CN111806720A - 一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，首先利用高精度三维激光扫描仪扫描翼身连接处及其附近蒙皮的三维外形点云数据；再根据翼身连接处的整流蒙皮安装台阶的方向信息，在任一处构造台阶的法线和切线，利用该处台阶的切线在该处台阶的底部构造一条NURBS曲线，利用该处台阶的法线构造高度线，在该处台阶的顶部利用翼身连接处附近蒙皮的点云的流型信息构造一条NURBS曲线；接着利用每个截面形状中底部端点拟合NURBS曲线，作为截面的扫掠线；最后利用多截面扫掠方法获得整流蒙皮的外形模型。该种整流蒙皮构造方法通过对三维激光扫描仪采集飞机翼身对接部分周围三维点云数据作逆向重建构造出能与其装配的最优整流蒙皮三维数字模型。

Description

一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法

技术领域

本发明是涉及三维模型重建技术领域，具体的说是一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法。

背景技术

随着我国航空事业的发展，对新型号飞机的精度要求越来越高。飞机零件多而繁复，其中整流蒙皮的形状影响着飞机的气动外形，是飞机制造过程中关键的零件之一，因此提高整流蒙皮的装配精度十分有意义。在飞机装配的过程中，整流蒙皮的预装配是非常重要的一环，在传统工艺中，飞机整流蒙皮的修配就是在这一步骤中完成的，通过执行预装配，将现有蒙皮零件与装配位置作比较，我们可以得到实际整流蒙皮的修配量。但这种方法需要对现有的蒙皮零件再加工，甚至现有的零件无法加工，可能一次修配不准确，需要多次修配，大大影响了制造速度。因此，我们就需要一种新方法，通过实际装配位置直接得到理想的整流蒙皮模型，缩短工序流程，提高整体效率。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，该种方法利用三维激光扫描仪采集飞机翼身对接部分周围三维点云数据，通过这部分点云数据作逆向重建，构造出能与其装配的最优整流蒙皮三维数字模型，为蒙皮零件修配与制作提供了参考数据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：整流蒙皮的模型构造方法包括以下步骤：

步骤1，利用高精度三维激光扫描仪扫描翼身连接处及其附近蒙皮的三维外形点云数据；

步骤2，构造整流蒙皮截面，根据翼身连接处的整流蒙皮安装台阶的方向信息，在所需处构造台阶的法线和切线，利用该处台阶的切线在该处台阶的底部构造一条NURBS曲线，利用该处台阶的法线构造高度线，在该处台阶的顶部利用翼身连接处附近蒙皮的点云的流型信息构造一条NURBS曲线；

步骤3，利用每个截面形状中底部端点拟合NURBS曲线，作为截面的扫掠线；

步骤4，利用多截面扫掠方法获得整流蒙皮的外形模型。

所述的步骤1中翼身连接处及其附近蒙皮为整流蒙皮固定安装的台阶结构以及所示台阶结构外侧边缘结构。

所述的步骤2中，构造整流蒙皮截面的具体步骤如下：

步骤2.1，确定要获取截面的位置，对每个位置进行截面平面获取；

步骤2.2，确定截面平面，对台阶侧壁与底部的点云进行曲面拟合，在曲面的交线上任取一点为A点；取上述交线在A点的切向量为方向线；拟合台阶底部的平面，取此平面中与方向线垂直的向量为切线；将方向线与切线构造出一个平面，取过A点与平面垂直的向量为法线；通过法线与切线构造的平面共同确定截面平面；

步骤2.3，对截面周围的台阶侧壁与截面平面进行平面拟合，提取此平面与截面平面的交线，即为截面形状的高度线，对对称的另一边台阶作相同操作，得到同一截面平面两侧的两组高度线；

步骤2.4，对截面周围的台阶底部表面进行平面拟合，得到底部平面与侧壁平面的交线，令底部平面与侧壁平面的交线与截面平面的交点为底部NURBS曲线的一个端点；提取截面平面与底部平面的交线，令截面平面与底部平面的交线为底部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对另一边的台阶作相同操作，通过底部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出底部NURBS曲线；

步骤2.5，对截面周围的台阶顶部表面进行平面拟合，得到顶部平面与台阶侧壁的交线，令顶部平面与台阶侧壁的交线与截面平面的交点为顶部NURBS曲线的一个端点，提取截面平面与顶部平面的交线，令截面平面与顶部平面的交线为顶部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对另一边的台阶作相同操作，通过顶部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出顶部的NURBS曲线；

步骤2.6，将每个截面平面上的两条高度线、顶部NURBS曲线和底部NURBS曲线相连接，构成一处闭合的截面模型。

所述的步骤2.1中，对于连续变化的整流蒙皮，在形状变化大的区域密集选取截面位置，形状变化小的区域稀疏选择截面位置；对于不规则变化的整流蒙皮，在形状突变处选取截面位置。

