基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法

摘要

一种基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，其特征是在每条扫描线上提取特征点，使用特征点构造直线或B样条曲线来重构边界特征，特征点的提取包括邻域搜索、测量点位置识别、直线拟合与求交三个步骤。在邻域搜索中将点沿扫描线排序，使用B样条曲线插值有序点集，通过曲率识别面上点和倒角点，使用表面和侧面上的点分别拟合直线，用直线的交点作为特征点。最后将特征点拟合为直线或B样条曲线用于表达蒙皮的边界特征。本发明能提高数控加工的精度和应用程度，从而提高飞机蒙皮装配效率和装配质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机制造技术，尤其是一种飞机蒙皮的制造方法，具体地说是一种基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法。

背景技术

目前，在飞机制造领域，飞机蒙皮在装配时需对边界进行手工修配，从而保证蒙皮间的配合间隙在允许误差范围内，且蒙皮不具备互换性。产生这种现象的原因有：一是蒙皮通过拉伸成形，其边界切割依据为切割样本，首先采用留余量粗切割，然后再留余量精修蒙皮边界；二是，为了实现蒙皮的精确高效切边，飞机制造厂商采用了数控切边工艺，即净边制造工艺，但这种工艺目前普遍做法是仅将部分边进行无余量加工，剩余边仍需留有小余量；三是，飞机蒙皮中，复合材料的比重越来越大，复合材料尺寸稳定性好，但其边界一般不做修配，金属蒙皮与复材蒙皮配合时，需通过修整自身边界以完成与其的配合。

间隙在蒙皮装配中是不容忽视的，间隙的存在严重影响飞机的气动外形和隐身性能。为了解决飞机蒙皮装配间隙，影响飞机气动外形和隐身性能的问题，飞机制造厂商采用未装的蒙皮以装好的蒙皮边界为依据修配，金属蒙皮以复材蒙皮边界为依据修配，蒙皮数控切边时部分净边部分留小余量的装配工艺。

净边制造工艺在一定程度上减少了蒙皮装配时边界的修配量，造成无法实现全边净边的重要原因是缺乏蒙皮实际边界数据，蒙皮实测边界起着检验和加工依据的作用：复材蒙皮的实测边界是与之相配的金属蒙皮边界的切割依据；与通常的机加件不同，蒙皮的薄壁结构导致其在加工时易变形，在机检测才能保证其加工精度。

发明内容

本发明的目的是针对目前蒙皮装配时因缺乏蒙皮实际边界数据，无法实现全边净边加工而影响装配质量以及重构效率不高的问题，发明一种基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，为实现自动高效净边加工提供依据。

本发明的技术方案是：

一种基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)通过测量得到蒙皮的扫描线点云；

(2)在采样点自身所在的扫描线上搜索其邻近点，得到其邻域点集；

(3)根据采样点邻域的几何形状参数确定采样点位于面上还是边界附近；

(4)对边界附近采样点的邻域进行数据预处理，使其与XY坐标平面平行；

(5)将边界附近采样点的邻域分为三部分，即表面点、侧面点和倒角点；

(6)用表面和侧面上点子集拟合两条直线，并求取直线的交点，将交点作为边界特征点，并对特征点进行姿态还原；

(7)用特征点构造直线或B样条曲线，得到被测蒙皮的边界。

所述步骤(2)中采样点的邻域搜索方法如下：

(2-1)排除采样点为扫描线的端点，记到采样点P欧式距离最小的两点为P₁^l和P₁^r，若与的夹角小于设定的阈值θ_c则认定其为端点；

(2-2)对线内点，独立搜索其左右两侧的邻近点，然后合并为邻域，已知P和则可按如下方法获得：计算欧式距离r_s内的全部点，按距离从小到大依次取出点P_i，若与的角度大于设定阈值θ_v，则点P_i即为再用和得依次渐进向前即可依次搜索到点从而得到P右侧邻近点集；左侧邻近点集的获取方法相同，拼接后得到P的邻域：

$R=\{P_{N_l}^l,...,P_1^l,P,P_1^r,...,P_{N_r}^r\}$

(2-3)在两侧搜索过程中，当最新得到的邻近点到采样点的距离大于等于r时，即结束该侧的搜索，进入另一侧搜索或完成搜索。

本发明的邻域搜索采用贪吃蛇模型，沿着左右两个方向单向搜索，设计搜索模型时考虑了数据间隔不均和存在跨越的情况。搜索过程本身就是以采样点为中心，沿着扫描线获取邻近点，因此，搜索过程和排序过程是同时进行的。所述步骤(2-2)中，当扫描线上点分布均匀性好时，r_s设置为2～3倍平均点间距即可，当均匀性较差时，将其设置为典型的最大点间距。

