一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，属于航空制造工程与飞机装配技术领域。本发明专利技术融合了协作机器人技术、机器人协同控制技术、工业摄影测量技术、激光雷达测量技术、结构光测量技术以及激光扫描技术的飞机外形数字化组合测量方法，实现飞机坐标系建立、全机水平测量、全机外形(包括外形面、蒙皮间隙与阶差、活动舵面)的一站式数字化测量，提高了飞机数字化测量的自动化率、测量精度与效率，整合各类测量设备的技术优势。整合各类测量设备的技术优势。整合各类测量设备的技术优势。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法


[0001]本专利技术提供了一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，涉及协作机器人技术、机器人协同控制技术、工业摄影测量技术、激光雷达扫描测量技术、结构光测量技术、激光扫描仪相关技术的飞机外形数字化组合测量方法，能够实现多种型号飞机的全机外形一站式数字化测量，属于航空制造工程与飞机装配


技术介绍

[0002]在当前全球对飞机制造加工精度要求不断提升的大背景下，飞机对全机外形尺寸的要求极为精确，这对于飞机外形的测量手段提出了更高的要求。传统的飞机外形测量方法已无法满足未来飞机对测量的精度要求，数字化集成的测量技术得到快速的发展和应用，尤其是采用数字化测量的方式，不仅可以克服测量次数多而精度低的矛盾，还可以快速获得测量结果，不仅提升制造效率，还很大程度上提高了飞机的装配质量。国外飞机制造企业已经普遍采用基于数字化测量设备进行飞机装配质量控制，均大力投入数字化测量技术，提高了全机外形测量的精度和效率。因此，数字化测量技术成为近年兴起的重要研究方向。
[0003]目前，飞机外形的数字化测量方法主要涉及工业摄影测量、激光扫描与激光雷达技术。传统飞机全机外形的数字化测量主要采用激光扫描仪，在测量前需要利用靶球和靶球座获取基准孔圆心的实际点位信息，进而建立飞机坐标系，在实际测量中由于工作人员的操作失误会造成靶球座与基准孔不能充分相接触，测量得到的点位信息必然存在偏差，拟合出的飞机坐标系存在偏差，通过Polyworks等三维测量软件会显示当前拟合偏差值，一旦偏差值超差，该坐标系将不可使用，因此要分析超差的原因并且按照上述步骤重新建立飞机坐标系，造成时间的浪费。此外，若一次建立飞机坐标系，应通过转站进行测量，势必会造成误差不断积累。因为转站是通过两个站位之间的公共点进行拟合，每转站一次系统自身就会产生一定的拟合偏差；而且转站前后，测量同一个公共点时很可能出现两次获得的公共点的位置存在偏差的情况，同样会对拟合产生影响，如果转站次数过多，将会导致后续测量的数据误差继续增大。原本关键特征的制造精度符合要求，但是由于测量误差过大，导致关键特征的偏差值超差。
[0004]此外，传统飞机全机外形测量自动化程度低，测量人员易造成测量误差，且测量操作时间较长，飞机大部段会因长时间重力作用下发生弹性变形，其中关键特征的实际位置会发生改变，进而产生测量误差。因此，需要大幅度缩短飞机全机外形测量的时长，提高数字化测量的效率。随着测量技术和测量设备的快速发展，多种高效率、高精度的飞机数字化测量技术在飞机制造领域已经开始得到广泛应用。工业测量技术取得较大发展，其相关的仪器设备已普遍应用在国内外许多飞机制造领域，但单一测量设备存在自身的局限性，如激光跟踪仪虽然测量范围大、精度高，但测角精度、测量效率等问题限制了其在复杂部件测量上的应用；工业摄影测量系统携带方便、受环境影响小，但由于标志点离散，对于复杂型面容易遗漏特征信息；激光雷达测量精度高，但是在曲率较大部位，飞机边缘部位的测量效
果较差。单一测量设备与激光跟踪仪组合的测量方式虽然可以完成大尺寸测量，突破测量尺寸的限制，但获得的数据存在偏少或偏多的极端情况。
