基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法
【專利摘要】一種基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，其特征是在每條掃描線上提取特征點，使用特征點構造直線或B樣條曲線來重構邊界特征，特征點的提取包括鄰域搜索、測量點位置識別、直線擬合與求交三個步驟。在鄰域搜索中將點沿掃描線排序，使用B樣條曲線插值有序點集，通過曲率識別面上點和倒角點，使用表面和側面上的點分別擬合直線，用直線的交點作為特征點。最后將特征點擬合為直線或B樣條曲線用于表達蒙皮的邊界特征。本發明能提高數控加工的精度和應用程度，從而提高飛機蒙皮裝配效率和裝配質量。
【專利說明】
基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種飛機制造技術，尤其是一種飛機蒙皮的制造方法，具體地說是一 種基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在飛機制造領域，飛機蒙皮在裝配時需對邊界進行手工修配，從而保證蒙皮 間的配合間隙在允許誤差范圍內，且蒙皮不具備互換性。產生這種現象的原因有:一是蒙皮 通過拉伸成形，其邊界切割依據為切割樣本，首先采用留余量粗切割，然后再留余量精修蒙 皮邊界;二是，為了實現蒙皮的精確高效切邊，飛機制造廠商采用了數控切邊工藝，即凈邊 制造工藝，但這種工藝目前普遍做法是僅將部分邊進行無余量加工，剩余邊仍需留有小余 量;三是，飛機蒙皮中，復合材料的比重越來越大，復合材料尺寸穩定性好，但其邊界一般不 做修配，金屬蒙皮與復材蒙皮配合時，需通過修整自身邊界以完成與其的配合。
[0003] 間隙在蒙皮裝配中是不容忽視的，間隙的存在嚴重影響飛機的氣動外形和隱身性 能。為了解決飛機蒙皮裝配間隙，影響飛機氣動外形和隱身性能的問題，飛機制造廠商采用 未裝的蒙皮以裝好的蒙皮邊界為依據修配，金屬蒙皮以復材蒙皮邊界為依據修配，蒙皮數 控切邊時部分凈邊部分留小余量的裝配工藝。
[0004] 凈邊制造工藝在一定程度上減少了蒙皮裝配時邊界的修配量，造成無法實現全邊 凈邊的重要原因是缺乏蒙皮實際邊界數據，蒙皮實測邊界起著檢驗和加工依據的作用:復 材蒙皮的實測邊界是與之相配的金屬蒙皮邊界的切割依據;與通常的機加件不同，蒙皮的 薄壁結構導致其在加工時易變形，在機檢測才能保證其加工精度。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是針對目前蒙皮裝配時因缺乏蒙皮實際邊界數據，無法實現全邊凈 邊加工而影響裝配質量以及重構效率不高的問題，發明一種基于掃描線點云的蒙皮邊界特 征重構方法，為實現自動高效凈邊加工提供依據。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，其特征在于它包括以下步驟：
[0008] (1)通過測量得到蒙皮的掃描線點云；
[0009] (2)在采樣點自身所在的掃描線上搜索其鄰近點，得到其鄰域點集；
[0010] (3)根據采樣點鄰域的幾何形狀參數確定采樣點位于面上還是邊界附近；
[0011] (4)對邊界附近采樣點的鄰域進行數據預處理，使其與XY坐標平面平行；
[0012] (5)將邊界附近采樣點的鄰域分為三部分，即表面點、側面點和倒角點；
[0013] (6)用表面和側面上點子集擬合兩條直線，并求取直線的交點，將交點作為邊界特 征點，并對特征點進行姿態還原；
[0014] (7)用特征點構造直線或B樣條曲線，得到被測蒙皮的邊界。
[0015] 所述步驟(2)中采樣點的鄰域搜索方法如下：
[0016] (2-1)排除采樣點為掃描線的端點，記到采樣點P歐式距離最小的兩點SPiiPPA 若?^7與^"的夾角小于設定的閾值θ。則認定其為端點；
