CN114777649A - 一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，包括主体框架、数据采集装置、驱动装置和控制系统；所述数据采集装置通过转轴安装于主体框架的一侧，包括结构光扫描仪、工业相机和惯性传感器，用于采集整体油箱的点云数据、图像数据和惯导数据；所述控制系统安装于主体框架中，用于向驱动装置和数据采集装置发送控制指令，并对数据采集装置获取的数据进行存储和处理，以完成对螺栓封包的分割和尺寸计算。本发明系统结构简单且可维护性好，相比于传统的手持式三维扫描装置，本发明可显著提高飞机油箱三维扫描测量的作业效率，并通过标准化的数据采集步骤来确保数据采集质量，以生成高质量的整体油箱三维模型，并最终实现高精的尺寸检测。
Description
技术领域
本发明属于螺栓封包质量检测领域，具体涉及一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统。
背景技术
飞机整体油箱是油密区域，是飞机结构密封中要求最严格的部位，其良好的密封性是实现“安全、经济、舒适、环保”目标的必然要求。而事实上，目前在型号研制中整体油箱的泄漏情况反复出现，导致制造时的气密试验和油密试验周期远高于同类竞争机型，这一问题已形成系统性风险，如果得不到彻底解决，将对飞机安全构成重大隐患。因此，高效可靠的油箱螺栓封包检测系统的应用，是保证油箱密封的重要手段。
由于油箱密封部位多、空间狭小，国内的螺栓封包质量检测基本还是依靠人工目视来进行，不仅可靠性差、效率低，实现起来也很困难。故而，采用一种高效、无损、自动化的方式来实现油密密封的质量检测，对于提高生产效率和密封的可靠性就显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，用以提高整体油箱螺栓封包的检测效率和可靠性，避免密封过程中漏涂、尺寸不足和表面质量缺陷，从而在制造阶段就避免大量潜在的密封问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，包括主体框架、转轴、数据采集装置、驱动装置和控制系统；所述数据采集装置通过转轴安装于主体框架的一侧，用于采集整体油箱的点云数据、图像数据和惯导数据；所述转轴通过支撑机构固定于主体框架的一端，并与设置在主体框架上的驱动装置相连接，驱动装置用于驱动转轴并带动固定在转轴末端的数据采集装置转动，以实现沿转轴轴线方向的环形扫描，完成对整体油箱的数据采集工作；所述控制系统安装于主体框架中，用于向驱动装置和数据采集装置发送控制指令，并对数据采集装置获取的数据进行存储和处理，通过生成的整体油箱的实测模型来对螺栓封包进行分割和尺寸计算。
进一步地，所述数据采集装置通过卡紧装置套接固定在转轴末端，数据采集装置包括结构光扫描仪、工业相机和惯性传感器；所述结构光扫描仪包括固定在卡紧装置下侧支撑板上的灰度相机和结构光投射装置，用于采集整体油箱壁板的三维数据；所述工业相机和惯性传感器固定在卡紧装置的上侧支撑板上，共同组成一套视觉-惯性里程计，用于对结构光扫描仪进行三维空间定位。
进一步地，所述支撑机构包括两个环形轴承和两个轴承卡板，转轴靠近主体框架的一端依次穿过两个轴承卡板中的环形轴承，轴承卡板与主体框架固定连接。
进一步地，所述驱动装置包括减速机、步进电机和控制器，转轴靠近主体框架的一端通过减速机与步进电机连接，控制器用于根据控制系统的控制指令对步进电机进行转速控制。
进一步地，所述主体框架上设置有若干集线器，用于收纳固定检测系统的数据线，主体框架下端的支撑脚上均安装有橡胶垫，以防止作业时划伤整体油箱的下壁板。
一种基于上述检测系统的螺栓封包尺寸检测方法，包括以下步骤：
S1、预先对工业相机和惯性传感器进行外参标定；
S2、预先对灰度相机和结构光扫描仪进行外参标定；
S3、标定完成后将所述检测系统放入飞机整体油箱内部进行扫描作业，以获取整体油箱的点云数据；
S4、扫描作业完成后，控制系统根据初始测量位置和点云数据生成整体油箱的实测模型；
S5、将整体油箱的实测模型与设计模型进行配准，并以设计模型上的螺栓位置为先验，进行螺栓封包分割；
S6、根据分割后的螺栓封包点云数据，计算分包尺寸。
进一步地，步骤S1中，首先使用Kalibr工具箱分别计算工业相机内参和惯性传感器内参，然后对工业相机和惯性传感器进行联合标定；对相机标定以确定其畸变系数、内参矩阵和矫正矩阵，对惯性传感器标定以得到陀螺仪漂移和加速度计测量误差。
