CN111964612B - 基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其包括采用法矢测量系统获取图像、高亮光斑中心点提取、倾角误差补偿以及校准法矢垂直度等步骤。本发明提供的基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法为非接触式测量，在充分考虑到大曲率条件下曲率对法矢测量的影响，采用高光反射原理，实现了基于高反光成像原理的大曲率蒙皮钻孔法矢对准。

Description

基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法。

背景技术

蒙皮钻铆制孔的法向垂直度是飞机制造中影响加工质量和飞行安全的关键因素。如果铆接孔的法向精度超出范围，将会导致铆钉不能垂直打入蒙皮，影响孔加工的直径和位置，造成铆接过程中连接部位结构的不稳定性，极大地影响铆接可靠性。根据波音、空客等公司针对孔的垂直度对结构件连接强度影响的研究实验可知：当铆钉或螺栓等紧固件沿外载荷作用方向倾斜约2°时，连接件疲劳强度和使用寿命下降约47％；当倾斜约为5°时，连接件疲劳强度和使用寿命下降约95％。因此，如何获得加工孔位点的法矢方向，成为了国内外航空制造业发展的技术重点。

目前常用法矢检测方法分为2类，包括接触式测量方法和非接触式测量方法：

接触式测量方法

接触式测量主要由多个接触式位移传感器进行测量。该方法是基于利用在较小区域内任意不共线三点可构造等效平面的方式近似模拟待测量曲面零件表面的三点构造等效平面法，通过在加工主轴周围均匀布置多个位移传感器根据位移传感器测量值的不同，可以计算出刀具与蒙皮表面的法向误差，即蒙皮实际法向与理论法向的偏差。该方法对于小曲率零件具有较高的测量精度；且对待测量零件的粗糙度、表面反射特性没有特殊要求。但由于是接触式检测方法，与蒙皮接触的位移传感器的测头容易产生磨损和疲劳破坏，致使测头使用一定时期后需要更换，同时这种检测方式还存在操作繁琐，测量速度慢，效率无法保障，且无法用于测量软质或易划伤的材质的零件等方面的不足。

非接触式测量方法

非接触式测量主要包括三点构造等效平面法，矢量内积法和曲面拟合法等方法求取法矢方向。其中，三点构造等效平面法除采用上述的接触式传感器外，现在最常见于非接触测量方式中，多为采用激光位移传感器或电涡流传感器测量表面法矢；该方法的局限性在于由于采用微小三角平面近似模拟变形曲面，增大了垂直定位误差，会对测量精度会产生一定影响，当待测曲面的曲率较大时，测量精度难以保证。矢量内积法也称叉积法，通过计算曲面一点附近两向量的向量积来求与两个向量同时垂直的向量即该处法向量。曲面拟合法即通过对采集到的点集进行曲面拟合重构，获得一个与待测曲面近似的曲面片，根据拟合的曲面片求出过待测点的法向矢量。曲面拟合法常采用三坐标测量仪等数据采集设备采集大量的曲面数据点，利用采集到的点集进行曲面拟合重构，得到该点的法向矢量。

上述方法中三点构造等效平面法；矢量内积法较为简单，可靠性较高，然而其精度难以保证，曲面拟合法虽然精度高，但该方法计算复杂，工作量较大，且只能检测到某一静态下的曲面点法向矢量，影响了加工精度和加工效率，无法满足某些在曲面加工过程中的对曲面点法向矢量实时检测的需要。由于测量方法存在以上局限性，导致大曲率曲面法矢测量精度差，效率难以保证，因此寻找一种新型针对大曲率蒙皮法矢检测方法对于改善大曲率蒙皮法矢检测问题，提高蒙皮铆接精度和效率具有重要意义。