[0017] (2-2)對線內點，獨立搜索其左右兩側的鄰近點，然后合并為鄰域，已知P和if則if 可按如下方法獲得:計算矸歐式距離^內的全部點，按距離從小到大依次取出APi，若^ 與？77的角度大于設定閾值θν，則點 Pl即為巧。再用if和巧得枵，依次漸進向前即可依次 搜索到點打，％…，仏，從而得到P右側鄰近點集；左側鄰近點集的獲取方法相同，拼接后 得到P的鄰域：
[0019] (2-3)在兩側搜索過程中，當最新得到的鄰近點到采樣點的距離大于等于r時，即 結束該側的搜索，進入另一側搜索或完成搜索。
[0020] 本發明的鄰域搜索采用貪吃蛇模型，沿著左右兩個方向單向搜索，設計搜索模型 時考慮了數據間隔不均和存在跨越的情況。搜索過程本身就是以采樣點為中心，沿著掃描 線獲取鄰近點，因此，搜索過程和排序過程是同時進行的。所述步驟(2-2)中，當掃描線上點 分布均勻性好時，r s設置為2~3倍平均點間距即可，當均勻性較差時，將其設置為典型的最 大點間距。
[0021] 所述步驟⑶中，計算采樣點P同其鄰域邊界點1%和々，構成的向量巧和巧的 夾角，根據夾角是否小于閾值Θ來判斷采樣點是否位于蒙皮邊界處；
[0022] 所述步驟(4)中數據預處理操作如下：
[0023] (4-1)用鄰域點擬合掃描平面方程ax+by+cz+d = 0,式中a、b、c、d為常數，所建立的 誤差目標函數為：
[0025]其中，N為鄰域中點的數目，cU為點到平面的投影距離土二|aXl+byi+ CZl+d| ;
[0026] (4-2)利用公式k = Cn得到坐標變換所需的旋轉矩陣C，其中1^=[0,0，1]7是2軸單 位方向向量，n=[a，b，c] 擬合得到的平面單位法矢；
[0027] (4-3)按照公式U/,.v;,3;]T= C · [x,..m]T對鄰域點進行旋轉，其中，[Xi，yi，Zi]T為 原始坐標，[W. .V/', 」τ為旋轉后的坐標；
[0028] (4-4)將旋轉后的點進行投影，投影后的坐標為[xf, ,
。通 過位姿變換，將鄰域與XY坐標平面對齊，從而將三維問題轉化為平面二維問題，簡化了直線 擬合模型，降低了 B樣條擬合計算量。
[0029]所述步驟(5)中按照如下方法將邊界附近采樣點的鄰域劃分為三個子集：
[0030] (5-1)采用三次非均勻B樣條曲線插值鄰域點，利用規范積累弦長參數化方法對型 值點進行參數化，節點矢量u = [UQ，U1，…，un+k+i ]采用定義域兩端節點為k+1重的重節點端 點條件，即有UQ = U1 =…=Uk = 0和Un+l = Un+2=…=Un+k+l= 1，插值時的邊界條件為切矢條 件；
[0031]
計算型值點Pi曲率，其中rj(u)為樣條曲線在 參數U處的j階導矢；
[0032] (5-3)依次從鄰域中取出點，將其曲率值與設定曲率閾值做比較，若大于曲率閾值 貝1J為倒角點，倒角點兩側的點即為表面點和側面點。用B樣條曲線的構造可以采用插值和擬 合兩種方法，與擬合方法相比，插值方法的節點矢量計算簡單，控制頂點通過求解線性方程 組得到。
[0033] 所述步驟(6)采用如下方法獲取特征點：
[0034] (6-1)使用兩面上點子集擬合兩條直線，直線方程為ax+by+c = 0,建立的目標誤差 函數為：
[0036]其中N為鄰域中點的數目，cU為點到直線的投影距離土二|aXl+byi+c| ;
[0037] (6-2)求取直線交點，即該掃描線上的邊界特征點，利用公式P = CT · Ps將得到的特 征點坐標還原至測量坐標系下，其中CT為矩陣C的轉置矩陣，PlPP分別為特征點還原前后的 坐標。
[0038] 本發明的有益效果：