所述步骤(3)中，计算采样点P同其邻域边界点和构成的向量和的夹角，根据夹角是否小于阈值θ来判断采样点是否位于蒙皮边界处；

所述步骤(4)中数据预处理操作如下：

(4-1)用邻域点拟合扫描平面方程ax+by+cz+d＝0，式中a、b、c、d为常数，所建立的误差目标函数为：

$e=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_i^2\to min$

其中，N为邻域中点的数目，d_i为点到平面的投影距离d_i＝|ax_i+by_i+cz_i+d|；

(4-2)利用公式k＝Cn得到坐标变换所需的旋转矩阵C，其中k＝[0,0,1]^T是Z轴单位方向向量，n＝[a,b,c]^T为拟合得到的平面单位法矢；

(4-3)按照公式对邻域点进行旋转，其中，[x_i,y_i,z_i]^T为原始坐标，为旋转后的坐标；

(4-4)将旋转后的点进行投影，投影后的坐标为其中，通过位姿变换，将邻域与XY坐标平面对齐，从而将三维问题转化为平面二维问题，简化了直线拟合模型，降低了B样条拟合计算量。

所述步骤(5)中按照如下方法将边界附近采样点的邻域划分为三个子集：

(5-1)采用三次非均匀B样条曲线插值邻域点，利用规范积累弦长参数化方法对型值点进行参数化，节点矢量U＝[u₀,u₁,…,u_n+k+1]采用定义域两端节点为k+1重的重节点端点条件，即有u₀＝u₁＝…＝u_k＝0和u_n+1＝u_n+2＝…＝u_n+k+1＝1，插值时的边界条件为切矢条件；

(5-2)利用公式计算型值点P_i曲率，其中r^j(u)为样条曲线在参数u处的j阶导矢；

(5-3)依次从邻域中取出点，将其曲率值与设定曲率阈值做比较，若大于曲率阈值则为倒角点，倒角点两侧的点即为表面点和侧面点。用B样条曲线的构造可以采用插值和拟合两种方法，与拟合方法相比，插值方法的节点矢量计算简单，控制顶点通过求解线性方程组得到。

所述步骤(6)采用如下方法获取特征点：

(6-1)使用两面上点子集拟合两条直线，直线方程为ax+by+c＝0，建立的目标误差函数为：

$e=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_i^2\to min$

其中N为邻域中点的数目，d_i为点到直线的投影距离d_i＝|ax_i+by_i+c|；

(6-2)求取直线交点,即该扫描线上的边界特征点,利用公式P＝C^T·P^s将得到的特征点坐标还原至测量坐标系下，其中C^T为矩阵C的转置矩阵，P^s和P分别为特征点还原前后的坐标。

本发明的有益效果：

本发明的基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，用于获取蒙皮的实际边界。蒙皮的实测边界是数控切边工艺的重要输入信息，可提高数控加工的精度和应用程度，从而提高飞机蒙皮装配效率和装配质量。该方法的整个过程通过计算机完成，采用非接触式测量的激光扫描仪获取测量数据，在测量过程中不接触弱刚性的蒙皮，保障了测量可靠性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是测量得到的扫描线点云。

图3是重构得到的蒙皮边界特征。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，包括以下步骤：

(1)测量得到蒙皮的扫描线点云；

(2)在采样点自身所在的扫描线上搜索其邻近点，得到其邻域点集；

(3)根据采样点邻域的几何形状参数确定采样点位于面上还是边界附近；

(4)对边界附近采样点的邻域进行数据预处理，使其与XY坐标平面平行；

(5)将边界附近采样点的邻域分为三个子集，表面点、侧面点和倒角点；

(6)用两面上点子集拟合两条直线，并求取直线的交点，将交点作为边界特征点，并对特征点进行姿态还原；

(7)用特征点构造直线或B样条曲线，得到被测蒙皮的边界。

详述如下：

如图1所示，本发明从扫描线点云中提取蒙皮边界特征的操作流程主要为：首先，使用激光扫描设备获取得到蒙皮边界的扫描线点云；然后搜索采样点的邻域；接着，根据采样点邻域的几何形状参数确定采样点位于面上还是边界附近；对边界附近采样点的邻域进行数据预处理，使其与XY坐标平面平行；接着用平面B样条曲线插值通过邻域点，并计算各点处的曲率；根据邻域中点的曲率大小，将其分为三个子集，表面点、侧面点和倒角点；然后用两面上点子集拟合两条直线，并求取直线的交点；接着将交点还原，得到该条扫描线上的特征点；最后，用所得全部特征点构造直线或B样条曲线，从而得到被测蒙皮的边界线。

