一种基于实测三维数据的飞机整机外形波纹度测量方法

1.本发明属于飞机整机外形波纹度测量领域，具体涉及一种基于实测三维数据的飞机整机外形波纹度测量方法。


背景技术：

2.飞机外形的波纹度对飞机的气动性能、飞行性能都会产生较大的影响。目前，较多的使用实物样条的方法对飞机外形的波纹度进行检测，但是该方法存在测量精度低、效率低且工作量大等缺陷，已逐渐被废弃。现有的波纹度测量方式大多为机械式测量方法，需要人工采样，导致采样时间长、采样数据易受人为因素的影响产生误差。因此，总体来说，目前缺少成熟的测量方法对波纹度进行测量、分析。
3.随着激光雷达和三维扫描技术的发展和普及(该技术被广泛应用于测绘、电力线巡检、数字城市、古建筑保护、军工设备测量以及数字孪生等领域)，近年来也出现一些基于激光雷达点云对波纹度进行测量分析的方法，虽然方法各有不同，但均存在一定的不足，对采集到的激光点云数据无法充分利用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于实测三维数据的飞机整机外形波纹度测量方法，以解决现有技术中飞机外形波纹度测量精度差、效率低的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于实测三维数据的飞机整机外形波纹度测量方法，包括以下步骤：
7.s1、对整机的原始点云数据进行去除离群点操作，然后采用最佳拟合方式将整机的理论点云模型与实际点云模型进行配准；
8.s2、在理论点云模型中提取待测外形面的理论曲线，并将理论曲线所在投影平面附近的点云数据作为待测曲线的候补点；
9.s3、离散理论曲线并计算各离散点在候补点集中的对应点，并将各离散点及其对应点投影到同一水平面上；
10.s4、根据各离散点在重力与内力的作用下产生的位移调整各离散点的位置，直至达到迭代终止条件；
11.s5、根据理论曲线离散点及其对应点的距离提取波纹度曲线并计算波形度参数。
12.进一步地，步骤s1具体包括以下步骤：
13.s101、对整机的原始点云数据进行去除离群点操作，得到实际点云模型；
14.s102、在整机的理论曲面模型上随机采样，获得对应的理论点云模型；
15.s103、采用icp算法对实际点云模型与理论点云模型进行配准，将实际点云模型与理论点云模型转换到同一坐标系下。
16.进一步地，步骤s2具体包括以下步骤：
17.s201、给定理论曲面波纹度检测的百分比k，在理论曲面模型中待测外形面两条边
界曲线上确定两点a0、a1，使得a0、a1两点到各自边界线开始位置的弧长占边界线总弧长的百分比等于k，将a0、a1两点连成的直线a0a1投影到理论点云模型中，得到理论曲线l
t
；
18.s202、将理论曲线l
t
所在投影平面两侧10mm内的所有点作为待测曲线的候补点，组成候补点集pj(j＝0,1,...,m)。
19.进一步地，步骤s3具体包括以下步骤：
20.s301、根据直线a0a1的参数方程按照一定的长度间隔选择直线上的点ti(i＝0,1,...,n)，m＞n＞1，并将点ti(i＝0,1,...,n)投影到理论曲线l
t
上，得到理论曲线l
t
的离散点ti′
(i＝0,1,...,n)；
21.s302、分别计算各离散点与候补点集中各候补点间的距离dj(j＝0,1,...,m)，将距离最小的候补点作为离散点的对应点ti″
(i＝0,1,...,n)，并将两者间的距离记为理论距离；
22.s303、将各离散点及其对应点投影到同一水平面上。
23.进一步地，步骤s4具体包括以下步骤：
24.s401、分别计算各离散点ti′
(i＝0,1,...,n)的曲率ρi(i＝0,1,...,n)及对应的法向量αi(i＝0,1,...,n)，将理论曲线l
t
上的所有离散点沿曲率最小点的法线方向的反方向移动一定距离，并判断各离散点是否视为不可移动点；
25.s402、计算理论曲线l
t
上各离散点ti′
(i＝0,1,...,n)在重力与内力双重作用下产生的位移，并根据位移量将对应点移动到新的位置并判断是否视为不可移动点；
26.s404、重复步骤s402，直至所有离散点均为不可移动点或离散点及其对应点间的距离小于设定的阈值。
27.进一步地，s402中，由公式计算理论曲线l
