CN114111576B - 一种飞机蒙皮间隙面差检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机蒙皮间隙面差检测方法，利用相对位置设有激光器及相机的传感器进行检测；激光器能发出N个激光光平面，其中N‑1个激光光平面在空间中平行，剩下1个激光光平面与其它相交。平行光平面用于矫正测试位姿，单独激光平面用于测试。矫正激光投射在待测物表面形成多个交点，拟合直线与理论直线之间的夹角，各交点与实测值坐标差值均满足条件，即为合格的测试位姿。在此位姿下获取的图像，先进行模板匹配筛选铆钉位置；再通过光条中心提取，在光平面坐标系下分段拟合，选取直线端点，再筛选确定断点，计算间隙、面差，计算铆钉面差。该方法先选定测试位置，再进行测试，测试结果中能输出多个位置处的间隙、面差值，可有效提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及视觉检测领域，具体涉及一种飞机蒙皮间隙面差检测方法。
背景技术
飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外，通过粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动力外形的锥形构件。飞机蒙皮上常见的间隙类型有对缝间隙(两个平面连接处的间隙)、铆钉牟定间隙等，其中对缝间隙的间隙和面差都要评价，铆钉和台阶类间隙只评价面差。飞机蒙皮间隙和面差的大小，直接影响飞机的气动性能、隐身性能等安全指标，因此在飞机装配过程中需要进行检测和控制。
随着对飞机气动性能要求越来越高，对飞机蒙皮上各类间隙和面差的要求也随之提高。目前航空航天领域广泛使用传统的塞尺、面差仪进行测量，或者直接由熟练工凭借手感来评估，这类方法效率低、精度低、且容易受测量人员的主观因素影响，无法满足现代工业智能化的发展需求。
随着计算机视觉检测技术的发展，基于线结构的测量技术被越来越多地被应用到工业制造中。基于多线结构光的测量方法具有高效率、高精度、非接触等智能化优点。利用线结构光传感器，可以扫描出待测物体的轮廓，经过一系列计算机视觉算法的处理，就可以得到视场有效范围内测点的间隙和面差。
目前，基于线结构光的飞机蒙皮间隙面差测量方法主要有：(1)使用多线结构光传感器测量：首先，激光条图像经过预处理后，获取间隙轮廓的特征点；其次，根据多线结构光的特点，计算间隙同侧的多个特征点；最后，根据特征点的空间位置关系，并结合间隙、面差评价模型即可获得对应的间隙、面差值。(2)使用线扫描结构光测量：首先，对线扫描图像进行数据处理(如滤波、简化、配准等)后，获取精简有效的点云数据；其次，法矢或曲率进行特征提取；最后，根据特征点的空间位置关系，并结合间隙、面差评价模型计算对应值。
以上方法存在以下问题：
方法(1)需要标定多个光平面，且参与光平面标定的点数较少(每个位姿只有三个点，即三条平行直线与结构光条纹中心线交点)，光平面标定误差大；传感器测量时，很难保证激光条平面和待测间隙所在平面垂直，因此会引入一定测量位姿误差；该方法只适用于测点附近间隙、面差无变化的地方，否则计算的值就不是待测点真正的间隙和面差值；一般只能测量和显示单个测点的间隙、面差值。
方法(2)线扫描传感器获取的点云数据太大，测量效率低；引入干扰较多，测出率和准确性不高；一般只能测量和显示单个测点的间隙、面差值。
但是对于飞机蒙皮，其表面上常含有多个铆钉，上述方法均不能满足同时测出多个位置间隙/面差的要求，测量效率低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种飞机蒙皮间隙面差检测方法，其能先选定测试位置，再进行测试，测试结果中能同时包含同一直线上多个位置处的间隙、面差值，适用于飞机蒙皮表面特点，能有效提高测试效率。
为此，本发明的技术方案如下：
一种飞机蒙皮间隙面差检测方法，使用多线结构光传感器进行检测，所述多线结构光传感器发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，记为位姿矫正激光，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交，记为测量激光；
包括如下步骤：
1)所述多线结构光传感器向待测物表面投射激光，形成N-1个交点；相机采集图像，分别计算各交点的像素坐标，记为实测交点像素坐标；此外，利用N-1个交点拟合直线，记为L实测；
计算实测交点像素坐标均值，将其与理论交点像素坐标均值取差；同时，计算L实测与L理论之间的夹角；以差值、夹角均满足预设条件的位姿为所述多线结构光传感器的测试位姿；
2)获取测试位姿下测量激光投射在待测物表面而形成的图像，以铆钉结构的光条图像为模板进行模板匹配，判断图像中是否存在铆钉；若有则框选铆钉在图像上的ROI，形成特征点集I，而后进行光条中心提取，得到点集I；若无，则直接进行光条中心提取，得到点集I’；
3)将点集I或点集I’中数据从图像坐标系的二维坐标转换到相机坐标系的三维坐标，再转换到光平面坐标系的二维坐标，将其标记为点集II；
4)若存在特征点集I，则基于特征点集I中点在点集II中所对应的数据确定铆钉位置，再对其他点分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III；
若不存在特征点集I，则直接分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III’；
5)对点集III或点集III’中数据进行处理，选择光条断点两端所对应的特征点，以其为基础计算间隙、面差；若无断点，无需计算直接输出结果；
