蒙皮表面损伤亚毫米级激光 三维成像检测关键技术

袁山山

项目背景：飞机蒙皮类钣金零件是构建飞机气动外形的重要组成部分，具有尺寸大、种类多、形状复杂、容易变形等特点，其数量约占飞机钣金零件总数的30%。蒙皮零部件在加工和装配过程中，很容易在表面产生划伤、凹陷等损伤。蒙皮类零件的加工质量将直接影响飞机的整体装配精度，是决定飞机整体性能的关键因素之一。采用模胎、样板等人工对比的传统检测方式，其评价精度取决于个人经验，无法获取准确的数字量描述，且效率低下，该方式已不能满足现今飞机检测中高精度、高效率的要求，而采用数字化测量设备及相应的数据处理技术则可以有效弥补传统检测中的不足，迅速便捷且测量精度高。应用逆向重建技术还原其表面形貌特征并进行比对与缺陷分析，从而快速判断飞机蒙皮表面损伤。

    国外数字化测量设备及相关技术的研究起步较早，其数字化测量设备及技术已广泛应用于机械检测领域，特别是在航空企业飞行器装配及零部件检测方面的应用，极大地提高了飞行器的生产效率与制造精度。

    国内在这方面的研究起步较晚，大部分还集中在理论研究上，真正转化为可应用产品的较少。

 

便携式多线激光扫描仪适用于小尺寸零件，如果扫描飞机表面，需要贴标志点，相应工作量增加，拼接后精度不高。自动跟踪扫描仪，配置光学跟踪器，通过光学跟踪器可以建立空间坐标，但对于大部件不同面测量，需要移动光学跟踪器或同时使用多个光学跟踪器，价格昂贵。

 

研究目标：通过基于光学三维重建技术，开展蒙皮表面三维表面特征提取识别技术、表面缺陷检测技术研究，通过机械臂和导轨机构，及单幅扫描、多幅拼接算法的研究，解决无需贴标志点问题，完成具有快速、大幅面、高精度，高可靠性等特点的表面缺陷三维检测系统。

研究内容：基于三维空间成像技术完成民机大幅面蒙皮表面缺陷检测系统总体方案设计、软件开发、三维重建算法的研究；幅面拼接处理算法研究；双目相机内外参标定、系统标定算法研究；表面特征提取技术、表面缺陷检测技术研究。

拟解决的关键技术：

（1）系统方案设计

（2）单幅面三维重建算法

（3）多幅面拼接算法处理

（4）测量头内外参标定、系统标定研究

（5）表面特征识别、分类技术

（6）表面缺陷检测技术

（7）系统集成运动机构引入误差消除

（1）确定民机大幅面蒙皮缺陷检测技术方案

    针对民机大幅面蒙皮亚毫米级缺陷检测所需的大视场和高精度，综合考虑精度、效率及成本，基于光学扫描三维重建描测量系统进行局部面型三维检测，采用拼接技术，借助机械臂+运动平台实现大幅面缺陷三维检测系统。

（2）完成测量头内外参标定算法研究

    完成测量头硬件系统原理样机搭建，采用标准的黑白网格标定板完成测量头内外参标定

（3）完成三维重建算法研究

    通过将光条打到物体表面,采用四步相移法求得相位，通过深度数据获取、预处理、点云配准与融合、生成物体表面等过程，利用三维重建获得物体的三维形貌。

（4）完成单幅面三维重建算法

图中为不同相移不同频率的被高度调制后的图像。

5）完成表面特征识别研究

表面特征点基于笛卡尔坐标系，表面某一点的法线方向，使用曲面重建技术，从获取的点云数据中得到采样点对应的曲面，从点云数据中近似推断表面法线，求一个最小二乘法平面拟合来完成表面特征识别。

（6）完成周边噪点误差消除算法研究

对扫描三维点云数据，使用BaySAC算法对噪声点进行剔除，分析剩余噪声误差种类以及来源，判断关于材质、光线、移动、拟合过程等有可能产生噪声的情况，并分别建立线性,二次函数,三次函数，并由提取三维控制点进行模型参数的解算。通过算法研究消除噪点误差，提供点云质量。

成果：已完成系统原理方案设计、测量头原理样机搭建，三维重建算法、测量头内外参数标定、表面特征提取及识别技术开发。搭建试验测试平台，验证了三维重建算法、参数标定、表面特征提取功能模块，根据实验结果，进一步优化各模块算法。