激光测绘系统在试验机改装中的应用研究

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(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

激光测绘系统在试验机改装中的应用研究

刘韶光，范欢欢，范晓龙，许建社

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

在介绍激光测绘系统组成和原理的基础上，根据激光测绘系统扫描得到试验机局部外形的点云数据，应用Geomagic和CATIA逆向设计软件对获取的点云数据进行处理，并对试验机的局部外形进行数字化建模，最终把该曲面数模应用到某次试验机的改装件设计过程中。在试验机改装中应用基于激光跟踪仪的测绘扫描系统对试验机进行数字化建模，对提高试验机的改装效率和安全性具有重要的意义。

激光测绘；试验机；改装；逆向设计

0 引言

飞行试验是飞行器或被试产品在真实大气条件下进行性能试验的重要方法。试验前，需要根据试飞科目和被试产品的要求对试验机进行改装，在改装过程中必须以试验机的局部外形和内部结构为基础，进行改装结构件的数字化设计工作。飞机的外形一般是由光滑过渡的曲面组成，传统的测绘外形曲面的方法有样板采样法和打点采样法等[1]；但是，这些方法存在采点精度低、工作效率低和曲面重构难等缺点。采用基于激光跟踪仪的测绘系统，可以提高飞机外形采集点的精度和效率，为试验机数字化改装提供可靠的设计依据，也可缩短试验机的设计周期。

1 激光测绘系统的组成与原理

1.1 系统的组成

激光测绘系统一般由激光跟踪仪、控制计算机、T-scan(高速手持式扫描仪)、T-CAM(高速照相机)、反射靶球、双绞线、用户计算机和配套软件等组成。

1.2 系统的原理

激光跟踪仪的基本原理是：激光跟踪仪的主机发出的激光对目标反射器(反射靶球)进行跟踪，通过跟踪仪所带的双轴测角系统(俯仰角和旋转角)及激光干涉测距系统，确定靶球球心在球坐标系中的空间坐标。

x=rsinαsinβ
y=rsinαcosβ
z=rcosα

x，y，z为靶球P的坐标；α为方位角；β为俯仰角；r为靶球至原点的半径，如图1所示。

图1 激光跟踪仪测量坐标系

激光测绘系统中的T-scan是一种基于激光三角法的非接触式手持激光扫描测量工具，激光光束通过一个高速旋转的棱镜反射到待扫描的外形曲面上。激光光束被外形曲面反射并被T-scan接收。根据反射表面距离的不同，反射到CCD线性传感器的位置也不同。T-scan在扫描过程中不会对被测面产生影响，其测量精度高，测量速度快，能满足试验机改装对飞机外形曲面重构的要求。

T-scan自身的空间定位系统可以定位扫描仪的空间位置，获取被扫描部位表面的空间采样点的三维坐标，形成点云数据，使试验机的表面数字化，使所有点云处于同一坐标系下。

2 激光测绘系统在试验机改装中的应用

由于试验机经过多次飞行试验，飞机外形在飞行中受到气动载荷的影响，会产生一定的变形。因此，激光测绘系统采集的试验机局部外形点云数据是试验机发生形变后的外形数据，与原机的理论数据有一定的差距。对该点云来说，可根据不同的需求进行具体的曲面模型重构。当需要在试验机局部加装某些设备(如天线、摄像头和传感器等)，以试验机现有的局部外形作为改装设计基础文件时，可以直接用采集的点云数据进行曲面模型重构，这样可以真实地反映局部外形，曲面模型的局部精度较高，便于设计制造的改装件与原机外形具有良好的装配性能；当以飞机理论外形为基础进行大型改装部件(如机头过渡段、雷达罩等)设计时，需重构高质量的曲面模型，而且能与飞机理论外形最接近，便于进行气动计算及风洞试验。

采集的点云数据需要经过格式转换、数据降噪、数据对齐、数据修补、数据抽稀和数据分块等步骤后，才能进行曲面重构工作[2]。应用逆向设计软件(CATIA，Imageware和Geomagic等)对获取的点云进行处理，重构表面外形，以此作为试验机改装结构零件设计的基础依据，设计流程如图2所示。

图2 基于激光测绘系统的曲面重构流程

2.1 点云数据的采集

在进行数据采集时，首先，用激光跟踪仪测量飞机上的标志点，构建全机测量坐标系，目的是单次所采集的局部外形点云数据处于飞机坐标系下；其次，用T-scan进行数据采集，所采集的点云数据都是在测量坐标系下的数值，便于后期曲面数字化模型的重构工作。在采集数据的过程中,要特别注意主要特征(凸起、凹下等)和边界的扫描，以确保数据的准确性和完整性。

2.2 点云数据的处理

数据降噪是为了去除扫描测量过程中产生的噪点。在对试验机进行测绘的过程中，不可避免地会引入噪点数据，这些噪点主要是由于测量设备、环境变化和人工操作等因素变化而引起数据的失真。在试验机测绘中采用的降噪方法主要有2种：

a.直观检测法。通过计算机显示器，将目测的与截面数据点集偏离较大的点、孤点、异常点、与曲面重构无关的多余点等进行剔除。

b.曲率估计法。因为噪点具有较高的局部特性和极端特性，把采集的点云中每一点的纵横比和曲率估计与整体点云的平均值相比较，对点云进行判断、筛选。

数据拼接也称数据对齐，是指被测曲面复杂，需要从多个角度分次扫描测量才能得到整个曲面的数据，这些数据只有在同一坐标系下才能进行曲面的重构工作，这就需要对多次采集的数据进行坐标同一变换，使测绘数据对齐。