利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差。
进一步，所述理论交点像素坐标均值、L理论为同一多线结构光传感器在标准测试位姿下采集图像计算获取的交点像素坐标均值，及由交点拟合的直线。
进一步，步骤2)使用边缘模板匹配算法进行模板匹配。
进一步，步骤4)形成点集III或点集III’的方法为：选择光条最外侧的端点为起点，以预设步长沿光条延伸方向分段确定单次参与直线拟合的点，直线拟合后，记录直线参数，并将直线两端点标记为端点，形成点集III或点集III’。
进一步，利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差的方法为：先确定铆钉两端点，连线；求取其它点距连线的距离，取最大值为铆钉面差；
或者，先确定铆钉两端点，以其中一个端点所在直线的参数，绘制直线延长线，求取其它点距该直线延长线的距离，取最大值为铆钉面差。
进一步，将点集III或点集III’中点对应在点集II中，分别统计点集III或点集III’中相邻点之间在点集II中存在点的数量，删掉点的数量大于预设值的相邻点，点集III或点集III’中其他相邻点被认为是光条断点两端的特征点(对应对缝间隙两侧的特征点)，标记为间隙特征点对。
更进一步，对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找任一点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，记为垂线L；以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距垂线L的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；再获取特征点对中另一点在靠近断点方向在点集II中对应点，求取其分别距垂线L的距离，以最近距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于求取的实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙；
或者，对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找各点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距直线延长线垂线的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙。
更进一步，利用间隙特征点对计算对缝面差的方法为：以特征点对中任一特征点所在直线的参数绘制直线延长线，求取特征点对中另一点距直线延长线的距离，即为对缝面差。
一种飞机蒙皮间隙面差检测传感器，包括位置相对的激光器及相机；所述激光器为一个或多个，能发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交。
该方法先位姿矫正激光选定测试位置，保证检测结果的精度，继而利用测量激光测试同一平面上所有间隙、面差，既包括了对缝的间隙及面差，也包括了单个或多个铆钉面差，能快速的输出结果，适用于飞机蒙皮检测。
附图说明
图1为实施例1中位姿矫正激光矫正测量位姿的示意图；
图2为实施例1中的铆钉模板图；
图3为实施例1中对缝间隙的间隙的计算原理示意图；
图4为实施例1中对缝间隙的面差的计算原理示意图；
图5为实施例1中铆钉的面差计算原理示意图；
图6为本发明飞机蒙皮间隙面差检测方法的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
一种飞机蒙皮间隙面差检测传感器，包括位置相对的激光器及相机；激光器为一个或多个，能发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交。
利用该传感器对飞机蒙皮间隙面差进行检测的方法，使用多线结构光传感器进行检测，多线结构光传感器发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，记为位姿矫正激光，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交，记为测量激光；在本实施例中，N＝4，为了保证检测精度，技术人员可依据实际情况确定N的取值，优选在3～10之间；
包括如下步骤：
1)如图1所示，多线结构光传感器向待测物表面投射激光，形成N-1个交点；相机采集图像，分别计算各交点的像素坐标，记为实测交点像素坐标；此外，利用N-1个交点拟合直线，记为L实测；
计算实测交点像素坐标均值，将其与理论交点像素坐标均值取差；同时，计算L实测与L理论之间的夹角；以差值、夹角均满足预设条件的位姿为多线结构光传感器的测试位姿；
其中，理论交点像素坐标均值、L理论为同一多线结构光传感器在标准测试位姿下采集图像计算获取的交点像素坐标均值，及由交点拟合的直线；
2)获取测试位姿下测量激光投射在待测物表面而形成的图像，以铆钉结构的光条图像为模板，使用边缘模板匹配算法进行模板匹配(图2，灰色方框内为铆钉模板图)，判断图像中是否存在铆钉；若有则框选铆钉在图像上的ROI，形成特征点集I，而后进行光条中心提取，得到点集I；若无，则直接进行光条中心提取，得到点集I’；
3)将点集I或点集I’中数据从图像坐标系的二维坐标转换到相机坐标系的三维坐标，再转换到光平面坐标系的二维坐标，将其标记为点集II；
4)若存在特征点集I，则基于特征点集I中点在点集II中所对应的数据确定铆钉位置，再对其他点分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III；