发明内容

本发明主要解决飞机大曲率蒙皮钻铆制孔时存在的法矢对准难度大、精度低的问题，提供一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法。本发明的目的在于提供一种新型曲面制孔时法矢方向快速精确对准方法，其能实时快速完成大曲率曲面待加工孔位法矢方向与加工轴线快速对准的姿态调整。具体是指利用光照射到任意表面都遵循“光线垂直物体表面入射时，入射光线、反射光线和法线三线合一”这一规律。建立光源投射方向与相机拍摄方向重合的同轴视觉单元，基于光源入射时高亮光斑中心点可表征法矢方向这一特性构建高亮光斑投射模型，将构造的特征光斑投射到大曲率蒙皮表面。通过提取高亮光斑中心点和待加工点坐标解算法矢偏移误差，确定法矢调整参数进行位姿修正，直到高亮光斑中心点与待加工点重合即完成法矢快速准确对准。本方法将法矢调整过程中曲面法矢测量难题简化为图像中高光中心点与加工目标点的对准问题，解决了传统法矢对准过程中法矢测量精度低、速度慢、可靠性差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其包括以下步骤：

步骤1、采用法矢测量系统获取图像

法矢测量系统包括光源投射模块、图像采集模块、数据处理模块和加工模块；首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑，图像采集模块采集带有高亮光斑的蒙皮图像，然后将带有高亮光斑的蒙皮图像送至数据处理模块进行数据处理。

步骤2、高亮光斑中心点提取

2.1、在法矢测量系统中的数据处理模块中，将步骤1)中获取的带有高亮光斑的蒙皮图像进行滤波降噪，将经滤波降噪的蒙皮图像转化为灰度图像；

2.2、通过灰度重心法，求得步骤2.1)中获得的灰度图像的高亮光斑初始中心点O′，以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量值，即各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值，

其中，此时偏移量b为各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值；高亮光斑初始中心点坐标为O′(X′₀,Y′₀)；九宫格各格中心点坐标为p(X_i,Y_i)，1≤i≤8；

由相机CCD成像特性可知，步骤2.1)中的灰度图像中各点处灰度值与该点处光强存在如下线性关系：

G＝a×I_P+G_b (16)

其中G为图像上任意一点p的灰度值；a为响应率(V/lx·s)；I_P是曲面上任意一点p反射到视点的光强，G_b为是暗电流引起的图像灰度；在公式16中a×I_P远远大于G_b，由暗电流引起的灰度带来的影响可忽略不计，因此公式16可简化成：

G＝aI_P (17)

根据图像灰度值与光强关联关系建立高亮光斑初始中心点与其余各九宫格中心点相对应比例关系：

其中，G_O′为高亮光斑初始中心点灰度值，G_i为其余各九宫格中心点灰度值1≤i≤8，I_O′为高亮光斑初始中心点光强值，I_i为其余各九宫格中心点光强，1≤i≤8。由此得到8组高亮光斑初始中心点与其余各点的灰度值与光强比例对应关系。

2.3、将步骤2.2)中获得的公式19带入如下公式13中，获得公式20；

其中，基于如下式13所示的光照模型，当偏移量b值为零时，I_P值达到最大，此点即为高亮光斑中心点：

其中，I_P是曲面上任意一点p反射到视点的光强；K_a是环境光反射系数(0≤K_a≤1)；i_a是环境光光强；K_d是漫反射系数；R为曲率半径；此时b为各点与高亮光斑中心点偏移量b_i；i_d是慢反射光强；K_s是镜面反射系数；n为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关)；i_s是镜面反射光强；

2.4、以步骤2.2)中获得的九宫格每个格中心点坐标值以及通过图像上各点灰度值与光强关联关系得到各点光强值，带入上述8组比例对应关系，即公式18中，求解公式20中各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标X₀,Y₀初值，即X_0′,Y_0′。

2.5、为求取各参数最优值及高亮光斑中心点精确坐标，结合公式15进行多目标优化采用拟合优度作为目标函数：

其中，R²为拟合优度的可决系数衡量方程整体拟合度评价标准，R²最大值为1。R²的值越接近1，说明方程拟合程度越好；反之，R²的值越小。

优化变量为步骤2.4)中获得的各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标(X₀,Y₀)的初值。基于得到的约束条件及各参数初值采用(Levenberg-Marquardt)非线性最优化方法进行寻优。此时应存在一组最优结构参数，使拟合优度可决系数R²不小于0.95。

