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摘要：飛機(jī)表面的制造質(zhì)量將直接影響飛機(jī)的性能，裝配后必須進(jìn)行幾何檢測(cè)。本文提出了一種基于數(shù)字相移的飛機(jī)表面制造質(zhì)量檢測(cè)方法。首先采用數(shù)字相移測(cè)量方法獲取表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。通過圖像邊緣跟蹤和霍夫變換算法，高效地識(shí)別鉚釘區(qū)域，然后映射到空間點(diǎn)云中，實(shí)現(xiàn)鉚釘?shù)亩ㄎ缓蛶缀螠y(cè)量。反向標(biāo)定投影儀的參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)特征信息的可視化標(biāo)注。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文中提出的方法具有較高檢測(cè)精度和效率，具有取代傳統(tǒng)檢測(cè)手段的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字相移；飛機(jī)表面；相位誤差；鉚釘識(shí)別

Abstract: The manufacturing quality of the aircraft surface will directly affect the performance of the aircraft which must be geometrically inspected after assembly. Based on digital phase shift, this paper proposes a inspecting method for the manufacturing quality of aircraft surface. First, the surface point cloud data and image data are acquired by digital phase shift measurement. Through the image edge tracking and Hough transform algorithm, the rivet area is efficiently identified and then mapped into the spatial point cloud to realize the positioning and geometric measurement of the rivet. After the parameters of the projector are reversely calibrated, the visual annotation of the feature information is realized. The experimental results show that the proposed method has superior detection accuracy and efficiency, and has the potential to replace traditional detection methods.

Key words: Digital phase shift; Aircraft surface; Phase error; Rivet identification

1　引言

作為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，飛機(jī)是非常重要的交通和運(yùn)輸工具，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍事領(lǐng)域都具有十分重要的地位。根據(jù)制造工藝，飛機(jī)表面主要是由包圍在機(jī)翼骨架外圍的蒙皮構(gòu)成，其表面制造質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)特性、飛行安全性、飛行成本以及對(duì)隱身性等都具有重大影響^[1~5]。因此，為了保障飛機(jī)的飛行性能，在飛機(jī)裝配制造以及出廠交付時(shí)，需要對(duì)其表面制造質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)。影響飛機(jī)表面制造質(zhì)量的因素主要包括：飛機(jī)翼身對(duì)接面、蒙皮與蒙皮及表面緊固件之間形成的階差，蒙皮表面凹坑與凸起，表面劃痕等損傷^[6~10]。

早期，由于技術(shù)水平的限制，人們主要通過手工觀察、量具測(cè)量等傳統(tǒng)方式對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。這種方法只能單一判斷被測(cè)量是否合格，難以精確地描述零部件的真實(shí)狀態(tài)，且接觸式測(cè)量的速度慢，效率極低。由于沒有合適的工具，某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果受人的主觀因素影響嚴(yán)重，甚至無法測(cè)量。隨著科技的發(fā)展，這種傳統(tǒng)測(cè)量方法顯然難以滿足快速的非接觸式制造需求。因此，迫切需要一種快速、非接觸式、數(shù)字化的飛機(jī)表面制造質(zhì)量檢測(cè)方法。

2　數(shù)字相移原理

本文采用數(shù)據(jù)相移技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面的三維數(shù)據(jù)采集。數(shù)字相移技術(shù)，又叫面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)，是基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量技術(shù)中的一種，是一種非常重要的三維測(cè)量方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)光類型的不同，可將基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量技術(shù)分為三種：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)。根據(jù)相機(jī)個(gè)數(shù)的不同，又可將面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)分為單目面結(jié)構(gòu)光測(cè)量和雙目面結(jié)構(gòu)光測(cè)量。由于面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)一次測(cè)量即可得到整個(gè)幅面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相較于點(diǎn)結(jié)構(gòu)光和線結(jié)構(gòu)光，測(cè)量效率大大提升，并且由于單幅測(cè)量的時(shí)候不需要拼接，因此，在測(cè)量單個(gè)幅面的時(shí)候測(cè)量精度明顯高于點(diǎn)結(jié)構(gòu)光和線結(jié)構(gòu)光。由于單目面結(jié)構(gòu)光測(cè)量精度不如雙目面結(jié)構(gòu)光高，因此，現(xiàn)階段多使用雙目面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)。本文中討論的數(shù)字相移技術(shù)即為雙目面結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)，使用投影裝置向物體表面投射一系列預(yù)先設(shè)計(jì)好的正弦光柵圖像，該圖像經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制后，會(huì)發(fā)生變形，相機(jī)拍攝獲得變形后的光柵圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后求得每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相位，并將其作為立體匹配時(shí)的特征量，根據(jù)三角測(cè)量的原理即可獲得被測(cè)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 特征區(qū)域分析

采用圖像處理的方法提取鉚釘區(qū)域，參見文獻(xiàn)^[11]。從圖像中提取出特征區(qū)域后，需要對(duì)特征區(qū)域?qū)?yīng)的三維點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。對(duì)于鉚釘區(qū)域，需要分析出鉚釘上表面與周邊區(qū)域的相對(duì)距離和鉚釘上表面與周邊區(qū)域的鉚接角度。

