CN114061486A - 面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法 - Google Patents

面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法 Download PDF

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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

本发明公开了一种面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法，该自动化测量装置，包括：扫描仪、机械臂、视觉传感器、控制柜、移动平台和动态跟踪系统；移动平台配备有激光雷达，控制柜设置于移动平台上，视觉传感器设置于控制柜上，机械臂固定于控制柜的上方，扫描仪通过连接工装安装在机械臂的末端，扫描仪的外部定位球上设有反光点，动态跟踪系统由双目相机构成，用于捕捉扫描仪上的反光点来实时获取扫描仪的空间位姿。本发明的自动化测量装置及其测量方法实现了飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据自动化采集，降低了工作人员劳动强度；可应用于实际生产现场，对航空制造自动化进程有积极的推进意义。

Description

面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于飞机蒙皮测量和三维扫描技术领域，具体地，涉及一种面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法。
背景技术
为了检验产品是否满足设计要求，测量是生产过程中不可或缺的重要环节。现代飞机为了实现更好的气动性能与隐身性能，对蒙皮外形准确度提出了严格的要求，同时也对测量技术提出了很大的挑战。航空制造企业正积极推进数字化测量技术的应用，如利用三维激光扫描技术快速获取复杂型面点云数据，实现飞机蒙皮曲面的非接触式测量。但是目前的扫描测量仍以人工操作为主，难以满足飞机脉动生产的效率要求。为了进一步提高航空制造业生产自动化水平、减小测量人员的劳动量、提高检测效率及数据质量、加速航空制造业向智能制造转变的进程，国内外许多学者对航空零部件的自动化测量方法进行了一系列探索。
自动化测量系统的构建方面，早期的自动化测量较多地采用了三坐标测量机，然而由于其测量效率较低，在大型曲面测量应用中受到了很大的限制。针对飞机蒙皮类零件尺寸大的特点，构建全局测量场的广域测量方案被广泛研究。Shi等将三维扫描仪与激光测距仪相结合，实现了大型物体三维测量；于浩等基于固定站位下柔性测量单元的测量空间及精度分布进行分析，提出了基于K-均值聚类的测量站位规划及自适应控制策略。然而全局测量场在实际应用中存在建设成本高、测量误差控制难度大、系统灵活性较差等问题。在扫描规划方面，Mahmud等基于测量不确定度控制进行激光扫描仪扫描路径规划；Minh等使用最小二乘保角映射将三维曲面展开为二维平面，在平面上进行等距路径规划后再将路径点映射至三维空间，通过控制扫描重叠率完成扫描路径规划，一定程度上简化了扫描规划难度，然而该算法只能处理曲率变化较平缓的三维曲面，无法自适应特征区域。南京航空航天大学的林晶基于CATIA进行二次开发以生成初始扫描轨迹，并基于粒子群算法和系统误差预测模型对曲面扫描轨迹进行优化，使得扫描轨迹满足扫描约束且系统误差最低；浙江大学的艾小祥在分析扫描仪扫描约束及测量对象几何特征的基础上，针对机翼骨架的特征集中区域提出了分对象总体最优法，并采用蚁群算法优化扫描路径，针对机翼壁板外侧的大尺寸连续曲面采用行切法作为扫描策略，并利用遗传算法提高扫描效率。这些方法在特定的场景中达到了较好的效果，然而其特征提取需借助三维建模软件进行人机交互，对特征区域的划分仍需较多人工干预。
综上，现有的自动化测量系统存在建设成本高、系统柔性差的问题，难以直接应用于飞机大型蒙皮曲面零件的扫描测量。
发明内容
针对现有技术中存在的问题及飞机蒙皮零件制造尺寸大、外形复杂的特点，本发明提出了一种面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法，可以在蒙皮测量过程中提高自动化程度和效率。
为实现上述技术目的，本发明的具体方案为：一种面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置，包括：扫描仪、机械臂、视觉传感器、控制柜、移动平台和动态跟踪系统；所述移动平台配备有激光雷达，可实现激光建图定位以及障碍规避，所述控制柜设置于移动平台上，所述视觉传感器设置于控制柜上，所述机械臂固定于控制柜的上方，所述扫描仪通过连接工装安装在机械臂的末端，所述扫描仪的外部定位球上设有反光点，所述动态跟踪系统由双目相机构成，用于捕捉扫描仪上的反光点来实时获取扫描仪的空间位姿。
本发明还提供了一种面向飞机大型蒙皮曲面自动化测量装置的飞机大型蒙皮曲面测量方法，包括以下步骤：
(1)通过移动平台搭载的激光雷达建立车间地图；