从而优化得到最优各待定参量及高亮光斑中心点O的精确坐标，并以此作为高亮中心点提取结果，对高亮光斑中心点坐标进行提取，获得高亮光斑中心点，其坐标为O(X₀,Y₀)。

步骤3、倾角误差补偿

偏移角求解方法如公式22所示：

其中，θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角，即法矢方向偏移角度量；R为曲率半径；b_o为高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量。

由步骤2)中获得的高亮光斑中心点坐标O(X₀，Y₀)及通过步骤2.1)处理后的蒙皮图像将已知待加工点坐标K(X,Y)带入公式19中，确定各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值，结合公式22求出法矢方向偏移角度量θ。

将法矢方向偏移角度量θ传递给加工模块，根据获得的法矢方向偏移角度量θ及O点至K点的偏移方向，由加工模块进行待加工孔位K点法矢方向调整。

步骤4、校准法矢垂直度

实时在线测量在步骤3)中完成的法矢偏移角调整后，再次测量对准后的法矢方向偏移角度量θ，若法矢方向偏移角度量θ的误差仍大于0.5°度，不满足测量要求重复上述步骤2)和步骤3)，若法矢方向偏移角度量θ小于0.5度达到测量要求则进行钻铆加工。

本发明测量方法为非接触式测量，在充分考虑到大曲率条件下曲率对法矢测量的影响，采用高光反射原理，实现了基于高反光成像原理的大曲率蒙皮钻孔法矢对准。该方法装置组件较少，结构紧凑，可实时快速进行法矢调整，调整结果精度高，操作简单、可靠较高。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于高光反射原理的法矢对准系统。其中：A为高亮光斑，B为蒙皮，1-1为单目相机器，1-2定焦镜头，1-3为轴向光源，1-4为数据处理中心，1-5为工作站显示器。

图2为本发明所涉及的phong光照模型中的各方向向量。其中，N是物体表面一点的单位法向量；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；R_m为镜面反射方向；V是反射点指向观察者向量即视线方向；θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角即法矢方向偏移角度量；α为视线方向V与镜面反射方向R_m的夹角。

图3是本发明所涉及的测量装置反射定律示意图。其中：N是物体表面一点的单位法向量；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；R_m为镜面反射方向；V是反射点指向观察者向量即视线方向；θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角即法矢方向偏移角度量；α为视线方向V与镜面反射方向R_m的夹角。

图4是本发明所涉及的基于高光反射测量方法的曲率半径与偏移量和法矢偏移角关联关系示意图。其中：N是物体表面一点的单位法向量；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；O为高亮光斑中心点；K为待加工孔位点；R_o是高亮光斑中心点O的曲率半径；θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角即法矢方向偏移角度量；b为高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量；D为O点曲率圆心；H点为偏移量b与DK连线的垂足。

图5是本发明所涉及的法矢偏移量示意图，其中：A为高亮光斑；B为蒙皮；O为高亮光斑中心点；K为待加工孔位点；N_K是物体表面K点的单位法向量；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；b为高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量，θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角即法矢方向偏移角度量。

图6是本发明所涉及的光斑提取九宫格建立示意图，其中：A为高亮光斑；B为蒙皮；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；O′点为灰度重心法求得高亮光斑初始中心点，1-8点为以O′点为中心建立九宫格内每个格中心点。

图7为本发明实施例中提供的法矢测量装置的结构示意图。

图中：7-1轴向光源；7-2U型板；7-3定焦镜头；7-4相机；7-5辅助导轨；7-6横向驱动装置；7-7底架；7-8制孔装置；7-9滑台；7-10长方体机架；7-11纵向驱动装置。

图8是本发明所涉及的基于高反光原理法矢对准方法具体操作流程图，其中：θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角，即法矢方向偏移角度量。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

本实施例中，基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法是一种采用强反光成像模型的大曲率蒙皮表面法矢量调节新方法，其利用当光垂直物体表面入射时，入射光线、反射光线和法线三线合一的定律，基于亮度均匀平行光投射至曲面时只有垂直于入射光的表面点为全反射，此点与相机光心连线即为该点的法矢方向这一特性用于加工孔位法矢调整参数测量。