若不存在特征点集I，则直接分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III’；
具体来说，选择光条最外侧的端点为起点，以预设步长沿光条延伸方向分段确定单次参与直线拟合的点，直线拟合后，记录直线参数，并将直线两端点标记为端点，形成点集III或点集III’；
5)对点集III或点集III’中数据进行处理，选择光条断点两端所对应的特征点，以其为基础计算间隙、面差；若无断点，无需计算直接输出结果；
具体来说：将点集III或点集III’中点对应在点集II中，分别统计点集III或点集III’中相邻点之间在点集II中存在点的数量，删掉点的数量大于预设值的相邻点，点集III或点集III’中其他相邻点被认为是光条断点两端的特征点(对应对缝间隙两侧的特征点)，标记为间隙特征点对；
利用间隙特征点对计算对缝间隙的方法为：对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找任一点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，记为垂线L；以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距垂线L的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；再获取特征点对中另一点在靠近断点方向在点集II中对应点，求取其分别距垂线L的距离，以最近距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于求取的实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙；
利用间隙特征点对计算对缝面差的方法为：以特征点对中任一特征点所在直线的参数绘制直线延长线，求取特征点对中另一点距直线延长线的距离，即为对缝面差。
利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差；具体来说：先确定铆钉两端点，以其中一个端点所在直线的参数，绘制直线延长线，求取其它点距该直线延长线的距离，取最大值为铆钉面差。
实施例2
一种飞机蒙皮间隙面差检测传感器，包括位置相对的激光器及相机；激光器为一个或多个，能发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交。
利用该传感器对飞机蒙皮间隙面差进行检测的方法，使用多线结构光传感器进行检测，多线结构光传感器发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，记为位姿矫正激光，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交，记为测量激光；在本实施例中，N＝5；
包括如下步骤：
1)多线结构光传感器向待测物表面投射激光，形成N-1个交点；相机采集图像，分别计算各交点的像素坐标，记为实测交点像素坐标；此外，利用N-1个交点拟合直线，记为L实测；
计算实测交点像素坐标均值，将其与理论交点像素坐标均值取差；同时，计算L实测与L理论之间的夹角；以差值、夹角均满足预设条件的位姿为多线结构光传感器的测试位姿；
其中，理论交点像素坐标均值、L理论为同一多线结构光传感器在标准测试位姿下采集图像计算获取的交点像素坐标均值，及由交点拟合的直线；
2)获取测试位姿下测量激光投射在待测物表面而形成的图像，以铆钉结构的光条图像为模板，使用边缘模板匹配算法进行模板匹配(技术人员也可依据具体情形，选择其它算法进行模板匹配)，判断图像中是否存在铆钉；若有则框选铆钉在图像上的ROI，形成特征点集I，而后进行光条中心提取，得到点集I；若无，则直接进行光条中心提取，得到点集I’；
3)将点集I或点集I’中数据从图像坐标系的二维坐标转换到相机坐标系的三维坐标，再转换到光平面坐标系的二维坐标，将其标记为点集II；
4)若存在特征点集I，则基于特征点集I中点在点集II中所对应的数据确定铆钉位置，再对其他点分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III；
若不存在特征点集I，则直接分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III’；
具体来说，选择光条最外侧的端点为起点，以预设步长沿光条延伸方向分段确定单次参与直线拟合的点，直线拟合后，记录直线参数，并将直线两端点标记为端点，形成点集III或点集III’；
5)对点集III或点集III’中数据进行处理，选择光条断点两端所对应的特征点，以其为基础计算间隙、面差；若无断点，无需计算直接输出结果；
具体来说：将点集III或点集III’中点对应在点集II中，分别统计点集III或点集III’中相邻点之间在点集II中存在点的数量，删掉点的数量大于预设值的相邻点，点集III或点集III’中其他相邻点被认为是光条断点两端的特征点(对应对缝间隙两侧的特征点)，标记为间隙特征点对；
利用间隙特征点对计算对缝间隙的方法为：对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找各点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距直线延长线垂线的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙；
利用间隙特征点对计算对缝面差的方法为：以特征点对中任一特征点所在直线的参数绘制直线延长线，求取特征点对中另一点距直线延长线的距离，即为对缝面差。