[0039] 本發明的基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，用于獲取蒙皮的實際邊界。 蒙皮的實測邊界是數控切邊工藝的重要輸入信息，可提高數控加工的精度和應用程度，從 而提高飛機蒙皮裝配效率和裝配質量。該方法的整個過程通過計算機完成，采用非接觸式 測量的激光掃描儀獲取測量數據，在測量過程中不接觸弱剛性的蒙皮，保障了測量可靠性。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發明的方法流程圖。
[0041]圖2是測量得到的掃描線點云。
[0042]圖3是重構得到的蒙皮邊界特征。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0044] 如圖1-3所示。
[0045] -種基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，包括以下步驟：
[0046] (1)測量得到蒙皮的掃描線點云；
[0047] (2)在采樣點自身所在的掃描線上搜索其鄰近點，得到其鄰域點集；
[0048] (3)根據采樣點鄰域的幾何形狀參數確定采樣點位于面上還是邊界附近；
[0049] (4)對邊界附近采樣點的鄰域進行數據預處理，使其與XY坐標平面平行；
[0050] (5)將邊界附近采樣點的鄰域分為三個子集，表面點、側面點和倒角點；
[0051] (6)用兩面上點子集擬合兩條直線，并求取直線的交點，將交點作為邊界特征點， 并對特征點進行姿態還原；
[0052] (7)用特征點構造直線或B樣條曲線，得到被測蒙皮的邊界。
[0053] 詳述如下：
[0054]如圖1所示，本發明從掃描線點云中提取蒙皮邊界特征的操作流程主要為:首先， 使用激光掃描設備獲取得到蒙皮邊界的掃描線點云;然后搜索采樣點的鄰域;接著，根據采 樣點鄰域的幾何形狀參數確定采樣點位于面上還是邊界附近;對邊界附近采樣點的鄰域進 行數據預處理，使其與XY坐標平面平行;接著用平面B樣條曲線插值通過鄰域點，并計算各 點處的曲率;根據鄰域中點的曲率大小，將其分為三個子集，表面點、側面點和倒角點;然后 用兩面上點子集擬合兩條直線，并求取直線的交點;接著將交點還原，得到該條掃描線上的 特征點;最后，用所得全部特征點構造直線或B樣條曲線，從而得到被測蒙皮的邊界線。 [0055]圖2所示為蒙皮實驗件的邊界掃描線點云，點間距和線間距為0.075mm和1.5mm，蒙 皮厚度為3mm。
[0056] 所述步驟(2)中采樣點的鄰域搜索方法如下：
[0057] (2-1)排除采樣點為掃描線的端點，記到采樣點P歐式距離最小的兩點為if和秤， 若]^7與F/f的夾角小于設定的閾值Θ。則認定其為端點；
[0058] (2-2)對線內點，獨立搜索其左右兩側的鄰近點，然后合并為鄰域，已知P和if則if 可按如下方法獲得:計算<歐式距離r s內的全部點，按距離從小到大依次取出APi，若0 與的角度大于設定閾值θν，則點Pl即為再用/f和if得if，依次漸進向前即可依次 搜索到點CW，…，仏，從而得到P右側鄰近點集。左側鄰近點集的獲取方法相同，拼接后 得到P的鄰域：
[0059] R = Ψ^···,：Ρ^Ρ,Ρ[,···,Ρ%}
[0060] (2-3)在兩側搜索過程中，當最新得到的鄰近點到采樣點的距離大于等于r時，即 結束該側的搜索，進入另一側搜索或完成搜索。
[0061 ] R-
[0062] 在該實施例中，用于判斷采樣點是否為端點的角度閾值f =120°，兩側搜索時的 半徑:rs = 0.3mm，角度閾值θν = 45°，鄰域半徑r = 2mm。
[0063] 所述步驟(3)中，計算采樣點P同其鄰域邊界點構成的向量的 夾角，根據夾角是否小于閾值Θ來判斷采樣點是否位于蒙皮邊界處；
[0064]在本實施例中，識別采樣點位置所用角度閾值θ = 110°。
[0065] 所述步驟(4)中數據預處理操作如下：
[0066] (4-1)用鄰域點擬合掃描平面方程ax+by+CZ+d = 0,所建立的誤差目標函數為
[0068]其中，N為鄰域中點的數目，cU為點到平面的投影距離土二|aXl+byi+ CZl+d|。