首先，结合待测量蒙皮表面几何形状及表面反射特性投射具有圆形、方形、三角形等形状亮度一致，强度均匀的特征光斑于蒙皮表面构造垂直入射测量系统；其次，分析投射到蒙皮表面的光斑随曲率变化产生的反射光区域内光强分布特性，构建反射区面积与光斑变形量等参数之间的关联关系，以phong光照模型为基础，结合蒙皮曲率变化这一特性，引入曲率影响系数，建立可准确表征不同曲率下的蒙皮表面光照模型，实现大曲率下蒙皮表面成像特性的准确模型；再次，基于大曲率表面反射模型建立光斑中心提取方法获得高精度光斑中心点坐标，并结合提取加工孔位点处坐标，实时测量反射光斑中心点与孔位点坐标偏差，结合求得的测量系统与工件之间的空间位置参数，以及提取得到的高精度光斑中心点坐标与孔位点坐标，进而准确求解法矢偏移量修正参数，进行法向位姿的精确调整。最后，实时检测调整后光斑中心点坐标与孔位点坐标偏差，从而修正位子调整参数，当光斑中心与孔位点重合或达到最小误差要求时，即完成蒙皮制孔点法矢方向精确调整。该方法无需大量计算，方法简单方便

构建光照模型

基于当光垂直曲面一点入射时，此点入射光线、反射光线和法线三线合一的规律，为了分析高光区光照分布特性引入光照模型，选取phong光照模型为基础，phong光照模型由漫反射分量、镜面反射分量和环境光分量三部分组成，其强度计算如下，并参见图2：

其中，I_P是曲面上任意一点p反射到视点的光强；I_a是环境光反射强度；I_d是光源漫反射强度；I_s是光源镜面反射强度；K_a是环境光反射系数(0≤K_a≤1)；i_a是环境光光强；m是光源数量；K_d是漫反射系数(0≤K_d≤1)；N是物体表面一点单位法向量；L是物体表面一点指向点光源的单位向量即光源入射方向；i_d是慢反射光强；K_s是镜面反射系数；R_m镜面反射方向R_m＝2(L·N)N-L；V是反射点指向观察者向量即视线方向；n为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关)；i_s是镜面反射光强。

高反光成像原理的钻孔法矢对准方法采用单一点光源照射，参见图3，相机位于光源上方且与光源同轴放置，因此光源数量m＝1；视线方向V即为物体表面光源入射方向L；则上式可表达为：

I_p＝K_ai_a+K_d(L×N)i_d+K_s(R_m×L)ⁿi_s (2)

由于本发明的基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法主要针对大曲率曲面进行法矢检测，而曲率的变化对光源反射特性影响较大，致使phong光照模型无法准确表征复杂曲面表面光强反射特性，且在镜面反射的计算在人射角很大时会产生失真，故在phong光照模型基础上综合分析了不同曲率条件下高亮光强分布特性与曲率关联关系，虑及表面大曲率条件下对光照模型的影响，为符合大曲率曲面反射原理和高亮光斑变化形式，进而完成光照模型对复杂曲面光学表征，对已有光照模型进行改进，改进后的模型如下，并参见图4：

I_p＝I_a+I_d+I_s (3)

＝K_ai_a+K_dcosθi_d+K_s(cosα)ⁿi_s

其中，θ是法矢向量N与光源向量L的夹角，即法矢方向偏移角度量；α为视线方向V与反射方向R的夹角。根据光的反射定律，反射光和入射光对称地分布于表面法向的两侧故反射点指向观察者向量即视线方向V与镜面反射方向R的m夹角α＝2θ其介于0°到90°之间，当α＝90°即2θ＝90时，镜面反射光将会垂直于光源，光强I_p达到最小值故α<90°θ<45°即偏移量b应小于曲率半径R；当α＝0即时镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑称为高光现象。

对应环境光反射强度(环境光光强I_a)：

I_a＝K_ai_a (4)

环境光是指在法矢对准过程中场景内其他光源间接对曲面的影响，是曲面和环境之间多次反射最终达到平衡时的一种光，其光强分布均匀，在同一实验条件下为常量即环境光反射系数K_a与环境光光强i_a乘积。