所述的步骤2.4和步骤2.5中，NURBS曲线的数学定义如下：

P(K)为曲线上的位置向量，N_i,m(K)为m次样条基函数；

其中，基函数的数学定义为：

式中，Pi为控制点，Ri为权因子，K为节点矢量。

所述的步骤3中，截面的扫掠线拟合步骤如下：

步骤3.1，在全部确定的截面平面上，提取底部同一位置的端点；

步骤3.2，通过对全部同一位置的端点进行拟合，得到一条经过全部端点的NURBS曲线，使得扫掠得到的蒙皮数字模型与翼身对接部分具有连续性，实际蒙皮安装后飞机外形连续。

该种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法的有益效果是：通过三维激光扫描仪采集飞机翼身对接部分周围三维点云数据，利用待建模蒙皮周围的点云数据逆向重建，构造出能与其装配的最优整流蒙皮三维数字模型。进一步的，每个截面平面内通过点云模型拟合的点与向量进行多组NURBS曲线的建立，能够精准的确定每个截面平面的边缘；通过在形状变化大的区域密集选取截面平面，在形状变化小的区域稀疏选择截面平面，一方面通过多组截面平面的选取保证了后续多截面扫掠建模的数据基础，另一方面也保证了蒙皮建模的连续性和精准度。

附图说明

图1为本发明一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法的工作流程示意图。

图2为本发明一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法中翼身连接处及其附近蒙皮的点云模型。

图3为本发明一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法中对截面形状拟合的示意图。

图4为本发明一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法中多截面扫掠示意图。

图5为本发明一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法中蒙皮扫掠结果示意图。

具体实施方式

现在结合附图1至3对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：整流蒙皮的模型构造方法包括以下步骤：

步骤1，利用高精度三维激光扫描仪扫描翼身连接处及其附近蒙皮的三维外形点云数据；得到点云位置和法矢，翼身连接处及其附近蒙皮的示意图如图2所示，所述的翼身连接处及其附近蒙皮为整流蒙皮固定安装的台阶结构以及所示台阶结构外侧边缘结构。

步骤2，构造整流蒙皮截面，根据翼身连接处的整流蒙皮安装台阶的方向信息，在所需处构造台阶的法线和切线，利用该处台阶的切线在该处台阶的底部构造一条NURBS曲线，利用该处台阶的法线构造高度线，在该处台阶的顶部利用翼身连接处附近蒙皮的点云的流型信息构造一条NURBS曲线；

步骤2.1，确定要获取截面的位置，对每个位置进行截面平面获取；

步骤2.2，确定截面平面，对台阶侧壁与底部的点云进行曲面拟合，在曲面的交线上任取一点为A点；取上述交线在A点的切向量为方向线；拟合台阶底部的平面，取此平面中与方向线垂直的向量为切线；将方向线与切线构造出一个平面，取过A点与平面垂直的向量为法线；通过法线与切线构造的平面共同确定截面平面；如图2所示，向量1为高度线的方向，向量2为方向线，向量3为法线；

步骤2.3，对截面周围的台阶侧壁与截面平面进行平面拟合，提取此平面与截面平面的交线，即为截面形状的高度线，对对称的另一边台阶作相同操作，得到同一截面平面两侧的两组高度线；

步骤2.4，对截面周围的台阶底部表面进行平面拟合，得到底部平面与侧壁平面的交线，令底部平面与侧壁平面的交线与截面平面的交点为底部NURBS曲线的一个端点；提取截面平面与底部平面的交线，令截面平面与底部平面的交线为底部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对另一边的台阶作相同操作，通过底部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出底部NURBS曲线；

步骤2.5，对截面周围的台阶顶部表面进行平面拟合，得到顶部平面与台阶侧壁的交线，令顶部平面与台阶侧壁的交线与截面平面的交点为顶部NURBS曲线的一个端点，提取截面平面与顶部平面的交线，令截面平面与顶部平面的交线为顶部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对另一边的台阶作相同操作，通过顶部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出顶部的NURBS曲线；

步骤2.6，如图3所示，将每个截面平面上的两条高度线、顶部NURBS曲线和底部NURBS曲线相连接，构成一处闭合的截面模型，图3中为整流蒙皮固定安装的台阶结构。

步骤3，利用每个截面形状中底部端点拟合NURBS曲线，作为截面的扫掠线；

步骤3.1，在全部确定的截面平面上，提取底部同一位置的端点；

步骤3.2，通过对全部同一位置的端点进行拟合，得到一条经过全部端点的NURBS曲线，使得扫掠得到的蒙皮数字模型与翼身对接部分具有连续性，实际蒙皮安装后飞机外形连续。

步骤4，对所有生成的截面形状进行多截面扫掠，利用多截面扫掠方法获得如图5所示的整流蒙皮的外形模型。

进一步的，步骤2中每个截面平面内通过点云模型拟合的点与向量进行多组NURBS曲线的建立，能够精准的确定每个截面平面的边缘

进一步的，步骤2.1中，对于连续变化的整流蒙皮，如图4所示，在形状变化大的区域密集选取截面位置，形状变化小的区域稀疏选择截面位置；对于不规则变化的整流蒙皮，在形状突变处选取截面位置。能够根据整流蒙皮安装位置的形状，进行适应性的调整。

