CN110654571B - 一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***及方法 - Google Patents

一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大尺寸空间测量定位技术和无损检测技术领域，具体公开了一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，包括多基站激光扫描全空间定位***、AGV小车、六自由度机械臂、末端双目结构光测量传感器、软件***。本发明实施例还提供了一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，包括以下具体步骤：步骤S10：建立全空间测量场；步骤S20：数字化定义；步骤S30：路径规划；步骤S40：测量实施；步骤S50：数据处理；步骤S60：生成报告。本发明实施例实现了具有亚毫米级大空间智能定位导航、全局精密三维自动测量、飞机蒙皮表面缺陷视觉检测识别等功能的智能化检测机器人***，满足飞机蒙皮表面缺陷智能化、自动化、高精度三维测量应用需求。

Description

一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***及方法
技术领域
本发明涉及大尺寸空间测量定位技术和无损检测技术领域，具体是一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***及方法。
背景技术
随着我国航空装备研制信息化应用技术水平的快速发展，飞机装备性能的不断提升对其检测技术提出了更高的要求，急需相应检测技术朝着智能化、集成化、数字化、在线化等方向快速推进。
飞机蒙皮表面损伤和缺陷的产生原因在于飞机每次升空和降落都会经历一次加压和减压的过程，使得蒙皮表面出现周期性膨胀和收缩，从而导致飞机表面铆钉周围材料疲劳，产生微小裂纹。尤其在恶劣飞行环境中，会进一步加速裂纹恶化，促使产生腐蚀，这些缺陷的产生会破坏飞机蒙皮结构的完整性，引起结构强度下降，是造成飞行事故的主要原因之一。
目前我国大部分航空制造企业已经普遍引进数字化测量设备用于飞机蒙皮表面缺陷检测，如激光雷达、激光跟踪仪、全站仪等，正在逐步摆脱过去依靠模线、样板等工艺装备的检测方法，但仍以技术人员人工检测为主。人工检测和技术人员的经验、责任心等密切相关，存在很大的局限性，容易发生丢、错、漏等问题，急需采用自动检测代替人工检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，包括多基站激光扫描全空间定位***、AGV小车、六自由度机械臂、末端双目结构光测量传感器、软件***；所述AGV小车和六自由度机械臂作为机器人载体；所述多基站激光扫描全空间定位***包括多基站激光扫描全空间定位发射机、多基站激光扫描全空间定位接收器和前端数据处理***和主控计算机；
所述多基站激光扫描全空间定位发射机对检测空间进行360°扫描，所述多基站激光扫描全空间定位接收器不断接收激光信号并进行信号处理。
作为本发明进一步的方案：所述AGV小车上对应位置均匀布设有四个多基站激光扫描全空间定位接收器，在末端双目结构光测量传感器顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器。
作为本发明进一步的方案：所述前端数据处***与主控计算机之间通过通讯模块相连。
作为本发明进一步的方案：所述软件***包括机器人控制模块、传感器控制模块、路径规划模块、数据分析模块和数据采集模块。
作为本发明进一步的方案：所述末端双目结构光测量传感器是以六自由度机械臂为载体，具体包括结构光投影仪以及位于结构光投影仪两侧的左相机和右相机，末端双目结构光测量传感器，以双目结构光扫描的方式，即根据双目立体视觉、结构光投影仪、待检测目标建立三角测量关系，基于多频外差原理实现蒙皮表面缺陷非接触实时在线精密测量。
本发明实施例还提供了一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，包括以下具体步骤：
步骤S10：建立全空间测量场，包括：
步骤S101：根据检测现场环境合理布置多基站激光扫描全空间定位发射机，确保整机检测过程中，多基站激光扫描全空间定位接收器可接收到激光信号，根据软件***标定模块进行多基站激光扫描全空间定位***标定，建立整机检测世界坐标系，构建多基站激光扫描全空间定位网络；
步骤S102：根据软件***标定模块标定检测机器人，统一末端双目结构光测量传感器坐标系、AGV小车坐标系和多基站激光扫描全空间定位***坐标系，完成全空间测试场内测量数据坐标***一；
步骤S20：数字化定义，通过***软件导入待检测飞机CAD模型，并进行相应模型处理，建立模型测量基准；
步骤S30：路径规划，根据检测现场环境和飞机机型进行检测机器人站位规划和各站位内飞机蒙皮表面检测路径规划，并根据软件***路径规划模块进行检测路径仿真，确定最优路径；
