052
其中，下标i表示摄站编号。所述坐标变换方程用矩阵形式表示如下：
Figure BDA0002452050500000053
根据最小二乘法即可求解出靶标点Q的空间坐标值。其他待测靶标点，均可以通过该方法计算得出其空间坐标值。通过上述步骤，提供了一种飞机表面形貌数字化测量方法，该方法能够应用于飞机表面的大尺寸测量，具有测量精度高，测量便捷性强等优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，首先架设一个覆盖待测飞机的测量区域的多相机系统；然后使用标定工具对多相机系统进行标定，从而计算出多相机系统中各相机的位姿；接着使用光学投点器，将靶标点投射到待测飞机的表面上，通过多相机系统对待测飞机拍摄图像，然后通过所拍摄的图像计算出待测飞机的表面上靶标点的三维空间坐标，完成飞机表面形貌的测量。
2.如权利要求1所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，靶标点的三维坐标的计算具体包括以下步骤：
步骤一：使用光学投点器将一定密度的光学靶标点投射到飞机待测表面；
步骤二：使用多相机系统对待测飞机表面拍摄图像；
步骤三：根据靶标点在不同图像中的像点信息，计算出靶标点的空间坐标近似值；
步骤四：根据各靶标点的空间坐标近似值，列出像点误差方程；并通过最小二乘法求解出靶标点的空间坐标值改正数，将空间坐标值改正数与靶标点的空间坐标近似值相加求出靶标点的三维坐标。
3.如权利要求1所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，所述多相机系统中各相机的位姿计算方法为：将标定工具在测量区域内移动若干位置，每移动一次位置，对标定工具进行一次拍摄；所述标定工具上面自带标志点，在拍摄时需要确保标定工具上的标志点所在平面尽量与地面保持垂直。
4.如权利要求3所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，在每一次拍摄后，都会得到标定工具的标志点图像，首先对图像中的标志点进行识别，提取出标志点信息，根据标志点信息，利用单像空间后方交会原理，计算出拍摄图像的单个相机的相机位姿；将每一次移动标定工具后拍摄得到的图像都进行处理，进一步迭代计算出多相机系统中每个相机的位姿。
5.如权利要求1所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，对于大型面结构的飞机被测区域的多相机系统的架设，首先将大型面结构的飞机的被测区域划分为若干子区域，然后再进行相机布站组成多相机系统；在布站时，相机安装位置需要满足拍摄最大范围的视场和角度，并确保每个相邻相机之间具有80％以上的拍摄重叠度。
6.如权利要求5所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，当被测区域具有多个待测面时，需要在面与面之间安装额外的相机，所述额外的相机需要能够同时拍摄到相邻的两个面。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，所述光学投点器为单点光学投点器。
8.如权利要求1-6任一项所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，所述光学投点器为多点光学投点器。
9.如权利要求1-6任一项所述的一种飞机表面形貌数字化测量方法，其特征在于，所述标定工具为定向尺。
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