基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统及方法与流程

1.本发明涉及飞机检测技术领域，具体地，涉及一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统及方法。


背景技术：

2.飞机水平测量是利用水平测量点来对飞机各个部件相对位置、部件安装质量及其在使用过程中变形情况的检查确认。目前，飞机水平测量工作使用的测量工具包括水平仪、光学经纬仪、全站仪、激光跟踪仪等，传统飞机水平测量方法是采用水平仪、光学经纬仪对水平点进行测量。该方法采用人工读数、记录和手工计算，需对飞机调整水平状态，测量过程复杂、人为误差大、自动化程度低。
3.经过检索发现：
4.公开号为cn111561867a的中国发明专利，公开了一种飞机表面形貌数字化测量方法，首先架设一个覆盖待测飞机的测量区域的多相机系统；然后使用标定工具对多相机系统进行标定，从而计算出多相机系统中各相机的位姿；接着使用光学投点器，将靶标点投射到待测飞机的表面上，通过多相机系统对待测飞机拍摄图像，然后通过所拍摄的图像计算出待测飞机的表面上靶标点的三维空间坐标，完成飞机表面形貌的测量。本发明通过多相机系统，实现了大范围，且表面复杂的飞机形貌的数字化测量。但是该方法仍然存在如下问题：
5.需使用光学投点器将靶标点投射到飞机待测表面上，增加系统硬件成本且操作复杂，无法实现对多个测量点或者多个目标的三维位姿动态跟踪测量。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统及方法，具有空间测量精度高、测量速度快的优点。
7.根据本发明的一个方面，提供一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统，包括多台相机、测量模块、控制模块、定向基准尺、测量标志单点和测量编码点；
8.所述定向基准尺用于提供定向和基准长度；所述测量标志单点和所述测量编码点设于所述定向基准尺的两端，所述测量标志单点和所述测量编码点用于建立测量控制场；
9.所述相机和所述测量模块分别与所述控制模块连接，所述相机用于获取被测工件的多张图像，所述图像中包含所述定向基准尺、所述测量标志单点和所述测量编码点；所述控制模块用于控制多台相机同时拍摄图像；所述测量模块用于对所述图像分析处理得到待测点的三维坐标，并对所述三维坐标进行分析获得相对位置与姿态的关系。
10.优选地，所述图像分析处理依次包括：图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会和光束平差。
11.优选地，还包括显示模块，所述显示模块与所述测量模块连接。
12.根据本发明的另一方面，提供一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测方
法，基于上述的基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统实现，包括：
13.根据测量需求架设相机；
14.利用测量标志单点和测量编码点在机身表面形成测量控制场，对所述测量控制场进行测量，建立基准坐标系；
15.根据所述基准坐标系对多个相机进行整体标定后，利用相机在不同的位置和方向获取被测工件的多张图像；
16.对多张所述图像依次进行图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会及光束平差处理，得到测量点的三维坐标，并对所述三维坐标进行数据分析，确定相对位置与姿态的关系。
17.优选地，根据测量需求架设相机，包括：利用测量编码点和定向基准尺，采用后方交会原理，确定多台相机的位置姿态。
18.优选地，在确定相对位置与姿态的关系之后，还包括：将所述相对位置与姿态的的关系在显示模块上显示。
19.与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
20.1、本发明的检测系统及方法，在测量过程中，不需要接触待测物，可避免因接触导致的人为或者变形误差；
21.2、本发明的检测系统及方法，能够在震动、真空、有毒、高低温等环境下进行测量；
22.3、本发明的检测系统及方法，空间测量精度比较高，达到8μm 8ppm*l，3米范围内测量精度达到0.032mm；
23.4、本发明的检测系统及方法，在保持高测量精度的同时，测量速度快，最高帧速可以达3帧/秒；
24.5、本发明的检测系统及方法，能够实现对多个测量点或者多个目标的三维位姿动态跟踪测量。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
26.图1为本发明实施例的飞机机身位置姿态检测方法的流程示意图；