(2)根据测量需求在建立的车间地图内预设若干测量工位，并设置测量工位的执行顺序，每个测量工位对应待测飞机大型蒙皮曲面的不同蒙皮零件或一个蒙皮零件的局部测量位置；且每个测量工位中包含多个扫描站位，扫描站位由扫描站位规划算法自动生成；
(3)在扫描任务数据库中将每个测量工位内的测量任务与测量数据进行关联，所述测量数据包括：待测飞机大型蒙皮曲面网格模型、测量精度要求；
(4)按照步骤(2)中设置的测量工位的执行顺序，移动平台通过激光雷达自动导航进入测量工位，通过视觉传感器估计出机械臂与待测飞机大型蒙皮曲面的相对位姿；
(5)根据步骤(3)关联的测量任务与测量数据，所述自动化测量装置从扫描任务数据库中加载对应测量工位的测量任务及测量数据，进行扫描任务规划，所述自动化测量装置根据扫描任务规划，自动执行扫描动作，获取待测飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据；
(6)完成该测量工位的测量任务后，重复步骤(4)，进行下一测量工位的测量任务，直至完成所有测量工位的测量任务。
进一步地，步骤(4)中通过视觉传感器估计出机械臂与待测飞机大型蒙皮曲面的相对位姿的具体过程为：在待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件附近设置工装，工装与待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件的距离已知，将二维码设置在工装上，使用所述视觉传感器估计二维码位姿，视觉传感器与机械臂的距离已知，即可估计出待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件与机械臂之间的相对位姿。
进一步地，步骤(5)中扫描任务规划包括：扫描路径点规划、扫描站位规划以及扫描轨迹规划。
进一步地，所述扫描路径点规划的过程具体为：在待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上进行曲率自适应采样，得到扫描目标点，再将扫描目标点沿法线方向偏置得到扫描路径点，将扫描路径点组成扫描路径点集合。
进一步地，所述曲率自适应采样的间距de为：
de＝(1-h)·rf·K,h∈[0,1)
其中，rf为扫描仪的有效扫描区域半径，h为控制扫描重叠率的系数，K为待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上任意点的高斯曲率。
进一步地，所述扫描站位规划的过程具体为：将三维扫描点路径集合投影得到投影路径点集合，以每个投影路径点为中心生成长为0.8m、宽为0.5m的矩形区域，并采用非极大值抑制方法滤除部分矩形区域，再对剩余的矩形区域通过求解优化方程，得到扫描站位；所述非极大值抑制方法为：若两个矩形区域的交并比超过阈值，删除其中投影路径点数量较少的矩形区域。
进一步地，所述优化方程具体为：
Figure BDA0003363922090000031
D(si)＝|||si,sj||-w|，
P(si)＝1-cos<si,sj>，
Figure BDA0003363922090000032
其中，S表示扫描站位集合，si表示第i个扫描站位，n表示扫描站位的总数量，N(S)表示扫描站位集合S无法覆盖的投影路径点个数，D(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的距离函数，P(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的夹角函数，w为矩形区域长边的长度，λ表示权重系数。
进一步地，所述扫描轨迹规划的过程具体为：将扫描站位中的扫描路径点以最左上角的扫描路径点为起始扫描路径点，根据评价函数遍历所有的扫描路径点，将评价函数得分最高的扫描路径点，作为下一个扫描路径点，重复该过程直至完成所有扫描路径点的排序，得到扫描任务规划。
进一步地，所述评价函数为：
Figure BDA0003363922090000041
其中，α表示扫描路径运动方向的变化角度；β表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的变化角度，w表示用于调整运动方向与扫描方向的权重；d表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置由移动平台和机械臂构成，移动平台极大地拓展了测量空间，而机械臂很好地适应飞机蒙皮复杂的外形特点，可以实现柔性测量要求。本发明中面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法实现了飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据自动化采集，降低了工作人员劳动强度；通过相对位姿估计，根据测量任务与测量数据的关联，进行扫描任务规划，具有灵活性高的特点。本发明基于飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法可直接应用于实际生产现场，对航空制造自动化进程有积极的推进意义。