进一步地，步骤S3中，在进行扫描作业时，启动控制系统后，
首先运行电机控制程序进行电机初始化并回归零点位置；
然后运行视觉-惯性里程计定位程序进行初始化，具体操作为：手持整个检测系统，让相机面向待测物件表面，然后沿左右方向及上下方向来回平移三次，将获取到的初始图像帧三维空间坐标和惯性传感器测量得到的物理尺度信息进行融合，得到以米制尺度为标准的系统空间坐标；
接着运行结构光扫描仪数据采集程序，进行单站位扫描，该程序会固定以一定转角间隔驱动步进电机旋转，当步进电机每次绕轴转动一个转角间隔后会触发结构光扫描仪进行一次数据采集，直到步进电机完成绕轴一圈的数据采集工作后停止；
沿转轴轴线方向移动检测系统以进行换站，换到新的站位后，重复上述单站位扫描，直到检测系统遍历整个整体油箱。
进一步地，步骤S4中，首先将结构光扫描仪采集到的点云数据转换到视觉-惯性里程计的坐标系下，实现点云数据的初始对齐；然后以初始测量位置为先验约束，采用ICP方法进行点云数据精配准，得到相对变换矩阵；最后采用图优化方法，以三维点云数据和对应的相对变换矩阵为输入，对精配准过程中产生的配准误差、累计误差进行优化，以生成整体油箱的实测模型。
进一步地，步骤S5～S6中，
首先将整体油箱的实测模型和设计模型进行配准，获取两者之间的空间转换矩阵；
然后将整体油箱的实测模型转换到设计模型的空间坐标系中；
接着以设计模型中单个螺栓的坐标为中心，将实测模型中半径为d的球形区域中的点云数据作为对应螺栓的封包点云分割出来；
最后通过人工点选的方式测量螺栓表面点云到对应的封包点云数据的距离，获取封包尺寸，对不符合密封尺寸要求的封包进行识别，以引导工人进行修复或重新涂装密封剂。
相比于现有方法，本发明具有如下有益效果：
(1)提高了飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测作业的标准化程度；
(2)采用半自动化的作业方式提升了结构光扫描设备的作业效率；
(3)通过视觉-惯性传感器提供的初始位置进行配准及重建，保证了整体油箱实测模型的高精度；
(4)本发明系统设计紧凑、结构简单且适应性强，可维护性好，成本可控；
(5)本发明系统易于部署和使用，并能够扩展至飞机其它部位的螺栓封包检测，最大限度保障飞机整机的安全性及可靠性。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统的多角度视图；
图3为本发明系统的作业流程图；
其中，1-结构光扫描仪，2-灰度相机，3-结构光投射装置，4-工业相机，5-惯性传感器，6-1-下侧支撑板，6-2-上侧支撑板，7-螺栓，8-卡紧装置，9-转轴，10-环形轴承，11-轴承卡板，12-减速机，13-步进电机，14-控制器，15-主体框架，16-工控机，17-橡胶垫，18-集线器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，包括：结构光扫描仪1，用于采集整体油箱壁板三维数据，其主要由一个高分辨率灰度相机2和一个结构光投射装置3共同组成；工业相机4和惯性传感器5通过粘接的方式固定于上侧支撑板6-2，其共同组成了一套视觉-惯性里程计，可用于对结构光扫描仪进行三维空间定位；上侧支撑板6-2通过螺栓7固定在卡紧装置8上端；卡紧装置8下端同样也通过螺栓7和结构光扫描仪1进行固定。当结构光扫描仪1、工业相机4、惯性传感器5固定好之后，需要对其分别进行外参标定，以实现三个传感器之间的坐标系转换。卡紧装置8通过套接的方式和转轴9进行连接；转轴9通过两个环形轴承10及两个轴承卡板11组成的装置作为支撑机构，共同固定于主体框架15一端；转轴9的一端和减速机12连接，减速机12和步进电机13连接，步进电机13通过控制器14进行转速控制；步进电机13及其控制器14均固定于主体框架15上；一台一体式工控机16嵌入到主体框架中，用于向电机控制器发送控制命令，带动转轴9进行360度旋转，以驱动转轴末端的设备进行全方位数据采集。