27.图2为本发明实施例的相机投影几何关系示意图；
28.图3为本发明实施例的测量原理示意图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。需要说明的是，以下实施例中未详细说明的内容，本领域技术人员均可通过现有技术获得。
30.本发明实施例提供一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统，该系统包括多台相机、测量模块、控制模块、定向基准尺、测量标志单点和测量编码点；定向基准尺
用于提供定向和基准长度；测量标志单点和测量编码点设于定向基准尺的两端，测量标志单点和测量编码点用于建立测量控制场；相机和测量模块分别与控制模块连接，相机用于获取被测工件的多张图像，图像中包含定向基准尺、测量标志单点和测量编码点；控制模块用于控制多台相机同时拍摄图像；测量模块用于对图像分析处理得到待测点的三维坐标，并对三维坐标进行分析获得相对位置与姿态的关系。
31.在一个具体的实施方式中，相机可以采用高精度实时测量相机，相机的数量至少为2台，测量模块可以采用实时工业摄影测量系统软件，以多台高精度实时测量相机为主传感器，以测量模块为核心，利用摄影测量编码点和定向基准尺，采用后方交会原理，确定多台相机的位置姿态，然后控制模块控制多台相机实时采集测量图像，再经图像处理，得到摄影测量标志点的三维坐标，根据三维坐标进行数据分析，从而获得相对位置与姿态的关系。
32.在一个具体的实施方式中，图像分析处理依次包括：图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会和光束平差。
33.在一个具体的实施方式中，相机主要由相机机身与相机光源组成，定向基准尺整体材料为低膨胀系数的碳纤维材料，主要作用为测量系统进行定向尺定向，并提供基准长度。定向基准尺的两端为测量编码标志点，测量标志点分为测量标志单点和测量编码点，测量编码点有编号，系统会自动识别测量编码点的编号。
34.本领域技术人员可以理解的是，该飞机机身位置姿态检测系统，还可以包括用于连接的电缆、用于架设相机的三脚架，以及其他的工装，当然，在其他的一些实施例中，还可以包括其他的部件，本发明实施例对此不作具体限定。
35.本发明实施例还提供一种基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测方法，该方法基于上述实施例的基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测系统实现，如图1所示，该方法包括：
36.s1、根据测量需求架设相机；
37.具体地，利用测量编码点和定向基准尺，采用后方交会原理，确定多台相机的位置姿态。
38.s2、利用测量标志单点和测量编码点在机身表面形成测量控制场，对测量控制场进行测量，建立基准坐标系；
39.具体地，测量控制场布设在机身表面，测量控制场中的控制点由测量标志单点和测量编码点组成，这些测量标志单点和测量编码点以一定的密度布设在机身表面从而形成测量控制场。测量控制场主要作用包括：为飞机水平检测的多相机提供标定基准，以及为全机逆向扫描测量提供基准。
40.s3、根据基准坐标系对多个相机进行整体标定后，利用相机在不同的位置和方向获取被测工件的多张图像；
41.s4、对多张图像依次进行图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会及光束平差处理，得到测量点的三维坐标，并对三维坐标进行数据分析，确定相对位置与姿态的关系。
42.在一个具体的实施方式中，摄影测量为采用高分辨率的测量相机，通过在不同的位置和方向获取被测工件两幅或多幅数字图像，经图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会及光束平差后得到待测点的三维坐标，物理原理为小孔成像，如图2所示。
[0043][0044][0045][0046]
由上面的公式，已知物方点可以求出像点，从而可以通过多视角二维图像恢复三维信息，如图3所示。
[0047]
在一个具体的实施方式中，在确定相对位置与姿态的关系之后，还包括：将相对位置与姿态的的关系在显示模块上显示。
[0048]
以下对于本发明的基于视觉空间定位的飞机机身位置姿态检测方法利用实施例进行更加详细的说明。
[0049]
实施例1
[0050]
在实施整机测量过程中，将整机模型导入测量模块中，并通过测量模块规划各特征项的检测流程，在显示模块上逐步骤提示出待测特征项、已测特征项，以及测量结果相关的数据评价，操作人员按照显示模块的提示即可逐步完成水平测量的全过程，可大大降低对测量操作人员的技术水平要求，并提高测量效率。
[0051]