对应光源漫反射强度I_d：

I_d＝K_d×cosθ×i_d (5)

光源漫反射是法矢对准设备光源投射至曲面由待加工曲面表面粗糙不平引起的在曲面空间分布均匀的光，其强度与表面的发射光亮度(漫反射系数K_a与漫反射强度i_d乘积)和光源入射角(入射光线和表面法向量夹角，即法矢方向偏移角度量θ)的余弦值成正比。其中漫反射系数K_d介于0到1之间，其值决定于表面材料及入射光波长，由曲面高光区上一点p的法向N与点p指向光源的向量L，两者夹角，即法矢方向偏移角度量θ介于0°到45°之间，其取值在同等偏移量b不同曲率半径R条件下不断变化。反射角θ的变化对光照模型影响较大，因此需引入曲率影响系数作为模型表征参量之一，进而表征大曲率蒙皮曲率变化条件下反射变化规律。

由Lambert余弦定律可知引入曲率半径后，cosθ与该点曲率半径为R和偏移量b关联关系可表示为：

光源漫反射强度也可表示为：

对应光源镜面反射强度I_s:

I_S＝K_Scosⁿ(α)i_S (8)

镜面是法矢对准设备光源投射至曲面产生的镜面反射强度，该反射强度采用余弦函数的幂次来模拟一般光滑表面的镜面反射光的空间分布。其中与物体有关的镜面反射系数K_S介于0到1之间且K_S+K_d＝1；视线方向V与镜面反射方向R_m的夹角α＝2θ其介于0°到90°之间，当α＝90°即2θ＝90时，镜面反射光将会垂直于光源，光强Ip达到最小值故α<90°θ<45°即偏移量b应小于曲率半径R；当α＝0即时镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑称为高光现象；镜面反射光的会聚指数n反映了物体表面的光泽程度(n≥1)，一般为1～2000，数目越大，物体表面越光滑。

将光源方向L和镜面反射方向R_m都格式化为单位向量则

R_m×L＝cosα＝cos2θ (9)

R_m＝2(L×N)N-L (10)

＝2Ncosθ-L

将曲率带入可得

则镜面反射强度也可表示为：

由上述公式最终得出引入曲率影响系数后改进模型也可由如下表示：

本发明构建的光照模型，在phong光照模型基础上，综合考虑不同曲率表面光强分布规律及光斑变化形式，引入曲率影响系数对phong光照模型进行改进。改进后的模型能够对不同曲率半径下光强变化规律进行较精准描述，对大曲率条件下的法矢检测有一定优势，以此为后期光斑中心提取奠定基础。

光斑中心点提取

基于大曲率表面反射模型建立基于改进光照模型的光斑中心提取方法。首先根据亮光斑中心点坐标值O(X₀,Y₀)和曲面任意一点坐标p(X_i,Y_i)可知各点与高亮光斑中心点偏移量b_i为：

其中，高亮光斑中心点坐标为O(X₀,Y₀)，X₀,Y₀为未知数，曲面任意一点坐标为p(X_i,Y_i)，b_i为各点与高亮光斑中心点偏移量。

则将上述公式带入改进光照模型(公式13)中：

曲面任意一点光强值与该点灰度值对应关系由相机CCD成像特性可知，图像中各点处灰度值与该点处光强存在如下线性关系：

G＝a×I_P+G_b (16)

其中G为图像上任意一点p的灰度值，a为响应率(V/lx·s)；是曲面上任意一点p反射到视点的光强，G_b为是暗电流引起的图像灰度，在公式16中a×I_P远远大于G_b，由暗电流引起的灰度带来的影响可忽略不计，因此公式可简化成：

G＝aI_P (17)

根据图像灰度值与光强关联关系可知高亮光斑初始中心点与其余各九宫格中心点相对应比例关系为：

其中，G_O′为高亮光斑初始中心点灰度值，G_i为其余各九宫格中心点灰度值1≤i≤8，I_O′为高亮光斑初始中心点光强值，I_i为其余各九宫格中心点光强，1≤i≤8。由此得到8组高亮光斑初始中心点与其余各点的灰度值与光强比例对应关系。