进一步的，步骤2.4和步骤2.5中，NURBS曲线的数学定义如下：

P(K)为曲线上的位置向量，N_i,m(K)为m次样条基函数；

其中，基函数的数学定义为：

式中，Pi为控制点，Ri为权因子，K为节点矢量。

该种整流蒙皮的构造方法利用安装位置的三维点云数据来反向构造出整流蒙皮的近似截面，再由这些截面进行多截面扫掠，从而得到有利于装配的蒙皮数字模型，省去了传统工艺中预装配、对蒙皮进行多次修配的步骤，提高了翼身对接整流蒙皮的安装效率，实现了基于实测数据高效的蒙皮安装方法。NURBS曲线具有连续性，并且受控制顶点所约束，因此能很好地贴合翼身对接处的形状，并且由此根据翼身对接外形拟合得到的整流蒙皮与周围蒙皮还符合一定的连续性要求，保证了飞机的气动外形性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：整流蒙皮的模型构造方法包括以下步骤：

步骤1，利用高精度三维激光扫描仪扫描翼身连接处及其附近蒙皮的三维外形点云数据；

步骤2，构造整流蒙皮截面，根据翼身连接处的整流蒙皮安装台阶的方向信息，在所需处构造台阶的法线和切线，利用该处台阶的切线在该处台阶的底部构造一条NURBS曲线，利用该处台阶的法线构造高度线，在该处台阶的顶部利用翼身连接处附近蒙皮的点云的流型信息构造一条NURBS曲线；

步骤3，利用每个截面形状中底部端点拟合NURBS曲线，作为截面的扫掠线；

步骤4，利用多截面扫掠方法获得整流蒙皮的外形模型。

2.如权利要求1所述的一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：所述的步骤1中翼身连接处及其附近蒙皮为整流蒙皮固定安装的台阶结构以及所示台阶结构外侧边缘结构。

3.如权利要求2所述的一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：所述的步骤2中，构造整流蒙皮截面的具体步骤如下：

步骤2.1，确定要获取截面的位置，对每个位置进行截面平面获取；

步骤2.2，确定截面平面，对台阶侧壁与底部的点云进行曲面拟合，在曲面的交线上任取一点为A点；取上述交线在A点的切向量为方向线；拟合台阶底部的平面，取此平面中与方向线垂直的向量为切线；将方向线与切线构造出一个平面，取过A点与平面垂直的向量为法线；通过法线与切线构造的平面共同确定截面平面；

步骤2.3，对截面周围的台阶侧壁与截面平面进行平面拟合，提取此平面与截面平面的交线，即为截面形状的高度线，对对称的另一侧台阶作相同操作，得到同一截面平面两侧的两组高度线；

步骤2.4，对截面周围的台阶底部表面进行平面拟合，得到底部平面与侧壁平面的交线，令底部平面与侧壁平面的交线与截面平面的交点为底部NURBS曲线的一个端点；提取截面平面与底部平面的交线，令截面平面与底部平面的交线为底部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对对称的另一侧的台阶作相同操作，通过底部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出底部NURBS曲线；

步骤2.5，对截面周围的台阶顶部表面进行平面拟合，得到顶部平面与台阶侧壁的交线，令顶部平面与台阶侧壁的交线与截面平面的交点为顶部NURBS曲线的一个端点，提取截面平面与顶部平面的交线，令截面平面与顶部平面的交线为顶部NURBS曲线一个端点的一个方向向量，对对称的另一侧的台阶作相同操作，通过顶部NURBS曲线两个端点和对应的两组方向向量即可构造出顶部的NURBS曲线；

步骤2.6，将每个截面平面上的两条高度线、顶部NURBS曲线和底部NURBS曲线相连接，构成一处闭合的截面模型。

4.如权利要求3所述的一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：所述的步骤2.1中，对于连续变化的整流蒙皮，在形状变化大的区域密集选取截面位置，形状变化小的区域稀疏选择截面位置；对于不规则变化的整流蒙皮，在形状突变处选取截面位置。

5.如权利要求3所述的一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：所述的步骤2.4和步骤2.5中，NURBS曲线的数学定义如下：

P(K)为曲线上的位置向量，N_i,m(K)为m次样条基函数；

其中，基函数的数学定义为：

式中，Pi为控制点，Ri为权因子，K为节点矢量。

6.如权利要求2所述的一种基于翼身对接实测数据的整流蒙皮构造方法，其特征在于：所述的步骤3中，截面的扫掠线拟合步骤如下：

步骤3.1，在全部确定的截面平面上，提取底部同一位置的端点；

步骤3.2，通过对全部同一位置的端点进行拟合，得到一条经过全部端点的NURBS曲线，使得扫掠得到的蒙皮数字模型与翼身对接部分具有连续性，实际蒙皮安装后飞机外形连续。

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