CN111737822B - 一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字化测量技术领域，涉及一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法。首先采用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描，获取装配组件的点云数据；其次，在三维坐标系统中，完成装配组件点云坐标的三维坐标变换，使其达到准装配状态；然后采用改进的迭代最近点法，实现装配组件虚拟装配；最后在确定参考平面后，生成采样点和对应点，并依此构建贴合间隙三维形貌几何模型实现航空构件贴合间隙三维形貌的准确评估。本发明具有适用性强、快速、准确的特性，有效节省航空构件连接装配时间和成本。

Description

一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法

技术领域

本发明属于数字化测量技术领域，涉及一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法。

背景技术

航空用零部件在成型过程中由于存在着成型误差，在连接装配时会在本应完全自由贴合的界面处产生间隙。飞机等民用航空飞行器为满足适航的要求，需要在装配过程中对贴合间隙进行充填补偿，因此首先需要对贴合间隙尺寸进行测量并依此选择材料并制备垫片。目前对于贴合间隙的测量仍以手工操作为主，存在着效率低、精度差，特别是对于具有封闭、本封闭特征的航空盒段类结构具有内部间隙测量不可达的实际问题，因此需要发展一种航空构件贴合间隙三维形貌评估方法以提高测量效率和精度。本发明提出一种基于点云数据的贴合间隙三维形貌评估方法用于实现对航空构件贴合间隙三维形貌的准确测量，为实现航空结构件高质量连接装配创造条件。

由于贴合间隙的存在，应用于航空领域构件的装配通常需要经过预装配、间隙测量、间隙补偿及连接装配多个环节才能完成，对于贴合间隙的测量目前仍以手工测量为主，不仅效率低、精度差，而且对于封闭、半封闭区域贴合间隙的手工测量根本无法实现，是航空构件连接装配过程中面临的现实难题和挑战。因此，实现航空构件贴合间隙三维形貌数字化评估意义重大。

国内外诸多学者对数字化测量技术的研究主要集中在构件的几何测量和成型精度检测等方面，对于将数字化测量方法用于装配环节以实现手工测量不可达贴合间隙快速测量的研究较少，尤其是针对具有复杂三维形貌贴合间隙的测量的研究还未见公开报道。

发明内容

本发明的目的：飞机等民用航空飞行器在服役前必须通过适航认证，而对航空构件中贴合间隙进行充填补偿是飞机满足适航认证的前提和基础。然而，对于具有封闭、半封闭特征的航空结构采用传统手工测量贴合间隙的方式不仅效率低、精度差，而且对于内部贴合间隙根本无法手工测量，为解决这一实际问题而提出一种基于点云数据的贴合间隙三维形貌评估方法。该方法可适用于所有航空结构，能够评估所有类型的贴合间隙，具有快速、准确的特征，能够有效节约时间并提高测量精度，为航空构件装配质量的提升创造条件。

本发明的技术方案：

一种基于点云数据的贴合间隙三维形貌评估方法，首先采用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获取包含装配组件表面信息的点云数据；其次，在三维坐标系中完成装配组件位姿的调整，将装配组件调整到准装配状态下的姿态；然后，采用改进的迭代最近点方法实现装配组件的虚拟装配；之后，在确定一个参考平面后，对于要评估贴合间隙的装配组件，在一个装配组件上确定用于贴合间隙评估的采样点集P，在另一个配合组件上确定对应点集Q；最后，利用采样点集P和对应点集Q生成贴合间隙三维几何形貌几何模型，实现贴合间隙三维形貌的准确评估；具体步骤如下：

(1)获取装配组件点云数据

打开三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获得装配组件点云数据集{A_i|i＝1,2,…,m}，其中A_i表示第i个装配组件的点云数据，m表示构件中所包含的装配组件的数量。A_i＝{p_j|j＝1,2,…,n},p_j表示利用扫描设备获取的数据点，n表示在装配组件A_i上获取的数据点个数。

(2)装配组件位姿调整

需要对步骤(1)中的装配组件点云数据根据装配时各组件的具体位置进行坐标变换，为虚拟装配创造条件。为此需要对点云数据进行坐标变换，变换方法如下：

A_i ^*＝A_i·M (1)

式中A_i ^*表示A_i经坐标变换后得到的点云数据，M表示坐标变换矩阵，是一个4×4阶方阵。

当装配组件需要绕X轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀,y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_x如下所示：

当装配组件需要绕Y轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀，y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_y如下所示：

当装配组件需要绕Z轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀，y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_z如下所示：