其次，基于光照模型对高亮光斑中心点坐标进行提取需要对上述方程中各参数常量及光斑中心点坐标进行求取，由灰度重心法求得光斑初始中心点O′，O′点是在得不到高亮光斑中心点精确值O时，通过图像初步提取的高亮光斑初始中心点其与实际高亮光斑中心点比较接近但不为同一点，以O′点为中心均匀在其周围各方向选取多个点，由基于灰度值得到的光强值及各点坐标值带入方程中对各参数常量及中心点坐标值进行求解。由于在方程中存在10个未知量，为了简化未知量个数降低参数求解难度提高运算效率，由于各部分发射光亮度即反射系数K与反射强度i乘积K_ai_a；K_di_d和K_si_s为定值且为常量将其乘积看作一个未知量进行计算使得方程中仅存在7个未知量则除高亮光斑初始中心点O′外至少选取7点即可求解方程内各待定参量唯一解。为了提高解的精度和可靠性均匀选取多点，以九宫格为例把高亮光斑初始中心点O′作为中心建立九宫格将每个格中心点作为选取点坐标带入方程中用来求取各待定参量唯一解。

此时以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式14中求出O′点与其余各点偏移量值，即各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值

其中，此时偏移量b为各点与高亮光斑中心点偏移量b_i；高亮光斑初始中心点坐标为O′(X′₀,Y′₀)；九宫格各格中心点坐标为p(X_i,Y_i)，1≤i≤8；

把公式19带入公式15中得到公式20：

以高亮光斑初始中心点O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值及通过图像上各点灰度值与光强关联关系得到各点光强I_P值带入上述8组比例对应关系求解各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标X₀,Y₀初值。

由于上述求取的各参量及中心点坐标初值存在一定误差不能精准表征中心点坐标，为了提高结果精确度进行多目标优化。

为求取各参数最优值及高亮光斑中心点精确坐标结合公式15进行多目标优化采用拟合优度作为目标函数：

其中，R²为拟合优度的可决系数衡量方程整体拟合度评价标准，R²最大值为1。R²的值越接近1，说明方程拟合程度越好；反之，R²的值越小。

优化变量为方程内各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及中心点精确坐标X₀,Y₀的参数值。并取上文通过九宫格各格中心点坐标及光强求取的各待定参量及高亮光斑中心点O的坐标(X₀,Y₀)的初值作为初始值。基于得到的约束条件及各参数初值采用(Levenberg-Marquardt)非线性最优化方法进行寻优。此时应存在一组最优结构参数，使拟合优度可决系数R²不小于0.95求出全局最优解得到最优K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n；X₀；Y₀参量，使其符合光斑内所有点。

其中，迭代优化得到的X₀,Y₀即为高亮光斑中心点O的精确坐标，并以此作为高亮中心点提取结果，完成高亮光斑中心点坐标提取，为后续基于高光精密位姿调整提供保障。

基于高光精密位姿调整

基于上一步光斑中心提取方法获得高亮光斑中心点坐标O(X₀，Y₀)，通过已知的待加工点坐标K(X，Y)。当高亮光斑中心点O与待加工孔位点K两点重合时，待加工孔位点法线与光源入射光线重合便可完成位姿调整。

由于高亮光斑中心点与待加工点产生的坐标差是由光照方向与目标点法矢方向空间角度偏移量引起，为此将光斑中心点与待加工点在图像中体现出来的距离量转化为实际空间中的角度量进行调整，利用获得两点坐标值确定模型内偏移量

根据求得曲率半径R值以及高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量b_o值求出偏移角余弦值：

将其带入改进模型中此时只有两点偏移角度量为未知量求出法矢方向偏移角度量，由O点至K点的偏移方向进行调整。

测量调整后法矢向量N与光源入射方向L的夹角即法矢方向偏移角度θ，若θ<0.5°达到垂直度要求即完成大曲率蒙皮制孔点法矢方向精确调整若θ>0.5°重复上述光斑中心提取及精密位姿调整步骤再次计算法矢方向偏移角度量θ进行调整。