利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差；具体来说：先确定铆钉两端点，连线；求取其它点距连线的距离，取最大值为铆钉面差。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案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能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (8)
1.一种飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：使用多线结构光传感器进行检测，所述多线结构光传感器发出N个激光光平面，其中N-1个激光光平面在空间中平行，记为位姿矫正激光，剩下1个激光光平面与其它激光光平面相交，记为测量激光；
包括如下步骤：
1)所述多线结构光传感器向待测物表面投射激光，形成N-1个交点；相机采集图像，分别计算各交点的像素坐标，记为实测交点像素坐标；此外，利用N-1个交点拟合直线，记为L实测；
计算实测交点像素坐标均值，将其与理论交点像素坐标均值取差；同时，计算L实测与L理论之间的夹角；以差值、夹角均满足预设条件的位姿为所述多线结构光传感器的测试位姿；
2)获取测试位姿下测量激光投射在待测物表面而形成的图像，以铆钉结构的光条图像为模板进行模板匹配，判断图像中是否存在铆钉；若有则框选铆钉在图像上的ROI，形成特征点集I，而后进行光条中心提取，得到点集I；若无，则直接进行光条中心提取，得到点集I’；
3)将点集I或点集I’中数据从图像坐标系的二维坐标转换到相机坐标系的三维坐标，再转换到光平面坐标系的二维坐标，将其标记为点集II；
4)若存在特征点集I，则基于特征点集I中点在点集II中所对应的数据确定铆钉位置，再对其他点分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III；
若不存在特征点集I，则直接分段进行直线拟合，标记端点，形成点集III’；
5)对点集III或点集III’中数据进行处理，选择光条断点两端所对应的特征点，以其为基础计算间隙、面差；若无断点，无需计算直接输出结果；
利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差。
2.如权利要求1所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：所述理论交点像素坐标均值、L理论为同一多线结构光传感器在标准测试位姿下采集图像计算获取的交点像素坐标均值，及由交点拟合的直线。
3.如权利要求1所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：步骤2)使用边缘模板匹配算法进行模板匹配。
4.如权利要求1所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：步骤4)形成点集III或点集III’的方法为：选择光条最外侧的端点为起点，以预设步长沿光条延伸方向分段确定单次参与直线拟合的点，直线拟合后，记录直线参数，并将直线两端点标记为端点，形成点集III或点集III’。
5.如权利要求1所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：利用特征点集I在点集II中所对应的点计算铆钉面差的方法为：先确定铆钉两端点，连线；求取其它点距连线的距离，取最大值为铆钉面差；
或者，先确定铆钉两端点，以其中一个端点所在直线的参数，绘制直线延长线，求取其它点距该直线延长线的距离，取最大值为铆钉面差。
6.如权利要求1所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：将点集III或点集III’中点对应在点集II中，分别统计点集III或点集III’中相邻点之间在点集II中存在点的数量，删掉点的数量大于预设值的相邻点，点集III或点集III’中其他相邻点被认为是光条断点两端的特征点，标记为间隙特征点对。
7.如权利要求6所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找任一点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，记为垂线L；以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距垂线L的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；再获取特征点对中另一点在靠近断点方向在点集II中对应点，求取其分别距垂线L的距离，以最近距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于求取的实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙；
或者，对间隙特征点对中的点分别进行如下处理：查找各点所在直线的参数，绘制直线延长线，并作垂线，以该点为起点，收集靠近断点方向在点集II中对应的点，分别求各点距直线延长线垂线的距离，以最远距离处所对应点为实际断点的间隙特征点；基于实际断点的间隙特征点对计算对缝间隙。
8.如权利要求6所述飞机蒙皮间隙面差检测方法，其特征在于：利用间隙特征点对计算对缝面差的方法为：以特征点对中任一特征点所在直线的参数绘制直线延长线，求取特征点对中另一点距直线延长线的距离，即为对缝面差。
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