装配组件经过位姿的调整便于后续步骤(3)虚拟装配的实现。

(3)装配组件点云数据虚拟装配

装配组件点云数据经过位姿调整后采用一种改进的迭代最近点算法实现装配组件点云数据的虚拟装配。其基本原理为：对于源点云数据中的每一个数据点，在目标点云数据中寻找欧式距离最近点作为对应点，然后根据公式(5)求解出旋转和平移变换参数R和t，变换过程中需要确保一个组件的点云数据不会跨越另一个组件的点云数据。

式中，k为对应点的数目，p_i为

向量，q_i为

向量，R为旋转变换矩阵，t为平移向量，p_i ^*为向量p_i经R和t旋转平移变换后的向量。

(4)生成采样点集P和对应点集Q

以第i个装配组件的某配合面点云A_i’为例进行说明。首先采用主元素分析法获取A_i’的两个主方向n₁和n₂，继而获得向量n₃＝n₁×n₂作为平面α的法向量，

为空间任意点。遍历点云得到坐标点最大和最小值，分别为x_min、y_min、z_min、x_max、y_max、z_max，确定点云数据最小包围盒的四个角点坐标分别为c₁(x_min，y_min，z_min)、c₂(x_min，y_max，z_min)、c₃(x_max，y_min，z_min)和c₄(x_max，y_max，z_min)。将四个角点沿n₃方向投影到平面α得到对应的投影点为c₁’，c₂’，c₃’和c₄’。依次连接各点形成矩形封闭区域，根据采样点密度参数将矩形区域离散成小矩形网格；根据角点的投影点坐标可计算每个网格节点s_i的坐标,以每个节点s_i为主轴线上一点，以r为半径，n₃为主轴线方向确定一无限长圆柱面Ф_i；采用最小二乘法将Ф_i中包含的A_i’的数据点拟合成曲面γ_i，计算直线L(s_i，n₃)与γ_i的交点t_i，继而得到采样点集合P＝{t_i|i＝1，2，…}。同理，通过计算Ф_i与A_i’的配合面点云数据A_j’可以得到P的对应点集Q。通过计算采样点与对应点之间的欧式距离可得贴合间隙尺寸。

(5)创建贴合间隙三维形貌几何模型

利用步骤(4)获得的采样点集P和对应点集Q可创建由三角面片表示的贴合间隙三维形貌几何模型。

本发明的有益效果：

(1)目前飞机结构在装配过程中对于贴合间隙的测量均采用手工测量的方式进行，常用的测量工具有塞尺和电容式测量仪等，存在着效率低、精度差等不足，特别是对于内部封闭区域的贴合间隙及封闭式间隙存在着手工不可测量的实际问题。本发明作为航空构件贴合间隙数字化测量的一种，能够有效解决贴合间隙测量不可达的实际问题，且对于测量效率和精度均有提升效果。

(2)与手工测量相比，本发明的应用可去除航空构件预装配和拆卸环节，节约时间成本和人力成本，并提高生产效率。

(3)利用本发明获得贴合间隙三维形貌几何模型后可利用数控机床及快速成型技术(3D打印技术)实现固体垫片的快速成型，解决了填隙垫片加工困难、效率低的问题，同时也能有效提升航空构件装配质量。

附图说明

图1是航空构件贴合间隙三维形貌评估流程图。

图2是装配组件点云数据示意图，(a)是装配组件1，(b)是装配组件2。

图3是装配组件位姿调整示意图。

图4是虚拟装配示意图。

图5是采样点与对应点示意图。

图6是贴合间隙三维形貌几何模型，

具体实施方式

以下结合技术方式和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法的流程如图1所示，方法的具体步骤如下：

第一步：获取装配组件点云数据

选取的扫描设备是EinScan Pro 2X手持式三维扫描仪。本次实施过程是通过手持式扫描仪对装配组件进行扫描测量快速获取包含装配组件配合面的xyz坐标数据文件，即点云数据，结果如图2所示。

第二步：装配组件位姿调整

装配组件点云数据坐标变换的基本原理是依据公式(1)进行坐标变换，使其调整到准装配状态，在变换过程中根据需要采用(2)、(3)或(4)计算旋转偏移矩阵，实现装配组件位置的调整，结果如图3所示。

第三步：虚拟装配

虚拟装配操作程序的基本原理是利用公式(5)实现装配组件配合面点云数据重合度最大，即装配组件配合面点云数据坐标点重合数量最大，结果如图4所示。

第四步：参考平面α的确定

参考平面的确定过程如下：首先采用主元素分析法对虚拟装配后的点云数据进行分析，获取两个主方向n₁和n₂，继而确定法向量n₃＝n₁×n₂作为参考平面的法向量；之后，选取远离装配组件点云数据的空间任意一点p₀作为参考平面上一点，如果由p₀与n₃确定的平面α与装配组件点云数据不相交，则α为参考平面；否则，调整p₀坐标直至满足上述条件。