具体地，在距离被测对象2米左右的位置架设相机，以两台相机为例，两台相机之间距离在2米左右。相机通过云台架设在三脚架上，相机通过通讯线缆与控制模块连接，控制模块通过网线与测量模块连接，显示模块与测量模块相连。可以理解的是，通讯线缆和网线的长度均可根据实际需求进行选择，安装有测量模块的终端可以放置在便于使用人员操作的工作台等位置，其中控制模块和测量模块需要连接220v电源进行供电。
[0052]
首先根据测量需求架设相机。测量控制场布设在机身表面，控制点由测量标志单点和测量编码点组成，这些测量标志单点和测量编码点将以一定的密度布设在机身表面从而形成控制场。该测量控制场在系统正式使用前先进行整体标定，标定完成后即可开始测量，所得到的测量数据将传输至测量模块进行分析和处理，最后得到的测量结果将显示在显示模块上。
[0053]
实施例2
[0054]
在实施水平测量过程中，飞机机身由几段矩形舱段或圆柱形舱段连接而成，每个舱段都有水平测量的测量基准，全机水平放置时。其中轴线为全机设计坐标系的x轴(向前为正方向)，过中轴线的水平面为xoy平面，该平面的法线方向为z轴(向上为正)，三坐标轴构成水平测量基准坐标系。
[0055]
为建立水平测量基准坐标系，首先需要在全机表面或特征位置布设由测量标志单点和测量编码点组成的测量标志点，通过测量这些标志点的坐标，拟合出全机轴线以及过中轴线的水平面，从而建立基准坐标系。
[0056]
由于水平测量的特征项目多、通视性差，必须采用多相机与测量笔、工装等实施测量，因此首先必须将多相机系统进行整体标定，并将其测量基准统一到全机水平测量的基
准坐标系中。标定过程只需要启动多相机系统对控制场标志点以及进行基准测量时布设在全机表面的标志点同时拍摄图像，经整体标定后即可将多相机系统统一到水平测量的基准坐标系中。
[0057]
水平测量点是机身加工阶段用专用设备在相应零部件位置上冲点标记。在进行水平测量时，需选择合适的带有摄影测量标志的靶板直接测量水平点的三维坐标，再根据其设计坐标计算水平点的偏差，从而完成水平测量。
[0058]
实施例3
[0059]
在实施角度测量过程中，角度测量的特征项主要包括机翼安装角、机翼上反角、机翼扭转角、尾翼安装角、尾翼上反角和安装轴线与机身轴线夹角等。角度测量转化为空间直线与直线的角度、空间平面与平面的角度、空间向量与向量的角度等，因此需要通过测量相应的特征线、面，经过拟合及解算后获得检测值。
[0060]
以机翼安装角为例，通过相机识别机翼上布置的编码点，拟合出机翼翼展平面，计算机翼平面与坐标系xoz平面的夹角即为机翼的安装角。
[0061]
实施例4
[0062]
在实施机身对接测量过程中，要实现机身分段的精确对接，需要通过测量系统进行指导调姿，系统性调整机身分段的位置与姿态，实现高精度的对接。测量过程如下：
[0063]
(1)测量前准备：
[0064]
首先在测量前应清除对接工件上的油污及灰尘，其次在机身上以一定的密度粘贴编码点和靶标点，并设置好基准点，给出基准点设计值或者对接坐标系下的坐标值。
[0065]
(2)单相机拍摄照片
[0066]
待靶标点粘贴完毕后，单相机开始拍摄照片，并导入测量模块自动解算，从而得到测量点三维坐标值。将得到的三维坐标值与基准点做公共点转换，把测量点坐标转换到设计坐标系或者对接安装坐标系下。
[0067]
(3)双相机开始实时监测
[0068]
在测量模块中导入已完成转换的测量点坐标，然后用控制场稳定定向，从而使得双相机在设计坐标系或者对接坐标系下工作，这样便可以开始对接，双相机会实时测量各个测量点的坐标，得到对接工件在设计坐标系或者对接坐标系下的偏差值及偏差方向，同时工人将根据双相机数据实时调整对接姿态。
[0069]
而在测量模块以及显示模块上将实时展示整个测量过程，包括通过编码点进行直线与平面的拟合的过程、长度和角度的计算过程等，让操作人员可以直观的检查测量的每一个步骤，降低对测量操作人员的技术水平要求，从而提高测量效率。
[0070]
本发明的上述实施例，通过将多个相机的测量数据融合，使相机具备大范围的三维测量能力，拍摄得到机身大部件上监测点的精确位置坐标，并通过对飞机安装后各部件的姿态测量检查，能够实现对多个测量点或者多个目标的三维位姿动态跟踪测量，以校验飞机几何外形的准确性、实际轴线与理论的同轴性、部件的安装角度等指标。本发明在测量过程中，不需要接触待测物，可避免因接触导致的人为或者变形误差，还能够在震动、真空、有毒、高低温等环境下进行测量；而且，本发明的空间测量精度比较高，达到8μm 8ppm*l，3米范围内测量精度达到0.032mm，另外，在保持高测量精度的同时，本发明还具有测量速度快的优点，最高帧速可以达3帧/秒。
[0071]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。