[0069] (4-2)利用公式k = Cn得到坐標變換所需的旋轉矩陣C，其中1^=[0,0，1]7是2軸單 位方向向量，n=[a，b，c] 擬合得到的平面單位法矢；
[0070] (4_3)按照公式[Λ·;,.ν/,ζ;]τ=· C_ ' tui,:z;]T對鄰域點進行旋轉，其中，[Xi，yi，Zi] T為 原始坐標，[V. .V;'. z;'] τ為旋轉后的坐標；
[0071] (4-4)將旋轉后的點進行投影，投影后的坐標為[W.vWF，其中：
[0072]所述步驟(5)中按照如下方法將邊界附近采樣點的鄰域劃分為三個子集：
[0073] (5-1)采用三次非均勻B樣條曲線插值鄰域點，利用規范積累弦長參數化方法對型 值點進行參數化，節點矢量u = [UQ，U1，…，un+k+i ]采用定義域兩端節點為k+1重的重節點端 點條件，即有UQ = U1 =…=Uk = 0和Un+l = Un+2=…=Un+k+l= 1，插值時的邊界條件為切矢條 件；
[0074] 計算型值點Pi曲率，其中rj(u)為樣條曲線在 參數U處的j階導矢；
[0075] (5-3)依次從鄰域中取出點，將其曲率值與設定曲率閾值做比較，若大于曲率閾值 貝1J為倒角點，倒角點兩側的點即為表面點和側面點。
[0076] 所述步驟(6)采用如下方法獲取特征點：
[0077] (6-1)使用兩面上點子集擬合兩條直線，直線方程為ax+by+c = 0,建立的目標誤差 函數為
[0079]其中N為鄰域中點的數目，cU為點到直線的投影距離土二|aXl+byi+c| ;
[0080] (6-2)求取直線交點，即該掃描線上的邊界特征點，利用公式P = CT · Ps將得到的特 征點坐標還原至測量坐標系下，其中C為旋轉矩陣，PlPP分別為特征點還原前后的坐標。
[0081] 圖3所示為所得的蒙皮邊界特征。
[0082]本發明的蒙皮掃描線點云可以明確識別出各條掃描線，掃描線間的距離為線間 距，掃描線上采樣點之間的距離稱為點間距。掃描線點云通過手持或機床加持激光掃描儀 沿蒙皮邊界掃描得到。
[0083]飛機蒙皮屬薄壁結構件，針對其邊界特征重構效率不高的問題，本發明的基于掃 描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，考慮了測量點分布不均和微倒角的影響。該方法在每 條掃描線上提取特征點，使用特征點構造直線或B樣條曲線來重構邊界特征。特征點的提取 包括鄰域搜索、測量點位置識別、直線擬合與求交三個步驟。在鄰域搜索中將點沿掃描線排 序，使用B樣條曲線插值有序點集，通過曲率識別面上點和倒角點，使用表面和側面上的點 分別擬合直線，用直線的交點作為特征點。特征點作為實際邊界線的離散點，通過用特征點 擬合直線或樣條曲線來重構蒙皮的實際邊界。
[0084]本發明不在現有測量點中尋找特征點，降低了保障特征點精度所需的點云密度且 符合了設計意圖。利用實測邊界線作為數控切邊的加工依據和檢測依據，可以實現蒙皮全 凈邊，從而大大提高蒙皮裝配效率和裝配質量。
[0085] 上列較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應 理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