t
上各离散点ti′
(i＝0,1,...,n)在重力与内力双重作用下产生的位移，其中，yi(t)表示点ti′
(i＝0,1,...,n)在t时刻的位置，f
out
(yi,t)表示t时刻点在位置yi时受到的外力，包括受到的重力以及与其他点相互碰撞产生的作用力，f
ind
(yi,t)表示t时刻点在位置yi时由于离散点之间的作用产生的内力，m表示点ti′
(i＝0,1,...,n)的质量；
28.仅考虑重力作用时，由公式来计算位移量，式中，δt为时间步长，g表示重力系数，x(t+δt)、x(t-δt)、x(t)分别代表在t+δt、t-δt、t时刻点的位置；
29.仅考虑内力作用时，任取理论曲线l
t
上两个相邻的离散点ti′
、t
i+1
′
，若两点均为可移动点，则将两点相向移动相同的位移量d，若其中一点为不可移动点，则将可移动点移动位移量d，若两点均为不可移动点，则不进行操作；
30.所述位移量其中，p0为当前准备移动的点，pi为p0的相邻点，当存在可移动点时b为1，当两点均为不可移动点时b为0。
31.进一步地，不可移动点的判断依据为：若位移后离散点及其对应点间的距离小于或等于理论距离，则将该离散点视为不可移动点，并固定该点位置。
32.进一步地，步骤s5具体包括以下步骤：
33.s501、计算迭代终止后理论曲线上各离散点及其对应点间的间距；
34.s502、对所有的间距进行线性插值获得由2j个离散点构成的原始信号yj(x)，根据mallat算法分解yj(x)：
[0035][0036]
其中，分解层数为l，且l＜j，各层分解的近似分量为细节分量为c
j,k
是近似系数，d
j,k
为细节系数，为尺度函数，ψ(x)为小波函数，j＝(j,j-1,...,j-l+1)；
[0037]
将第l层分解的近似分量作为最终的波纹度曲线；
[0038]
s503、根据波纹度曲线的斜率变化来确定波峰和波谷的相位：从左至右扫描波纹度曲线，斜率由正变负处为波峰，斜率由负变正处为波谷；波峰的幅值取相邻波谷间原始信号的最大值，波谷的幅值取相邻波峰间原始信号的最小值；波峰、波谷的相位及幅值确定后，根据波纹度的定义计算波幅和波长。
[0039]
本发明的有益效果是：
[0040]
相比于存在测量精度低、人工操作时间成本高、效率低等问题的现有机械式波纹度测量方法，本发明通过结合三维激光扫描仪获得的整机外形点云数据模型，通过对离散的理论曲线添加内力、外力作用，对飞机外形波纹度进行测量，具有测量精度高、效率高以及较少的人工操作等优点。
附图说明
[0041]
图1为本发明方法的流程示意图；
[0042]
图2为实施例中方法实施过程的示意图。
具体实施方式
[0043]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
本发明提出一种基于实测三维数据的飞机整机外形波纹度测量方法，如图1所示，其主要包括以下步骤：
[0045]
步骤s1、对整机的原始点云数据进行去除离群点操作，然后采用最佳拟合方式将整机的理论点云模型与实际点云模型进行配准，具体为：
[0046]
s101、对整机的原始点云数据进行去除离群点操作，得到实际点云模型；
[0047]
s102、在整机的理论曲面模型上随机采样，获得对应的理论点云模型；
[0048]
s103、采用icp算法对实际点云模型与理论点云模型进行配准，将实际点云模型与理论点云模型转换到同一坐标系下。
[0049]
步骤s2、在理论点云模型中提取待测外形面的理论曲线，并将理论曲线所在投影平面附近的点云数据作为待测曲线的候补点。包括：
[0050]
s201、给定理论曲面波纹度检测的百分比k，在理论曲面模型中待测外形面两条边界曲线上确定两点a0、a1，使得a0、a1两点到各自边界线开始位置的弧长占边界线总弧长的百分比等于k，将a0、a1两点连成的直线a0a1投影到理论点云模型中，得到理论曲线l
t
；
[0051]
s202、将理论曲线l
t
所在投影平面两侧10mm内的所有点作为待测曲线的候补点，组成候补点集pj(j＝0,1,...,m)。
[0052]
步骤s3、离散理论曲线l
t
并计算各离散点在候补点集中的对应点，并将各离散点及其对应点投影到同一个水平面上。包括：
[0053]