一方面，一体式工控机16可对结构光扫描仪1、工业相机4、惯性传感器5进行触发控制并进行数据存储。其中，工业相机4和惯性传感器5组成的视觉-惯性里程计采用硬件触发的方式来实现数据同步，即以工业相机4的采集频率为基准，在采集图像帧的同时触发惯性传感器数据记录。视觉-惯性里程计和结构光扫描仪1在硬件和软件上为两套独立运行的系统，分别用于获取数据采集系统的三维空间位姿和待测物件的表面三维数据。另一方面，一体式工控机16可通过算法及程序来实现系统初始化、数据预处理及拼接、视觉-惯性里程计等功能，生成整体油箱实测模型，并以其设计模型为先验信息来对螺栓封包进行分割和相应的尺寸计算。主体框架15上端装有集线器18，可对不同传感器的数据线进行捆绑固定；主体框架15下端的支撑脚上均装有橡胶垫17，以避免在整体油箱进行数据采集作业时划伤或刮伤油箱下壁板。
如图3所示，本发明提出的螺栓封包尺寸检测系统通过结构光扫描仪、工业相机、惯性传感器来分别获取点云数据、图像数据、惯导数据。其中，采集到的图像数据和惯导数据被作为VINS算法的输入以提供结构光扫描仪的三维空间位置。其次，以VINS算法的输出作为初始位置来对单帧点云数据进行初始对齐，在此基础上进一步对点云进行精配准，最后通过多视角优化来生成高质量的整体油箱实测模型。
具体的，基于所述检测系统的螺栓封包尺寸检测方法，主要包括以下步骤：
在进行扫描作业前，预先对工业相机和惯性传感器进行外参标定。此处使用Kalibr工具箱分别计算相机内参、惯性传感器内参，然后对相机与惯性传感器进行联合标定。对相机标定以确定其畸变系数、内参矩阵，矫正矩阵等。对惯性传感器标定以得到陀螺仪漂移和加速度计测量误差等参数。对相机与惯性传感器进行联合标定时，需要在相机视野中固定棋盘格标定板，然后移动相机分别进行俯仰，横滚，偏航绕轴转动三次；前进，后退，上下移动，左右移动各三次；随机动作(如：划8字的运动)若干等。
预先对灰度相机和结构光扫描仪进行外参标定。此处使用MATLAB工具箱对多相机进行标定，具体的操作流程和工业相机的标定一致，计算结构光扫描仪的的内参数矩阵及畸变参数，然后对双相机的外参，即旋转矩和平移矩阵进行求解。
标定完成后将该检测系统放入飞机整体油箱内部进行扫描作业。在进行扫描作业时：
首先打开总电源，运行电机控制程序进行电机初始化并回归零点位置。
然后运行视觉-惯性里程计定位程序进行初始化，具体操作为：手持整个系统，让相机面向待测物件表面，然后沿左右方向及上下方向来回平移三次，将获取到的初始图像帧三维空间坐标和惯性传感器测量得到的物理尺度信息进行融合，得到以米制尺度为标准的系统空间坐标。初始化完成后，工业相机和惯性传感器会分别以20Hz和200Hz的频率一直获取实时数据流，直至主动结束扫描进程。
接着进行单站位扫描：运行结构光扫描仪数据采集程序，该程序会固定以18度为转角间隔驱动步进电机旋转，当电机每次绕轴转动18度并停止后，会触发结构光扫描仪进行数据采集(数据采集周期一般在3-5秒左右)，直到电机完成360度旋转，即完成绕转轴一圈的数据采集工作后停止。注：视觉-惯性里程计可在系统运动过程中进行数据采集，结构光扫描仪需要在系统静置的情况下进行数据采集。
最后进行多站位扫描：手动沿转轴轴线方向搬动该检测系统以进行换站，每站之间的间隔不超过0.5米。当换到新的站位后，重复单站位扫描，直到该检测系统遍历整个整体油箱。
完成整体油箱数据采集后，通过上述标定获取的视觉里程计和结构光扫描仪外参矩阵，可将结构光扫描仪采集到的对应的单帧点云数据转换到视觉里程计坐标系下，即实现点云数据的初始对齐。以初始位置为先验约束，采用ICP方法对两两之间的点云数据进行精配准，得到相对变换矩阵。最后采用图优化方法，以三维点云数据和对应的相对变换矩阵为输入，对精配准过程中产生的配准误差、累计误差进行优化，以生成高质量的整体油箱的实测点云数据模型。
将整体油箱的实测数据和设计模型进行配准，获取两者之间的空间转换矩阵，然后将整体油箱实测点云转换到设计模型的空间坐标系，即将实测数据对齐到设计模型。此时，可从设计模型获取螺栓的三维坐标，以单个螺栓的三维坐标为中心，取一个半径为d的球形(注：d一般取螺栓物理高度的1.5倍)，从而将单个螺栓对应的封包点云数据分割出来。根据分割出来的点云数据可通过人工点选的方式测量螺栓表面点云到封包点云的距离，即，对封包数据进行尺寸计算。对比封包设计要求，可对不符合密封尺寸要求的封包进行识别，以引导工人进行修复或者重新涂装密封剂，从而在制造阶段就避免大量潜在的密封问题，以降低飞机气密试验的成本。
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。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