步骤S40：测量实施，包括：
步骤S401：AGV小车实时接收多基站激光扫描全空间定位***数据，自主导航到各规划测量站位；
步骤S402：在各测量站位内，以机械臂为载体，根据多基站激光扫描全空间定位***数据进行机械臂末端精密测量传感器定位，引导末端双目结构光精密测量传感器按规划检测路径进行飞机蒙皮表面局部区域缺陷识别分类和精密测量，获取各检测区域三维点云数据；
步骤S403：依次完成各测量站位内局部区域精密测量，获取精密三维点云数据后，基于多基站激光扫描全空间定位数据进行三维点云全局拼接，获得整机三维点云数据；
步骤S50：数据处理，进行点云数据处理，剔除测量数据杂点和噪声点，将检测数据与理论模型对比，并将表面缺陷按一定的规则映射为红绿蓝彩色信息；
步骤S60：生成报告，进行缺陷评估，生成检测报告，并将检测模型和检测结果添加到检测实例库。
作为本发明进一步的方案：在步骤S102中，利用基准尺进行多基站激光扫描全空间定位***现场快速标定，在AGV车体上对应位置均匀布设四个多基站激光扫描全空间定位接收器，并以其坐标为基准点建立AGV小车坐标系，在末端双目结构光精密测量传感器顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器，建立末端双目结构光精密测量传感器定位坐标系，并通过软件***标定模块建立各坐标系转换关系，实现检测场内坐标***一。
作为本发明进一步的方案：在步骤S20中，通过***软件导入待检测飞机CAD模型包括飞机部件数模、检测机器人***数模以及辅助工装数模的导入；
模型处理包括对导入模型位置的调整；
建立模型测量基准包括建立飞机自身坐标系。
作为本发明进一步的方案：在步骤S401中，通过在AGV车体安装多基站激光扫描全空间定位接收器，将多基站激光扫描全空间定位***测得的AGV实时位姿信息反馈到控制***，根据模糊控制算法实时调整AGV的前进速度和旋转角速度等参数，以实现AGV的高精度导航控制。
作为本发明进一步的方案：在步骤S403中，基于多基站激光扫描全空间定位控制的点云拼接技术，将末端双目结构光精密测量传感器各测量站位下获取的点云数据统一转换到多基站激光扫描全空间定位***世界坐标系下完成拼接，能够保证测量范围大且测量过程中无需粘贴标记点和靶标点，实现全空间自动化高精度拼接。
与现有技术相比，本发明实施例提供了一种结合大空间测量定位技术、机器人导航定位技术、目标识别技术、双目结构光精密测量技术、全局拼接技术、智能控制技术以及测量与机器人控制一体化技术，实现了具有亚毫米级大空间智能定位导航、全局精密三维自动测量、飞机蒙皮表面缺陷视觉检测识别等功能的智能化检测机器人***，满足飞机蒙皮表面缺陷智能化、自动化、高精度三维测量应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本发明实施例中多基站激光扫描全空间定位***定位原理示意图。
图2为本发明实施例中多基站激光扫描全空间定位***现场标定示意图。
图3为本发明实施例中检测机器人示意图。
图4为本发明实施例中蒙皮表面缺陷主要类型示意图。
图5为本发明实施例中检测机器人末端精密测量结构原理示意图。
图6为本发明实施例中基于全空间定位数据的点云全局拼接原理示意图。
图7为本发明实施例中检测机器人框架结构图。
图8为本发明实施例中基于多基站激光扫描全空间定位的飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***工作流程图。
图中：10-多基站激光扫描全空间定位***，20-AGV小车，30-六自由度机械臂，40-末端双目结构光测量传感器，50-软件***；
101-多基站激光扫描全空间定位发射机，102-多基站激光扫描全空间定位接收器，103-前端数据处理***，104-主控计算机；
401-结构光投影仪，402-左相机，403-右相机；
501-机器人控制模块，502-传感器控制模块，503-路径规划模块，504-数据分析模块，505-数据采集模块。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，在本发明提供的一个实施例中，一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，包括多基站激光扫描全空间定位***10、AGV小车20、六自由度机械臂30、末端双目结构光测量传感器40、软件***50；在飞机蒙皮表面缺陷检测过程中，以多基站激光扫描全空间定位***10进行全局定位；
如图1和图3所示，在本发明提供的实施例中，所述多基站激光扫描全空间定位***10包括多基站激光扫描全空间定位发射机101、多基站激光扫描全空间定位接收器102和前端数据处理***103和主控计算机104，所述前端数据处***103与主控计算机104之间通过通讯模块相连，以实现数据信息的传递；