附图说明
图1为本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置的结构示意图；
图2为本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法的流程图；
图3为本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法中获得的扫描路径点集合图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图1为本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置的结构示意图，该自动化测量装置包括：扫描仪1、机械臂2、视觉传感器3、控制柜4、移动平台5和动态跟踪系统6；移动平台5配备有激光雷达，可实现激光建图定位以及障碍规避，控制柜4设置于移动平台5上，视觉传感器3设置于控制柜4上，机械臂2固定于控制柜4的上方，扫描仪1通过连接工装安装在机械臂2的末端，位于动态跟踪系统6的视野内，扫描仪1的外部定位球上设有反光点，动态跟踪系统6由双目相机构成，用于捕捉扫描仪1上的反光点来实时获取扫描仪1的空间位姿。本发明中所采用的扫描仪1的型号为MetraSCAN 3D，机械臂2为UR5机械臂，视觉传感器3为RealSense D435深度相机，本发明中的控制柜4内包含机械臂控制单元与总控计算机，总控计算机可从扫描任务数据库中调取测量任务与测量数据并进行解析，同时也用于处理视觉传感器3的数据以进行系统相对位姿解算，并执行扫描规划算法、进行硬件系统控制及状态监测，以及进行扫描参数设置与扫描数据存储；移动平台5为MiR100移动机器人，动态跟踪系统6为C-Track动态跟踪系统，可在17.6m3的工作空间内实现扫描仪1的位姿动态跟踪。
如图2为本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法的流程图，该飞机大型蒙皮曲面测量方法具体包括如下步骤：
(1)通过移动平台搭载的激光雷达建立车间地图，可以在预设扫描站位后可以根据地图自动规划行进路线，并可通过激光雷达实现动态障碍规避与定位。
(2)根据测量需求在建立的车间地图内预设若干测量工位，并设置测量工位的执行顺序，每个测量工位对应待测飞机大型蒙皮曲面的不同蒙皮零件或一个蒙皮零件的局部测量位置；且每个测量工位中包含多个扫描站位，扫描站位由扫描站位规划算法自动生成；在一个扫描站位内移动平台5可以移动多个位置，而动态跟踪系统6与待测飞机大型蒙皮曲面的位置保持不变。
(3)在扫描任务数据库中将每个测量工位内的测量任务与测量数据进行关联，以便后续测量任务执行过程中自动测量系统自动调取测量数据进行扫描规划。本发明中的测量数据包括：待测飞机大型蒙皮曲面网格模型、测量精度要求。
(4)按照步骤(2)中设置的测量工位的执行顺序，移动平台通过激光雷达自动导航进入测量工位，通过视觉传感器估计出机械臂与待测飞机大型蒙皮曲面的相对位姿，具体为：在待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件附近设置工装，工装与待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件的距离已知，将二维码设置在工装上，使用所述视觉传感器估计二维码位姿，视觉传感器与机械臂的距离已知，即可估计出待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件与机械臂之间的相对位姿。通过相对位姿的估计可用于将扫描规划结果从待测飞机大型蒙皮零件坐标系转换至测量系统坐标系，实现从模型空间到测量系统运动空间的映射，且具有成本低、精度高、应用灵活的特点。
(5)根据步骤(3)关联的测量任务与测量数据，自动化测量装置从扫描任务数据库中加载对应测量工位的测量任务及测量数据，进行扫描任务规划，自动化测量装置根据扫描任务规划，自动执行扫描动作，获取待测飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据。
具体地，扫描任务规划基于待测飞机大型蒙皮曲面网格模型以及待测蒙皮零件的实际位姿，将扫描任务规划分为扫描路径点规划、扫描站位规划以及扫描轨迹规划，可兼顾待测飞机大型蒙皮曲面上曲率变化较大的特征区域，在保证扫描完整性的前提下，达到较高的扫描效率。
本发明中扫描路径点规划的过程具体为：在待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上进行曲率自适应采样，针对待测飞机大型蒙皮曲面的曲率变化自适应调整采样密度，得到扫描目标点，再将扫描目标点沿法线方向偏置得到扫描路径点，将扫描路径点组成扫描路径点集合，如图3所示。其中，通过曲率自适应采样设置采样间距，在待测飞机大型蒙皮曲面上的局部特征区域得到较多的扫描目标点，可有效提高局部特征区域的扫描完整性，曲率自适应采样的间距de为：
de＝(1-h)·rf·K,h∈[0,1)