Claims (10)
1.一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，其特征在于，包括主体框架(15)、转轴(9)、数据采集装置、驱动装置和控制系统；所述数据采集装置通过转轴(9)安装于主体框架(15)的一侧，用于采集整体油箱的点云数据、图像数据和惯导数据；所述转轴(9)通过支撑机构固定于主体框架(15)的一端，并与设置在主体框架(15)上的驱动装置相连接，驱动装置用于驱动转轴(9)并带动固定在转轴末端的数据采集装置转动，以实现沿转轴轴线方向的环形扫描，完成对整体油箱的数据采集工作；所述控制系统安装于主体框架(15)中，用于向驱动装置和数据采集装置发送控制指令，并对数据采集装置获取的数据进行存储和处理，通过生成的整体油箱的实测模型来对螺栓封包进行分割和尺寸计算。
2.如权利要求1所述的一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，其特征在于，所述数据采集装置通过卡紧装置(8)套接固定在转轴(9)末端，数据采集装置包括结构光扫描仪(1)、工业相机(4)和惯性传感器(5)；所述结构光扫描仪(1)包括固定在卡紧装置(8)下侧支撑板(6-1)上的灰度相机(2)和结构光投射装置(3)，用于采集整体油箱壁板的三维数据；所述工业相机(4)和惯性传感器(5)固定在卡紧装置(8)的上侧支撑板(6-2)上，共同组成一套视觉-惯性里程计，用于对结构光扫描仪(1)进行三维空间定位。
3.如权利要求1所述的一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，其特征在于，所述支撑机构包括两个环形轴承(10)和两个轴承卡板(11)，转轴(9)靠近主体框架(15)的一端依次穿过两个轴承卡板(11)中的环形轴承(10)，轴承卡板(11)与主体框架(15)固定连接。
4.如权利要求1所述的一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，其特征在于，所述驱动装置包括减速机(12)、步进电机(13)和控制器(14)，转轴(9)靠近主体框架(15)的一端通过减速机(12)与步进电机(13)连接，控制器(14)用于根据控制系统的控制指令对步进电机(13)进行转速控制。
5.如权利要求1所述的一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统，其特征在于，所述主体框架(15)上设置有若干集线器(18)，用于收纳固定检测系统的数据线，主体框架(15)下端的支撑脚上均安装有橡胶垫(17)，以防止作业时划伤整体油箱的下壁板。
6.一种基于上述任一权利要求所述检测系统的螺栓封包尺寸检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预先对工业相机和惯性传感器进行外参标定；
S2、预先对灰度相机和结构光扫描仪进行外参标定；
S3、标定完成后将所述检测系统放入飞机整体油箱内部进行扫描作业，以获取整体油箱的点云数据；
S4、扫描作业完成后，控制系统根据初始测量位置和点云数据生成整体油箱的实测模型；
S5、将整体油箱的实测模型与设计模型进行配准，并以设计模型上的螺栓位置为先验，进行螺栓封包分割；
S6、根据分割后的螺栓封包点云数据，计算分包尺寸。
7.如权利要求6所述的螺栓封包尺寸检测方法，其特征在于，步骤S1中，首先使用Kalibr工具箱分别计算工业相机内参和惯性传感器内参，然后对工业相机和惯性传感器进行联合标定；对相机标定以确定其畸变系数、内参矩阵和矫正矩阵，对惯性传感器标定以得到陀螺仪漂移和加速度计测量误差。
8.如权利要求6所述的螺栓封包尺寸检测方法，其特征在于，步骤S3中，在进行扫描作业时，启动控制系统后，
首先运行电机控制程序进行电机初始化并回归零点位置；
然后运行视觉-惯性里程计定位程序进行初始化，具体操作为：手持整个检测系统，让相机面向待测物件表面，然后沿左右方向及上下方向来回平移三次，将获取到的初始图像帧三维空间坐标和惯性传感器测量得到的物理尺度信息进行融合，得到以米制尺度为标准的系统空间坐标；
接着运行结构光扫描仪数据采集程序，进行单站位扫描，该程序会固定以一定转角间隔驱动步进电机旋转，当步进电机每次绕轴转动一个转角间隔后会触发结构光扫描仪进行一次数据采集，直到步进电机完成绕轴一圈的数据采集工作后停止；