在试验机改装过程中，如果对采集的点云数据直接进行处理，过密的点云量不仅对计算机的性能要求很高，而且会降低曲面重构的效率。数据抽稀是在保证扫描精度的前提下，根据试验机外形曲面的重构需求，适当地调整扫描数据量，便于提高曲面的质量和重构效率；数据分块是指对于复杂曲面所采集的点云进行分块处理，分块进行曲面构造，最后拼合和缝合成原始曲面的过程。

2.3 构造曲线的创建

曲线是构造曲面的前提，构建曲线的点必须选择得合理恰当，才能使构造的曲线既光顺又满足精度的要求。在构造曲面之前，通过拟合、逼近和优化的方法生成高质量曲线，再根据不同的控制条件由曲线生成最终的理想曲面。通过分析曲线的曲率分布，采用曲线光顺的手段，确保生成的曲线具有一致的凸凹性，没有多余的拐点，满足曲线变化均匀的要求。

2.4 曲面的重构

CATIA可以通过多截面过渡、填充、桥接、拼接和缝合等简单的操作，完成被测曲面的重构工作[3]。为了更好地反映被测绘试验机的局部外形，根据结构设计的要求构造曲面，以该曲面作为试验机改装设计的基础文件。由曲线重构的外形曲面，根据具体改装设计情况确定生成曲面的类型，使用CATIA软件平台Deviation Analysis工具，进行飞机曲面部分区域及外形曲面与点云数据的误差分析。通过编辑和调整曲面，满足后期试验机改装结构设计对曲面质量的要求。

检测曲面和点云重合精度的方法是误差分析。在曲面拟合中，可以利用测量点的参数直接算出测量点的误差，也可以用一定数量测量点的最大拟合偏差、最小拟合偏差和标准差来评价曲面对数据点的拟合程度，还可以用平均误差来评价曲面的逼近程度[4]。在实际工作中，平均偏差是评价曲面与点云重合度的最重要指标。

2.5 基于重构曲面的改装件设计

某型试验机由于飞行试验要求，需要在该飞机的机身外部加改装某被试产品，要求改装件与原机蒙皮接触良好并具有足够的强度。被试产品安装部位的曲面外形是进行改装部位结构数字化设计的基础，为了获取该处曲面外形，使用基于激光跟踪仪的测绘系统对该部位进行测绘，应用CATIA软件逆向设计模块对获取的点云进行曲面拟合，构建飞机局部外形三维数字化模型，其改装流程如图3所示。

图3 基于激光测绘系统的试验机改装流程

根据被试产品安装要求，在CATIA三维设计软件中，以该重构曲面为基础，考虑该蒙皮曲面的实际厚度，通过机械设计模块完成加装设备的改装零部件设计工作。设计的法兰盘表面与原机蒙皮曲面具有良好的装配性能，能够与试验机改装部位的外形紧密接触，使连接件的受力情况均匀分布，避免了应力集中现象，具有很好的加强和固定被试设备的作用，减轻了后续施工过程中需要现场修配以保证安装精度的问题，提高了试验机改装效率。改装件的设计效果如图4所示。

图4 基于重构曲面的改装件设计

3 结束语

将激光测绘系统应用到试验机的改装设计中，以T-Scan获取的试验机改装部位的点云数据为基础，应用曲面重构软件构建试验机改装部位的高精度三维外形模型，是进行下一阶段改装机械结构设计的基础性文件，基于该曲面外形而设计的改装零部件能够与原机具有良好的装配性。逆向设计技术与数字化设计技术的结合，大幅提高了改装质量和效率，将试验机改装技术推向了更高的水平。

[1] 韩清华，郑 保，郭宏利，等.采用激光跟踪仪测量飞机外形[J].航空计测技术，2004， 24(1):15-16，33.

[2] 汪 俊.飞机结构件反求建模关键技术研究[D].南京:南京航空航天大学，2007.

[3] 王延凤.激光跟踪仪结合CATIA在飞机外形测绘中的应用[C]∥中国航空学会飞机总体专业委员会飞机几何设计专业学组第五次学术交流会论文汇编.中国航空学会，2002：55-63.

[4] 程军涛.逆向工程中曲面重构技术的应用研究[D].洛阳：河南科技大学，2010.

Research on Application of Laser Mapping System in the Modification of Tested

LIUShaoguang，FANHuanhuan，FANXiaolong，XUJianshe

(Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089，China)

Based on the introduction of laser mapping system composition and principle， according to the point cloud data which scanned by laser mapping system in the local shape of tested aircraft.Using CATIA and Geomagic which are reverse engineering software deal with the point cloud data which collected by scanner.Reconstruct the local model of the tested aircraft， and the surface modeling is applied to the process of designing the modification parts eventually. In the process of tested aircraft modification apply the technique of scanning that based laser tracker system modeling the curved surface. This technique has important significance to improve the efficiency and safety in the modification of tested aircraft.

laser scanning；tested flight；modified；reverse design

2014-01-27

V221.92

A

1001-2257(2014)07-0053-03

刘韶光(1984-)，男，山西运城人，工程师，硕士研究生，主要从事试验机加改装结构设计工作；范欢欢(1984-)，男，河南三门峡人，工程师，硕士研究生，主要从事试验机加改装总体设计工作。