第五步：采样点与对应点计算

首先遍历装配组件点云数据所有数据点并建立点云的最大包围盒；将包围盒的角点投影到参考平面α并依据投影点的坐标值确定最小包围矩形的四个角点；根据采样点密度参数将最小包围矩形划分成小矩形网格；对于每一个网格节点s_i，以s_i为中心，r为半径，n₃为主轴线方向确定一无限长圆柱面Ф_i，如果Ф_i与装配组件的点云数据相交，则需要保证Ф_i至少包含3个以上该装配组件的数据点，否则增加r直至满足条件；采用最小二乘法将Ф_i中包含的一个装配组件的数据点拟合成曲面，计算直线(s_i，n₃)与该拟合曲面的交点，此交点即为采样点或对应点，结果如图5所示。

第六步：贴合间隙三维形貌网格模型生成

利用第五步得到的采用点和对应点可生成贴合间隙三维形貌网格模型，结果如图6所示，该模型可直接用于3D打印以生成填隙垫片。

Claims (1)

1.一种基于点云数据的航空构件贴合间隙三维形貌评估方法，其特征在于，首先采用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描，获取装配组件的点云数据；其次，在三维坐标系统中，完成装配组件点云坐标的三维坐标变换，使其达到准装配状态；然后采用改进的迭代最近点法，实现装配组件虚拟装配；最后在确定参考平面后，生成采样点和对应点，并依此构建贴合间隙三维形貌几何模型实现航空构件贴合间隙三维形貌的准确评估；具体步骤如下：

(1)获取装配组件点云数据

对装配组件进行扫描测量并快速获取包含装配组件配合面的xyz坐标数据文件，即装配组件的点云数据；

(2)装配组件位姿调整

将装配组件调整到准装配状态，过程为：首先确定一个固定的装配组件，此后调整与该装配组件有配合关系的装配组件至准装配状态，调整过程就是使装配组件点云数据绕X、Y或Z坐标轴旋转或平移，变换公式为：

A_i ^*＝A_i·M (1)

式中A_i ^*表示A_i经坐标变换后得到的点云数据，M表示坐标变换矩阵，是一个4×4阶方阵；

当装配组件需要绕X轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀,y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_x如下所示：

当装配组件需要绕Y轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀,y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_y如下所示：

当装配组件需要绕Z轴旋转θ角度并沿X、Y、Z三坐标轴发生平移量分别为x₀,y₀和z₀平移变换时，坐标变换矩阵M_z如下所示：

(3)装配组件点云数据虚拟装配

采用一种改进的迭代最近点算法实现装配组件点云数据的虚拟装配，具体为：对于源点云数据中的每一个数据点，在目标点云数据中寻找欧式距离最近点作为对应点，然后根据公式(5)求解出旋转和平移变换参数R和t，变换过程中需要确保一个组件的点云数据不会跨越另一个组件的点云数据；

式中，k为对应点的数目，p_i为

向量,q_i为

向量，R为旋转变换矩阵，t为平移向量，p_i ^*为向量p_i经R和t旋转平移变换后的向量；

(4)生成采样点和对应点

第i个装配组件的某配合面点云A_i’：首先采用主元素分析法获取A_i’的两个主方向n₁和n₂，继而获得向量n₃＝n₁×n₂作为平面α的法向量，α：(p-p₀)·n₃＝0,

p为空间任意点；遍历点云得到坐标点最大值和最小值，分别为x_min、y_min、z_min、x_max、y_max、z_max，确定点云数据最小包围盒的四个角点坐标分别为c₁(x_min,y_min,z_min)、c₂(x_min,y_max,z_min)、c₃(x_max,y_min,z_min)和c₄(x_max,y_max,z_min)；将四个角点沿n₃方向投影到平面α得到对应的投影点为c₁’,c₂’,c₃’和c₄’；依次连接各点形成矩形封闭区域，根据采样点密度参数将矩形区域离散成小矩形网格；根据角点的投影点坐标计算每个网格节点s_i的坐标，以每个节点s_i为主轴线上一点，以r为半径，n₃为主轴线方向确定一无限长圆柱面Ф_i；采用最小二乘法将Ф_i中包含的A_i’的数据点拟合成曲面γ_i，计算直线L(s_i，n₃)与γ_i的交点t_i，继而得到采样点集合P＝{t_i|i＝1，2，…}；同理，通过计算Ф_i与A_i’的配合面点云数据A_j’得到P的对应点集Q；通过计算采样点与对应点之间的欧式距离得贴合间隙尺寸；

(5)创建贴合间隙三维形貌几何模型

利用步骤(4)获得的采样点集P和对应点集Q创建由三角面片表示的贴合间隙三维形貌几何模型。

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