[0005]为减小飞机全机外形测量飞机坐标系建立过程中的误差，解决单一测量方法无法实现飞机全机外形测量需要，提高飞机全机外形数字化测量的自动化水平与测量效率。本专利技术结合协作机器人技术，通过合理布局不同测量设备，通过任务分配构建测量流程，该飞机全机数字测量场中可针对不同飞机机型进行全机数字化测量，进行测量数据处理，实现多设备数据融合，提高飞机全机外形测量的效率与精度，大幅降低数字化测量成本，真正实现“一场多机型”的飞机全机外形一站式数字化测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术建立包含协作机器人技术、结构光测量技术、工业摄影测量技术、激光雷达扫描测量技术、激光扫描仪技术的飞机外形数字化组合测量方法，实现对飞机全机外形的一站式数字化测量工作。首先通过AGV承载车将飞机推入全机外形测量场中的任意位置，建立工业相机阵解决传统工业摄影测量可测范围小的问题。在测量场内部区域以及边界粘贴适量位置编码点，并在飞机外机身上设置数字化测量参考点，获取飞机测量参考点的位置，实现对飞机空间坐标系中位置的确认，通过激光跟踪仪配合无线无臂测量机(T
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probe)实现飞机从空间坐标系到飞机坐标系的转换，并通过对飞机水平测量点的测量以完成飞机全机水平测量。利用协作机器人携带激光雷达对飞机全机外形进行数字化测量；利用协作机器人协同控制，通过激光扫描仪对飞机全机外形中边缘、大曲率部分进行数字化测量；通过协作机器人携带线结构光测量装置，通过协作机器人协同控制实现对飞机外形中蒙皮接缝部分的间隙与阶差的测量；利用双目相机实现对飞机活动舵面偏转角的测量；飞机下表面利用AGV承载车配合激光雷达设备进行扫描，最终实现对飞机全机外形的一站式数字化测量，提高飞机数字化测量的自动化率、测量精度与效率，整合各类测量设备的技术优势。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：进行基于多相机的飞机全机外形工业摄影数字化测量
[0010]如图1所示，建立柔性飞机全机外形一站式数字化测量场，纵框架A1、A2顶端与横梁A5连接，纵框架A3、A4顶端与横梁A6连接，横梁A5、A6之间连接有横梁A7，在四周纵框架A1、A2、A3、A4上安装适用于工业摄影测量的位置编码点B1～B8，其中B1、B2位于纵框架A1上，B3、B4位于纵框架A2上，B5、B6位于纵框架A3上，B7、B8位于纵框架A4上；在地面安装适用于工业摄影测量的位置编码点B9、B10、B11、B12、B13、B14，保证工业相机C1～C10拍摄的每一张照片中含有3个以上的位置编码点。这些位置编码点是负责在摄影测量过程中定义空间坐标系，多台工业相机通过识别位置编码点并用于得到飞机全机的空间绝对位置信息，将工业相机C1、C3、C4、C6分别布设在A1、A2、A3、A4顶端，将工业相机C2、C5分别布设在带滑轨横梁A5、A6的水平中心位置，将工业相机C7、C8、C9、C10分别布设在A1、A2、A3、A4底端。将激光跟踪仪D1安装在AGV承载车J5上，通过人工使用T
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probe手持式测头D2实现对关键特征采集点的测量，通过C1～C10组成的工业相机矩阵完成关键特征采集点坐标的获取，完成飞机在空间坐标系转换至飞机坐标系。
[0011]步骤2：进行基于工业摄影、激光雷达、激光扫描的飞机全机外形数字化融合测量