其中，rf为扫描仪的有效扫描区域半径，h为控制扫描重叠率的系数，K为待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上任意点的高斯曲率。
本发明中扫描站位规划以每个扫描站位下机械臂2的运动空间覆盖该测量工位的扫描路径点集合实现完整的待测飞机大型蒙皮曲面的三维数据采集，该扫描站位规划的过程具体为：将三维扫描点路径集合投影得到投影路径点集合，以每个投影路径点为中心生成长为0.8m、宽为0.5m的矩形区域，并采用非极大值抑制方法滤除部分矩形区域，具体地，若两个矩形区域的交并比超过阈值，删除其中投影路径点数量较少的矩形区域，再对剩余的矩形区域通过求解优化方程，得到扫描站位，以实现完整的待测飞机大型蒙皮曲面的三维数据采集，该扫描站位规划可以极大地拓展自动测量系统的测量空间范围，满足飞机大型蒙皮零件的测量要求。
本发明中通过优化方程覆盖尽可能多扫描路径点，且得到的扫描站位分布均匀、朝向一致，以减小移动平台5的调姿动作，提高测量效率，该优化方程具体为：
Figure BDA0003363922090000061
D(si)＝|||si,sj||-w|，
P(si)＝1-cos<si,sj>，
Figure BDA0003363922090000062
其中，S表示扫描站位集合，si表示第i个扫描站位，n表示扫描站位的总数量，N(S)表示扫描站位集合S无法覆盖的投影路径点个数，D(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的距离函数，P(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的夹角函数，w为矩形区域长边的长度，λ表示权重系数。
本发明中扫描轨迹规划的过程具体为：将扫描站位中的扫描路径点以最左上角的扫描路径点为起始扫描路径点，根据评价函数遍历所有的扫描路径点，将评价函数得分最高的扫描路径点，作为下一个扫描路径点，重复该过程直至完成所有扫描路径点的排序，得到扫描任务规划。本发明中评价函数考虑以下约束：1)扫描轨迹应尽可能平滑，避免运动方向突变造成运动冲击；2)两个扫描路径点之间的扫描方向差异尽可能小，避免频繁调整扫描仪位姿；
3)扫描路径总长应尽可能小。通过以上约束得到的扫描轨迹可同时保障机械臂运动平稳性与扫描效率，该评价函数为：
Figure BDA0003363922090000071
其中，α表示扫描路径运动方向的变化角度；β表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的变化角度，w表示用于调整运动方向与扫描方向的权重；d表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的距离，当d<d0时，扫描路径点的距离对评价函数的影响较小。
(6)完成该测量工位的测量任务后，重复步骤(4)，进行下一测量工位的测量任务，直至完成所有测量工位的测量任务。
将本发明面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法应用于某型号飞机机身筒段蒙皮曲面测量任务，该飞机的蒙皮尺寸约为2.9×0.8m，其表面为复杂的自由曲面，且包含部分鼓包和凹槽等特征区域。通过本发明的测量方法，其规划时间小于2s，算法自动划分了3个扫描站位，自动扫描时间约为256s，扫描结果在鼓包和凹槽等特征区域也有较高的扫描完整性。本发明中基于飞机大型蒙皮曲面的自动化测量方法实现了飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据自动化采集，降低了工作人员劳动强度；通过相对位姿估计，根据测量任务与测量数据的关联，进行扫描任务规划，具有灵活性高的特点。本发明基于飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置及其测量方法可直接应用于实际生产现场，对航空制造自动化进程有积极的推进意义。
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方式，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 (10)

1.一种面向飞机大型蒙皮曲面的自动化测量装置，其特征在于，包括：扫描仪、机械臂、视觉传感器、控制柜、移动平台和动态跟踪系统；所述移动平台配备有激光雷达，可实现激光建图定位以及障碍规避，所述控制柜设置于移动平台上，所述视觉传感器设置于控制柜上，所述机械臂固定于控制柜的上方，所述扫描仪通过连接工装安装在机械臂的末端，所述扫描仪的外部定位球上设有反光点，所述动态跟踪系统由双目相机构成，用于捕捉扫描仪上的反光点来实时获取扫描仪的空间位姿。
2.根据权利要求1所述面向飞机大型蒙皮曲面自动化测量装置的飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过移动平台搭载的激光雷达建立车间地图；