s301、根据直线a0a1的参数方程按照一定的长度间隔选择直线上的点ti(i＝0,1,...,n)，m＞n＞1，并将点ti(i＝0,1,...,n)投影到理论曲线l
t
上，得到理论曲线l
t
的离散点ti′
(i＝0,1,...,n)；
[0054]
s302、分别计算各离散点与候补点集中各候补点间的距离dj(j＝0,1,...,m)，将距离最小的候补点作为离散点的对应点ti″
(i＝0,1,...,n)，并将两者间的距离记为理论距离
[0055]
s303、将各离散点及其对应点投影到同一水平面上。
[0056]
步骤s4、根据各离散点在重力与内力的作用下产生的位移调整各离散点的位置，直至达到迭代终止条件。包括：
[0057]
s401、分别计算各离散点ti′
(i＝0,1,...,n)的曲率ρi(i＝0,1,...,n)及对应的法向量αi(i＝0,1,...,n)，将理论曲线l
t
上的所有离散点沿曲率最小点的法线方向的反方向移动50mm，如图2所示，并判断各离散点是否视为不可移动点；
[0058]
s402、由公式计算理论曲线l
t
上各离散点ti′
(i＝0,1,...,n)在重力与内力双重作用下产生的位移，其中，yi(t)表示点ti′
(i＝0,1,...,n)在t时刻的位置，f
out
(yi,t)表示t时刻点在位置yi时受到的外力，包括受到的重力以及与其他点相互碰撞产生的作用力，f
ind
(yi,t)表示t时刻点在位置yi时由于离散点之间的作用产生的内力，m表示点ti′
(i＝0,1,...,n)的质量，取为1。
[0059]
仅考虑重力作用下产生的位移，即将内部因素f
ind
(yi,t)置为0，则可以得到来计算位移量，根据计算得到的位移量将离散点移动到新的位置并判断是否视为不可移动点，式中δt为时间步长，本实施例中设置为0.5，g表示重力系数，本实施例中取9.8，x(t+δt)、x(t-δt)、x(t)分别代表在t+δt、t-δt、t时刻点的位置。
[0060]
s403、仅由内部因素驱动f
ind
(yi,t)时，任取理论曲线l
t
上两个相邻的离散点ti′
、t
i+1
′
，若两点均为可移动点，则将两点相向移动相同的位移量d，若其中一个为不可移动点，则将可移动点移动位移量d；若都为不可移动点，则不进行操作。
[0061]
位移量由公式计算，其中，当点为可移动点时b为1，当点均为不可移动点时b为0，p0为当前准备移动的点，pi为p0的相邻点，根据位移量d将对应点移动到新的位置并判断是否视为不可移动点。
[0062]
s404、重复上述步骤s402和s403，直至所有离散点均为不可移动点或离散点及其对应点间的距离小于设定的阈值e＝3mm。
[0063]
进一步地，不可移动点判断依据为：若位移后离散点及其对应点间的距离小于或等于理论距离，则将该离散点视为不可移动点，并固定该点位置。
[0064]
步骤s5、根据理论曲线离散点及其对应点的距离提取波纹度曲线并计算相关参数：
[0065]
s501、计算迭代终止后理论曲线l
t
上点ti′
(i＝0,1,...,n)及其对应点ti″
(i＝0,1,...,n)间的间距di(i＝0,1,...,n)。
[0066]
s502、对所有的间距di(i＝0,1,...,n)进行线性插值获得由2j个离散点构成的原始信号yj(x)，根据mallat算法分解yj(x)。分解层数为l，且l＜j，本实施例中取j＝20、l＝6。
[0067][0068]
各层分解的近似分量为细节分量为其中j＝(j,j-1,...,j-l+1)，c
j,k
是近似系数，d
j,k
为细节系数，为尺度函数，ψ(x)为小波函数。第l层分解的近似分量y
j-l
(x)反映原始信号中的基本波动，以此基本波动作为最终的波纹度曲线。
[0069]
s503、根据波纹度曲线的斜率变化来确定波峰和波谷的相位。从左至右扫描波纹度曲线，斜率由正变负处为波峰，斜率由负变正处为波谷。波峰的幅值取相邻波谷间原始信号的最大值，波谷的幅值取相邻波峰间原始信号的最小值。波峰、波谷的相位及幅值确定后，根据波纹度的定义计算波幅h和波长l。
[0070]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。