[0012]工业摄影测量方法虽然测量范围大、效率高，但不适用于复杂型面测量。因此，本专利技术建立工业摄影、激光雷达、激光扫描的数字化组合测量方法，完成飞机全机外形上表面的数字化测量。在飞机全机外形上表面的测量过程中，首先利用激光投影设备E1、E2、E3、E4，E1、E2、E3、E4分别设于A1、A2、A3、A4顶端，将标记点阵列投影到飞机的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：进行基于多相机的飞机全机外形工业摄影数字化测量；步骤2：进行基于工业摄影、激光雷达、激光扫描的飞机全机外形数字化融合测量；步骤3：融合激光雷达与激光扫描飞机全机外形数字化测量数据；步骤4：基于图的层级优化配准算法进行激光扫描数据的融合处理；步骤5：进行基于汇聚式双目视觉摄影的飞机活动舵面数字化测量。2.根据权利要求1所述的一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，其特征在于，所述步骤1的具体测量方法为：建立柔性飞机全机外形一站式数字化测量场，纵框架A1、A2顶端与横梁A5连接，纵框架A3、A4顶端与横梁A6连接，横梁A5、A6之间连接有横梁A7，在四周纵框架A1、A2、A3、A4上安装适用于工业摄影测量的位置编码点B1～B8，其中B1、B2位于纵框架A1上，B3、B4位于纵框架A2上，B5、B6位于纵框架A3上，B7、B8位于纵框架A4上；在地面安装适用于工业摄影测量的位置编码点B9～B14，保证工业相机C1～C10拍摄的每一张照片中含有3个以上的位置编码点；将工业相机C1、C3、C4、C6分别布设在A1、A2、A3、A4顶端，将工业相机C2、C5分别布设在带滑轨横梁A5、A6的水平中心位置，将工业相机C7、C8、C9、C10分别布设在A1、A2、A3、A4底端；将激光跟踪仪D1安装在AGV承载车J5上，通过人工使用T
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probe手持式测头D2实现对关键特征采集点的测量，通过C1～C10组成的工业相机矩阵完成关键特征采集点坐标的获取，完成飞机在空间坐标系转换至飞机坐标系。3.根据权利要求1或2所述的一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，其特征在于，所述步骤2的具体测量方法为：在飞机全机外形上表面的测量过程中，首先利用激光投影设备E1～E4，E1、E2、E3、E4分别设于A1、A2、A3、A4顶端，将标记点阵列投影到飞机的机身上表面，利用多相机的工业摄影数字化测量系统对飞机上表面标记点阵列进行摄影测量；利用激光投影设备E5～E8，E5、E6、E7、E8分别设于A1、A2、A3、A4底端，将标记点阵列投影到飞机的机身下表面，利用多相机的工业摄影数字化测量系统对飞机下表面标记点阵列进行摄影测量；接下来将激光扫描仪F1安装在协作机器人G1末端，激光雷达H1、H2分别安装在协作机器人G2、G3末端，协作机器人G1、G2、G3分别安装于AGV承载车J1、J2、J3上，操控协作机器人G1、G2、G3按照规划轨迹完成飞机下表面的扫描测量；将结构光三维扫描仪F2安装在协作机器人G4末端，G4安装在AGV承载车J4上，实现针对飞机外蒙皮间隙与阶差的测量；将协作机器人G5反向安装于带滑轨的横梁A7上，激光雷达H3安装在协作机器人G5末端，按照规划轨迹完成飞机上表面的扫描测量。4.根据权利要求1或2所述的一种柔性飞机全机外形一站式数字化测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法为：在混合数字化测量过程中，数据融合采用四元数法，建立四元数参数求解模型：式中：s为比例系数，R为旋转矩阵；T为平移向量；i为测量所在站位数；转换为四元数形
式：式中其中q0，q1，q2，q3为旋转矩阵R的参数；t1，t2，t3为平移向量T的参数；可以实现激光雷达站位间数据融合；激光雷达作为一种球坐标系的测量系统，通过轴角编码器测出其方位角以及俯仰角，被测量点M的坐标为：式中：R为测量距离；θ
A
为测量水平角；θ
E
为测量俯仰角；因为激光雷达所测得点的空间距离、方位角、俯仰角的误差分布属于正态分布，因此确定测量点的空间不确定度为：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韦男，刘哲，刘明刚，王雪，孙智源，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：