实施例

基于高反光成像原理的钻孔法矢对准

第一步获取图像

本实施例采用法矢测量系统如图1所示，系统由光源投射模块；图像采集模块；数据处理模块和加工模块四部分组成。首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑A，图像采集模块采集带有高亮光斑A的蒙皮图像，然后将图像送至数据处理模块进行数据处理。

第二步高亮光斑中心点提取

在数据处理模块中将获取图像进行滤波降噪，处理后图像根据各点灰度值与各点光强对应关系读取图像上各点光强I_P值和坐标值(X_i，Y_i)。由公式13可知偏移量b值为零时光强I_P值达到最大，此点即为高亮光斑中心点初始值O′。如图6所示，以高亮光斑中心点初始值O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量b值，即各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值，结合公式15在约束条件下采用拟合优度作为目标函数进行迭代优化求出各个系数及高亮光斑中心点精确值O的坐标最优解，以此作为高亮中心点提取结果，对高亮光斑中心点坐标进行提取。

第三步倾角误差补偿

偏移角求解方法如公式22所示，由获得的高亮光斑中心点坐标O(X₀，Y₀)及通过图像中的特征信息和已知空间关系推算出待加工点坐标K(X,Y)带入公式14中确定各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值，结合公式22求出法矢方向偏移角度量θ值。

将偏移角传递给执行机构如图5所示，根据获得的法矢方向偏移角度量θ及O点至K点的偏移方向，由调整机构进行待加工孔位K点法矢方向调整。

第四步校准法矢垂直度

如图8所示，本发明为实时在线测量在上一步完成法矢方向偏移角度量调整后，再次测量对准后法矢偏移角度量，若法矢方向偏移角度量θ的误差仍大于0.5°度不满足测量要求重复上述第二步到第三步，若法矢方向偏移角度量θ小于0.5度达到测量要求则进行钻铆加工。

本发明测量方法为非接触式测量，在充分考虑到大曲率条件下曲率对法矢测量的影响，采用高光反射原理，实现了基于高反光成像原理的大曲率蒙皮钻孔法矢对准。该方法装置组件较少，结构紧凑，可实时快速进行法矢调整，调整结果精度高，操作简单、可靠较高。

本发明有益效果是综合考虑曲率对法矢对准影响，利用高光反射原理采用强反光成像模型的大曲率蒙皮表面法矢量调节方法，具有大曲率下或曲率变化条件下适应性好的优势，其能实时快速完成大曲率曲面待加工孔位法矢方向与加工轴线快速对准的姿态调整，实现复杂大曲率曲面法矢精确对准，改善大曲率蒙皮表面法矢蒙皮表面垂直度定位精确度和可靠性，提高飞机蒙皮大曲率曲面加工孔位法矢调整速度和精度。方法中光照模型的构建考虑了蒙皮曲率变化对反射光区域内光强分布特性的影响，引入曲率影响系数使光照模型准确表征大曲率曲面光学特性；高亮光斑中心提取采用多目标优化方法对高亮光斑中心点及光照模型内各常数参量进行求取，保证偏移角度量高精度提取；高精度位姿调整利用约束模型的多目标优化方法对光斑中心与孔位点法矢方向偏移角度量θ不断优化，实现大曲率曲面法矢实时在线检测。此方法具有测量速度快，调整精度高，不受曲率及高光反射影响特点，满足测量速度和精度要求。本发明可适用于大曲率复杂自由曲面实时快速法矢测量。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (1)

1.一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用法矢测量系统获取图像

法矢测量系统包括光源投射模块、图像采集模块、数据处理模块和加工模块；首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑，图像采集模块采集带有高亮光斑的蒙皮图像，然后将带有高亮光斑的蒙皮图像送至数据处理模块进行数据处理；

步骤2、高亮光斑中心点提取

2.1、在法矢测量系统中的数据处理模块中，将步骤1中获取的带有高亮光斑的蒙皮图像进行滤波降噪，将经滤波降噪的蒙皮图像转化为灰度图像；

2.2、通过灰度重心法，求得步骤2.1中获得的灰度图像的高亮光斑初始中心点O′，以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量值，即各点与高亮光斑中心点偏移量b_i值，