所述多基站激光扫描全空间定位发射机101对检测空间进行360°扫描，所述多基站激光扫描全空间定位接收器102不断接收激光信号并进行信号处理，根据多基站交会原理进行目标定位，构建检测空间精密定位网络，实现AGV自主导航和末端双目结构光测量传感器40定位；
进一步的，在本发明提供的实施例中，所述AGV小车20上对应位置均匀布设有四个多基站激光扫描全空间定位接收器102，并以其坐标为基准点建立AGV小车坐标系，在末端双目结构光测量传感器40顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器102，建立末端双目结构光测量传感器定位坐标系，并通过软件***标定模块建立各坐标系转换关系，实现检测场内坐标***一；
所述AGV小车20和六自由度机械臂30作为机器人载体，根据预先设定轨迹完成检测任务；末端双目结构光测量传感器40进行表面缺陷识别分类，并对缺陷进行局部精密测量；
进一步的，如图7所示，所述软件***50包括机器人控制模块501、传感器控制模块502、路径规划模块503、数据分析模块504和数据采集模块505，所述软件***50还包括模型导入模块、通讯模块和其它模块等，主要实现各个硬件***的联合控制。
请继续参阅图1和图3，在本发明提供的实施例中，通过在所述AGV小车20的车体安装多基站激光扫描全空间定位接收器102，将多基站激光扫描全空间定位***10测得的AGV实时位姿信息反馈到控制***，根据模糊控制算法实时调整AGV的前进速度和旋转角速度等参数，以实现AGV的高精度导航控制；
如图5所示，在本发明提供的实施例中，所述末端双目结构光测量传感器40是以六自由度机械臂30为载体，具体包括结构光投影仪401以及位于结构光投影仪401两侧的左相机402和右相机403，末端双目结构光测量传感器40，以双目结构光扫描的方式，即根据双目立体视觉、结构光投影仪、待检测目标建立三角测量关系，基于多频外差原理实现蒙皮表面缺陷非接触实时在线精密测量。
另外，如图1-8所示，本发明实施例还提供了一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，所述的检测方法包括以下具体步骤：
步骤S10：建立全空间测量场，具体包括：
步骤S101：根据检测现场环境合理布置多基站激光扫描全空间定位发射机，确保整机检测过程中，多基站激光扫描全空间定位接收器可接收到激光信号，根据软件***标定模块进行多基站激光扫描全空间定位***标定，建立整机检测世界坐标系，构建多基站激光扫描全空间定位网络；
步骤S102：根据软件***标定模块标定检测机器人，统一末端双目结构光测量传感器坐标系、AGV小车坐标系和多基站激光扫描全空间定位***坐标系，完成全空间测试场内测量数据坐标***一。
步骤S20：数字化定义，具体的，通过***软件导入待检测飞机CAD模型，并进行相应模型处理，建立模型测量基准。
步骤S30：路径规划，具体的，根据检测现场环境和飞机机型进行检测机器人站位规划和各站位内飞机蒙皮表面检测路径规划，并根据软件***路径规划模块进行检测路径仿真，确定最优路径。
步骤S40：测量实施，具体包括：
步骤S401：AGV小车实时接收多基站激光扫描全空间定位***数据，自主导航到各规划测量站位；
步骤S402：在各测量站位内，以机械臂为载体，根据多基站激光扫描全空间定位***数据进行机械臂末端精密测量传感器定位，引导末端双目结构光精密测量传感器按规划检测路径进行飞机蒙皮表面局部区域缺陷识别分类和精密测量，获取各检测区域三维点云数据；
步骤S403：依次完成各测量站位内局部区域精密测量，获取精密三维点云数据后，基于多基站激光扫描全空间定位数据进行三维点云全局拼接，获得整机三维点云数据。
步骤S50：数据处理，具体的，进行点云数据处理，剔除测量数据杂点和噪声点，将检测数据与理论模型对比，并将表面缺陷按一定的规则映射为红绿蓝(RGB)彩色信息。
步骤S60：生成报告：具体的，进行缺陷评估，生成检测报告，并将检测模型和检测结果添加到检测实例库。
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S101中，在飞机蒙皮表面缺陷检测过程中，以多基站激光扫描全空间定位***进行全局定位，如图1所示，多基站激光扫描全空间定位***主要包括多基站激光扫描全空间定位发射机、多基站激光扫描全空间定位接收器和定位软件，发射机对检测空间进行360°扫描，接收器不断接收激光信号，并进行相关信号处理，根据多基站交会原理进行目标定位，可覆盖整个飞机检测空间，构建检测空间精密定位网络，可进行多个检测机器人并行定位；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S102中，如图2所示，利用基准尺进行多基站激光扫描全空间定位***现场快速标定，如图3所示，在AGV车体上对应位置均匀布设四个多基站激光扫描全空间定位接收器，并以其坐标为基准点建立AGV小车坐标系，在末端双目结构光精密测量传感器顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器，建立末端双目结构光精密测量传感器定位坐标系