图2所示为蒙皮实验件的边界扫描线点云，点间距和线间距为0.075mm和1.5mm，蒙皮厚度为3mm。

所述步骤(2)中采样点的邻域搜索方法如下：

(2-1)排除采样点为扫描线的端点，记到采样点P欧式距离最小的两点为和若与的夹角小于设定的阈值θ_c则认定其为端点；

(2-2)对线内点，独立搜索其左右两侧的邻近点，然后合并为邻域，已知P和则可按如下方法获得：计算欧式距离r_s内的全部点，按距离从小到大依次取出点P_i，若与的角度大于设定阈值θ_v，则点P_i即为再用和得依次渐进向前即可依次搜索到点从而得到P右侧邻近点集。左侧邻近点集的获取方法相同，拼接后得到P的邻域：

$R=\{P_{N_l}^l,...,P_1^l,P,P_1^r,...,P_{N_r}^r\}$

(2-3)在两侧搜索过程中，当最新得到的邻近点到采样点的距离大于等于r时，即结束该侧的搜索，进入另一侧搜索或完成搜索。

$R=\{P_{N_l}^l,...,P_1^l,P,P_1^r,...,P_{N_r}^r\}$

在该实施例中，用于判断采样点是否为端点的角度阈值θ^c＝120°，两侧搜索时的半径r_s＝0.3mm，角度阈值θ_v＝45°，邻域半径r＝2mm。

所述步骤(3)中，计算采样点P同其邻域边界点和构成的向量和的夹角，根据夹角是否小于阈值θ来判断采样点是否位于蒙皮边界处；

在本实施例中，识别采样点位置所用角度阈值θ＝110°。

所述步骤(4)中数据预处理操作如下：

(4-1)用邻域点拟合扫描平面方程ax+by+cz+d＝0，所建立的误差目标函数为

$e=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_i^2\to min$

其中，N为邻域中点的数目，d_i为点到平面的投影距离d_i＝|ax_i+by_i+cz_i+d|。

(4-2)利用公式k＝Cn得到坐标变换所需的旋转矩阵C，其中k＝[0,0,1]^T是Z轴单位方向向量，n＝[a,b,c]^T为拟合得到的平面单位法矢；

(4-3)按照公式对邻域点进行旋转，其中，[x_i,y_i,z_i]^T为原始坐标，为旋转后的坐标；

(4-4)将旋转后的点进行投影，投影后的坐标为其中，

所述步骤(5)中按照如下方法将边界附近采样点的邻域划分为三个子集：

(5-1)采用三次非均匀B样条曲线插值邻域点，利用规范积累弦长参数化方法对型值点进行参数化，节点矢量U＝[u₀,u₁,…,u_n+k+1]采用定义域两端节点为k+1重的重节点端点条件，即有u₀＝u₁＝…＝u_k＝0和u_n+1＝u_n+2＝…＝u_n+k+1＝1，插值时的边界条件为切矢条件；

(5-2)利用公式计算型值点P_i曲率，其中r^j(u)为样条曲线在参数u处的j阶导矢；

(5-3)依次从邻域中取出点，将其曲率值与设定曲率阈值做比较，若大于曲率阈值则为倒角点，倒角点两侧的点即为表面点和侧面点。

所述步骤(6)采用如下方法获取特征点：

(6-1)使用两面上点子集拟合两条直线，直线方程为ax+by+c＝0，建立的目标误差函数为

$e=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_i^2\to min$

其中N为邻域中点的数目，d_i为点到直线的投影距离d_i＝|ax_i+by_i+c|；

(6-2)求取直线交点，即该扫描线上的边界特征点，利用公式P＝C^T·P^s将得到的特征点坐标还原至测量坐标系下，其中C为旋转矩阵，P^s和P分别为特征点还原前后的坐标。

图3所示为所得的蒙皮边界特征。

本发明的蒙皮扫描线点云可以明确识别出各条扫描线，扫描线间的距离为线间距，扫描线上采样点之间的距离称为点间距。扫描线点云通过手持或机床加持激光扫描仪沿蒙皮边界扫描得到。

飞机蒙皮属薄壁结构件，针对其边界特征重构效率不高的问题，本发明的基于扫描线点云的蒙皮边界特征重构方法，考虑了测量点分布不均和微倒角的影响。该方法在每条扫描线上提取特征点，使用特征点构造直线或B样条曲线来重构边界特征。特征点的提取包括邻域搜索、测量点位置识别、直线拟合与求交三个步骤。在邻域搜索中将点沿扫描线排序，使用B样条曲线插值有序点集，通过曲率识别面上点和倒角点，使用表面和侧面上的点分别拟合直线，用直线的交点作为特征点。特征点作为实际边界线的离散点，通过用特征点拟合直线或样条曲线来重构蒙皮的实际边界。

本发明不在现有测量点中寻找特征点，降低了保障特征点精度所需的点云密度且符合了设计意图。利用实测边界线作为数控切边的加工依据和检测依据，可以实现蒙皮全净边，从而大大提高蒙皮装配效率和装配质量。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。