(2)根据测量需求在建立的车间地图内预设若干测量工位，并设置测量工位的执行顺序，每个测量工位对应待测飞机大型蒙皮曲面的不同蒙皮零件或一个蒙皮零件的局部测量位置；且每个测量工位中包含多个扫描站位，扫描站位由扫描站位规划算法自动生成；
(3)在扫描任务数据库中将每个测量工位内的测量任务与测量数据进行关联，所述测量数据包括：待测飞机大型蒙皮曲面网格模型、测量精度要求；
(4)按照步骤(2)中设置的测量工位的执行顺序，移动平台通过激光雷达自动导航进入测量工位，通过视觉传感器估计出机械臂与待测飞机大型蒙皮曲面的相对位姿；
(5)根据步骤(3)关联的测量任务与测量数据，所述自动化测量装置从扫描任务数据库中加载对应测量工位的测量任务及测量数据，进行扫描任务规划，所述自动化测量装置根据扫描任务规划，自动执行扫描动作，获取待测飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据；
(6)完成该测量工位的测量任务后，重复步骤(4)，进行下一测量工位的测量任务，直至完成所有测量工位的测量任务。
3.根据权利要求2所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，步骤(4)中通过视觉传感器估计出机械臂与待测飞机大型蒙皮曲面的相对位姿的具体过程为：在待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件附近设置工装，工装与待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件的距离已知，将二维码设置在工装上，使用所述视觉传感器估计二维码位姿，视觉传感器与机械臂的距离已知，即可估计出待测飞机大型蒙皮曲面的蒙皮零件与机械臂之间的相对位姿。
4.根据权利要求2所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，步骤(5)中扫描任务规划包括：扫描路径点规划、扫描站位规划以及扫描轨迹规划。
5.根据权利要求4所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述扫描路径点规划的过程具体为：在待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上进行曲率自适应采样，得到扫描目标点，再将扫描目标点沿法线方向偏置得到扫描路径点，将扫描路径点组成扫描路径点集合。
6.根据权利要求5所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述曲率自适应采样的间距de为：
de＝(1-h)·rf·K,h∈[0,1)
其中，rf为扫描仪的有效扫描区域半径，h为控制扫描重叠率的系数，K为待测飞机大型蒙皮曲面网格模型上任意点的高斯曲率。
7.根据权利要求4所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述扫描站位规划的过程具体为：将三维扫描点路径集合投影得到投影路径点集合，以每个投影路径点为中心生成长为0.8m、宽为0.5m的矩形区域，并采用非极大值抑制方法滤除部分矩形区域，再对剩余的矩形区域通过求解优化方程，得到扫描站位；所述非极大值抑制方法为：若两个矩形区域的交并比超过阈值，删除其中投影路径点数量较少的矩形区域。
8.根据权利要求7所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述优化方程具体为：
Figure FDA0003363922080000021
D(si)＝|||si,sj||-w|，
P(si)＝1-cos＜si,sj＞，
Figure FDA0003363922080000022
其中，S表示扫描站位集合，si表示第i个扫描站位，n表示扫描站位的总数量，N(S)表示扫描站位集合S无法覆盖的投影路径点个数，D(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的距离函数，P(si)表示第i个扫描站位si与第j个扫描站位sj之间的夹角函数，w为矩形区域长边的长度，λ表示权重系数。
9.根据权利要求4所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述扫描轨迹规划的过程具体为：将扫描站位中的扫描路径点以最左上角的扫描路径点为起始扫描路径点，根据评价函数遍历所有的扫描路径点，将评价函数得分最高的扫描路径点，作为下一个扫描路径点，重复该过程直至完成所有扫描路径点的排序，得到扫描任务规划。
10.根据权利要求9所述飞机大型蒙皮曲面测量方法，其特征在于，所述评价函数为：
Figure FDA0003363922080000023
其中，α表示扫描路径运动方向的变化角度；β表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的变化角度，w表示用于调整运动方向与扫描方向的权重；d表示当前扫描路径点与下一个扫描路径点的距离。
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