其中，此时偏移量b为各点与高亮光斑中心点偏移量b_i；高亮光斑初始中心点坐标为O′(X′₀,Y′₀)；九宫格各格中心点坐标为p(X_i,Y_i)，1≤i≤8；

由相机CCD成像特性可知，步骤2.1中的灰度图像中各点处灰度值与该点处光强存在如下线性关系：

G＝a×I_P+G_b (16)

其中G为图像上任意一点p的灰度值；a为响应率(V/lx·s)；I_P是曲面上任意一点p反射到视点的光强，G_b为是暗电流引起的图像灰度；在公式16中a×I_P远远大于G_b，由暗电流引起的灰度带来的影响可忽略不计，因此公式16可简化成：

G＝aI_P (17)

根据图像灰度值与光强关联关系建立高亮光斑初始中心点与其余各九宫格中心点相对应比例关系：

其中，G_O′为高亮光斑初始中心点灰度值，G_i为其余各九宫格中心点灰度值，1≤i≤8，I_O′为高亮光斑初始中心点光强值，I_i为其余各九宫格中心点光强，1≤i≤8；由此得到8组高亮光斑初始中心点与其余各点的灰度值与光强比例对应关系；

2.3、将步骤2.2中获得的公式19带入如下公式13中，获得公式20；

其中，基于如下式13所示的光照模型，当偏移量b值为零时，I_P值达到最大，此点即为高亮光斑中心点：

其中，I_P是曲面上任意一点p反射到视点的光强；K_a是环境光反射系数(0≤K_a≤1)；i_a是环境光光强；K_d是漫反射系数；R为曲率半径；此时b为各点与高亮光斑中心点偏移量b_i；i_d是慢反射光强；K_s是镜面反射系数；n为镜面反射光的会聚指数；i_s是镜面反射光强；

2.4、以步骤2.2中获得的九宫格每个格中心点坐标值以及通过图像上各点灰度值与光强关联关系得到各点光强值，带入上述8组比例对应关系，即公式18中，求解公式20中各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标X₀,Y₀初值，即X_0′,Y_0′；

2.5、为求取各参数最优值及高亮光斑中心点精确坐标，结合公式20进行多目标优化采用拟合优度作为目标函数：

其中，s.t.为约束条件，R²为拟合优度的可决系数衡量方程整体拟合度评价标准，R²最大值为1；R²的值越接近1，说明方程拟合程度越好；反之，R²的值越小；

优化变量为步骤2.4中获得的各待定参量K_ai_a；K_di_d；K_si_s；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标(X₀,Y₀)的初值；基于得到的约束条件及各参数初值采用Levenberg-Marquardt非线性最优化方法进行寻优；此时存在一组最优结构参数，使拟合优度可决系数R²不小于0.95；从而优化得到最优各待定参量及高亮光斑中心点O的精确坐标，并以此作为高亮中心点提取结果，对高亮光斑中心点坐标进行提取，获得高亮光斑中心点，其坐标为O(X₀,Y₀)；

步骤3、倾角误差补偿

偏移角求解方法如公式22所示：

其中，θ是法矢向量N与光源入射方向L的夹角，即法矢方向偏移角度；R为曲率半径；b_o为高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量；

由步骤2中获得的高亮光斑中心点坐标O(X₀，Y₀)及通过步骤2.1处理后的蒙皮图像将已知待加工点坐标K(X,Y)带入公式

中，确定高亮光斑中心点与待加工孔位点偏移量b₀值，结合公式22求出法矢方向偏移角度量θ；

将法矢方向偏移角度量θ传递给加工模块，根据获得的法矢方向偏移角度量θ及O点至K点的偏移方向，由加工模块进行待加工孔位K点法矢方向调整；

步骤4、校准法矢垂直度

实时在线测量在步骤3中完成的法矢偏移角调整后，再次测量对准后的法矢方向偏移角度量θ，若法矢方向偏移角度量θ的误差仍大于0.5°度，不满足测量要求重复上述步骤2和步骤3，若法矢方向偏移角度量θ小于0.5度达到测量要求则进行钻铆加工。

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