[0086] 本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1. 一種基于掃描線點云的蒙皮邊界特征重構方法，其特征在于它包括以下步驟： (1) 通過測量得到蒙皮的掃描線點云； (2) 在采樣點自身所在的掃描線上搜索其鄰近點，得到其鄰域點集； (3) 根據采樣點鄰域的幾何形狀參數確定采樣點位于面上還是邊界附近； (4) 對邊界附近采樣點的鄰域進行數據預處理，使其與XY坐標平面平行； (5) 將邊界附近采樣點的鄰域分為三部分，即表面點、側面點和倒角點； (6) 用表面和側面上點子集擬合兩條直線，并求取直線的交點，將交點作為邊界特征 點，并對特征點進行姿態還原； (7) 用特征點構造直線或B樣條曲線，得到被測蒙皮的邊界。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中采樣點的鄰域搜索方法如下： (2-1)排除采樣點為掃描線的端點，記到采樣點P歐式距離最小的兩點為片和#，若 與?巧:的夾角小于設定的閾值Θ。則認定其為端點； (2-2)對線內點，獨立搜索其左右兩側的鄰近點，然后合并為鄰域，已知P和if則if可 按如下方法獲得:計算if歐式距離^內的全部點，按距離從小到大依次取出APi，若???與 >7Χ的角度大于設定閾值θ ν，則點Ρ:即為巧'。再用斤和巧'得茗，依次漸進向前即可依次搜 索到點/^6，一，巧,.，從而得到？右側鄰近點集;左側鄰近點集的獲取方法相同，拼接后得 到P的鄰域：(2-3)在兩側搜索過程中，當最新得到的鄰近點到采樣點的距離大于等于r時，即結束 該側的搜索，進入另一側搜索或完成搜索。3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，計算采樣點P同其鄰域邊界 點#;和仏.構成的向量^；和<的夾角，根據夾角是否小于閾值Θ來判斷采樣點是否位 于蒙皮邊界處。4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中數據預處理操作如下： (4-1)用鄰域點擬合掃描平面方程aX+by+cz+d = 0,式中a、b、c、d為常數，所建立的誤差 目標函數為：其中，N為鄰域中點的數目，cU為點到平面的投影距離cU= |aXl+byi+CZl+d| ; (4-2)利用公式k = Cn得到坐標變換所需的旋轉矩陣C，其中1^=[0,0，1]7是2軸單位方向 向量，n=[a，b，c]T為擬合得到的平面單位法矢； (4-3)按照公式^[^'^，對鄰域點進行旋轉^中七^^^為原始 坐標，喊沁為旋轉后的坐標； (4-4)將旋轉后的點進行投影，投影后的坐標為[. .ν;+. ? ]τ，其中，〃 =| Σ :?5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)中按照如下方法將邊界附近采 樣點的鄰域劃分為三個子集： (5-1)采用三次非均勻B樣條曲線插值鄰域點，利用規范積累弦長參數化方法對型值點 進行參數化，節點矢量u = [UQ，U1，…，un+k+i ]采用定義域兩端節點為k+1重的重節點端點條 件，即有UQ = U1 =…=Uk = 0和Un+l = Un+2 =…=Un+k+l = 1，插值時的邊界條件為切矢條件； (5-2)利用公;E計算型值點Pi曲率，其中f(u)為樣條曲線在參數u 處的j階導矢； (5-3)依次從鄰域中取出點，將其曲率值與設定曲率閾值做比較，若大于曲率閾值則為 倒角點，倒角點兩側的點即為表面點和側面點。6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(6)采用如下方法獲取特征點：（6-1)使用兩面上點子集擬合兩條直線，直線方程為ax+by+c = 0，建立的目標誤差函數為：其中N為鄰域中點的數目，cU為點到直線的投影距離cU= |aXl+byi+c| ; (6-2)求取直線交點，即該掃描線上的邊界特征點，利用公式P = CT · Pi#得到的特征點 坐標還原至測量坐標系下，其中CT為矩陣C的轉置矩陣，P1PP分別為特征點還原前后的坐 標。
【文檔編號】G06F17/50GK105868498SQ201610247304
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】李瀧杲, 黃翔, 余飛祥
【申請人】南京航空航天大學