假設(shè)鉚釘周邊區(qū)域近似為一平面，如圖1所示，可以在鉚釘內(nèi)外分別取一圈圓環(huán)點(diǎn)，采用RANSAC（Random Sample Consensus）的思想對(duì)這兩圈圓環(huán)點(diǎn)分別進(jìn)行平面擬合。如圖1（b）所示，那么兩平面法向量之間的夾角即為鉚釘鉚接的角度，另外也可求出鉚釘內(nèi)圓環(huán)點(diǎn)相對(duì)于鉚釘外平面的平均距離、最大距離與最小距離。

圖1 鉚釘區(qū)域數(shù)據(jù)分析

4　特征結(jié)果的可視化標(biāo)注

為提高工作效率，使測(cè)量結(jié)果更加直觀，本文采用一種將特征結(jié)果直接投影到被測(cè)件表面的可視化顯示方法，并且投影的檢測(cè)結(jié)果直接和缺陷區(qū)域相對(duì)應(yīng)，避免了操作員需要反復(fù)確認(rèn)的問題。

如2所示，投影信息直接顯示在檢測(cè)區(qū)域附近，在鉚釘表面投射不同的顏色來區(qū)別其相對(duì)于表面高低差的大小，其中紅色表示高低差嚴(yán)重超出范圍，藍(lán)色表示稍微超出誤差范圍，但是仍在容忍的范圍之內(nèi)，綠色表示高低差符合要求。此外，每一個(gè)鉚釘區(qū)域附近，也投影出了其實(shí)際的高低差數(shù)值。

圖2 可視化顯示原理

本方法中的關(guān)鍵是如何將檢測(cè)信息準(zhǔn)確地投影到檢測(cè)區(qū)域。如圖2所示，取被測(cè)件上的點(diǎn)p進(jìn)行分析，其在左右相機(jī)圖像中的投影點(diǎn)分別為pl和pr，根據(jù)雙目標(biāo)定信息，可以求出其在左相機(jī)坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)坐標(biāo)。在投影儀上建立與相機(jī)坐標(biāo)系類似的投影儀坐標(biāo)系，若已知投影儀坐標(biāo)系與左相機(jī)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，則可將點(diǎn)p在左相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到投影儀坐標(biāo)系下，根據(jù)投影儀標(biāo)定的內(nèi)參數(shù)信息，可以求出該點(diǎn)在投影儀圖像平面的投影點(diǎn)pp。如果在pp點(diǎn)設(shè)置投影信息，則該信息將會(huì)被投影儀投射到被測(cè)件上的p點(diǎn)。若已知被測(cè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)上述步驟，求出在投影儀圖像中的相應(yīng)投影坐標(biāo)，在這些坐標(biāo)處設(shè)置該區(qū)域的分析信息，則該信息將會(huì)被投射到相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域，從而完成檢測(cè)信息的可視化顯示過程。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由兩個(gè)工業(yè)相機(jī)、投影儀、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成，并進(jìn)行了輕量化的設(shè)計(jì)，最終開發(fā)出的原型系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 開發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)

相機(jī)通過網(wǎng)線、路由器和圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，DLP投影儀通過USB、HDMI與計(jì)算機(jī)連接。相機(jī)與投影儀通過連接板固定在三腳架上，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的任意調(diào)節(jié)。由于三維測(cè)量時(shí)需要保證左右相機(jī)是同步拍攝的，因此，相機(jī)與投影儀進(jìn)行了硬件連接，當(dāng)投影儀投射光柵圖像后，會(huì)觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行同步拍攝。此外，編寫了系統(tǒng)測(cè)量軟件，具有系統(tǒng)標(biāo)定、三維重建、特征分析、可視化顯示等功能。

為了更加直觀地顯示所提可視化方法的有效性，我們給出了一個(gè)彩色的例子，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可準(zhǔn)確地將檢測(cè)信息投影到被測(cè)件表面，顯示結(jié)果直觀，可大大提高檢測(cè)效率，因此，具有極大的實(shí)用價(jià)值。目前，鉚釘?shù)臋z測(cè)精度可達(dá)+/-0.02mm，平均檢測(cè)時(shí)間為8s。

圖4 可視化顯示結(jié)果 （a）待測(cè)件（b）檢測(cè)結(jié)果投影圖像 （c）檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

在這篇文章中，我們研究了一種基于數(shù)字相移的飛機(jī)表面制造質(zhì)量檢測(cè)方法，被測(cè)特征區(qū)域?yàn)殂T釘。提出了一種基于邊緣跟蹤和霍夫變換的鉚釘提取算法，具有較高的效率。通過點(diǎn)云擬合計(jì)算，可提取鉚釘區(qū)域的特征信息，并使用投影儀將其結(jié)果投影到被測(cè)表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法可以用于飛機(jī)鉚釘?shù)脑诰€檢測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：

夏仁波（1977-），男，貴州遵義人，研究員，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、智能制造。

蘇　潤(rùn)（1994-），男，湖北荊州人，碩士研究生，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，研究方向?yàn)閳D像處理、三維重建。

趙吉賓（1970-），男，山東濟(jì)南人，研究員，博士，博士導(dǎo)師，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，主要研究員方向?yàn)橛?jì)智能制造、機(jī)器人控制；

陳月玲（1987-），女，山西大同人，碩士，助理研究員，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，研究方向?yàn)閳D像處理、三維重建。

付生鵬（1985-），男，山東濟(jì)南人，博士，副研究員，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，主要研究員方向?yàn)橐曈X測(cè)量。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年5月刊