沿转轴轴线方向移动检测系统以进行换站，换到新的站位后，重复上述单站位扫描，直到检测系统遍历整个整体油箱。
9.如权利要求6所述的螺栓封包尺寸检测方法，其特征在于，步骤S4中，首先将结构光扫描仪采集到的点云数据转换到视觉-惯性里程计的坐标系下，实现点云数据的初始对齐；然后以初始测量位置为先验约束，采用ICP方法进行点云数据精配准，得到相对变换矩阵；最后采用图优化方法，以三维点云数据和对应的相对变换矩阵为输入，对精配准过程中产生的配准误差、累计误差进行优化，以生成整体油箱的实测模型。
10.如权利要求6所述的螺栓封包尺寸检测方法，其特征在于，步骤S5～S6中，
首先将整体油箱的实测模型和设计模型进行配准，获取两者之间的空间转换矩阵；
然后将整体油箱的实测模型转换到设计模型的空间坐标系中；
接着以设计模型中单个螺栓的坐标为中心，将实测模型中半径为d的球形区域中的点云数据作为对应螺栓的封包点云分割出来；
最后通过人工点选的方式测量螺栓表面点云到对应的封包点云数据的距离，获取封包尺寸，对不符合密封尺寸要求的封包进行识别，以引导工人进行修复或重新涂装密封剂。
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| CN202210420959.5A CN114777649A (zh) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114777649A true CN114777649A (zh) | 2022-07-22 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210420959.5A Pending CN114777649A (zh) | 2022-04-21 | 2022-04-21 | 一种飞机整体油箱螺栓封包尺寸检测系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114777649A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115420244A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-12-02 | 南京航空航天大学 | 一种用于飞机整体油箱三维激光测量的标靶工装 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180246210A1 (en) * | 2017-02-27 | 2018-08-30 | Kulzer Gmbh | 3d scanner with accelerometer |
| CN108692661A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-10-23 | 深圳大学 | 基于惯性测量单元的便携式三维测量系统及其测量方法 |
| CN109405756A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-03-01 | 东莞市誉铭新精密技术股份有限公司 | 一种ccd孔径检测机 |
| CN110927172A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-03-27 | 南京航空航天大学 | 一种飞机整体油箱密封胶漏涂在线检测装置及方法 |
| CN110992487A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-04-10 | 南京航空航天大学 | 手持式飞机油箱快速三维地图重建装置及重建方法 |
| CN111551113A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-08-18 | 南京航空航天大学 | 一种大批量航空零件质检方法 |
-
2022
- 2022-04-21 CN CN202210420959.5A patent/CN114777649A/zh active Pending
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