，并通过软件***标定模块建立各坐标系转换关系，实现检测场内坐标***一；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S20中，主要实现飞机部件数模、检测机器人***数模以及辅助工装等数模的导入，并且提供快速移动与约束工具，能够完成导入模型位置的快速调整，并建立飞机自身坐标系；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S30中，根据检测环境和飞机机型，基于自由曲面的测点规划布置原理进行检测机器人站位规划和飞机蒙皮表面检测路径规划，在保证测量精度的前提下，以最短的路径安全又高效的遍历待检飞机整个检测区域；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S401中，通过在AGV车体安装多基站激光扫描全空间定位接收器，将多基站激光扫描全空间定位***测得的AGV实时位姿信息反馈到控制***，根据模糊控制算法实时调整AGV的前进速度和旋转角速度等参数，以实现AGV的高精度导航控制；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S402中，检测机器人机械臂末端精密测量是以六自由度机械臂为载体，如图4所示，基于神经网络进行缺陷识别分类，如划痕、凹坑、裂纹、腐蚀、磨损等，如图5所示，以双目结构光扫描的方式，即根据双目立体视觉、结构光投影仪、待检测目标建立三角测量关系，基于多频外差原理实现蒙皮表面缺陷非接触实时在线精密测量；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S403中，如图6所示，基于多基站激光扫描全空间定位控制的点云拼接技术，将末端双目结构光精密测量传感器各测量站位下获取的点云数据统一转换到多基站激光扫描全空间定位***世界坐标系下完成拼接，能够保证测量范围大且测量过程中无需粘贴标记点和靶标点，实现全空间自动化高精度拼接；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S50中，将点云深度信息作为飞机表面缺陷的主要判断依据，将其按一定的规则映射为红绿蓝(RGB)彩色信息，然后通过颜色变化判断出飞机表面是否有缺陷，若有缺陷，则根据设定颜色阈值提取出缺陷特征区域；
进一步地，在本发明实施例提供的步骤S60中，采用统计学的方法进行了缺陷特征分析，确定缺陷分类的特征参数，主要有缺陷宽度、深差矩形比、损失质量等，并生成检测报告。
综上所述，本发明实施例提供了一种结合大空间测量定位技术、机器人导航定位技术、目标识别技术、双目结构光精密测量技术、全局拼接技术、智能控制技术以及测量与机器人控制一体化技术，实现了具有亚毫米级大空间智能定位导航、全局精密三维自动测量、飞机蒙皮表面缺陷视觉检测识别等功能的智能化检测机器人***，满足飞机蒙皮表面缺陷智能化、自动化、高精度三维测量应用需求。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，其特征在于：
包括飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，***包括多基站激光扫描全空间定位***（10）、AGV小车（20）、六自由度机械臂（30）、末端双目结构光测量传感器（40）、软件***（50）；所述AGV小车（20）和六自由度机械臂（30）作为机器人载体；
所述多基站激光扫描全空间定位***（10）包括多基站激光扫描全空间定位发射机（101）、多基站激光扫描全空间定位接收器（102）和前端数据处理***（103）和主控计算机（104）；
所述多基站激光扫描全空间定位发射机（101）对检测空间进行360°扫描，所述多基站激光扫描全空间定位接收器（102）不断接收激光信号并进行信号处理；
所述的检测方法包括以下具体步骤：步骤S10：建立全空间测量场，包括：
步骤S101：根据检测现场环境合理布置多基站激光扫描全空间定位发射机至多基站激光扫描全空间定位接收器可接收到激光信号，根据软件***标定模块进行多基站激光扫描全空间定位***标定，建立整机检测世界坐标系，构建多基站激光扫描全空间定位网络；
步骤S102：根据软件***标定模块标定检测机器人，统一末端双目结构光测量传感器坐标系、AGV小车坐标系和多基站激光扫描全空间定位***坐标系，完成全空间测试场内测量数据坐标***一；
步骤S20：数字化定义，通过***软件导入待检测飞机CAD模型，并进行模型处理，建立模型测量基准；
步骤S30：路径规划，根据检测现场环境和飞机机型进行检测机器人站位规划和各站位内飞机蒙皮表面检测路径规划，并根据软件***路径规划模块进行检测路径仿真，确定最优路径；
步骤S40：测量实施，包括：
步骤S401：AGV小车实时接收多基站激光扫描全空间定位***数据，自主导航到各规划测量站位；
步骤S402：在各测量站位内，以机械臂为载体，根据多基站激光扫描全空间定位***数据进行机械臂末端精密测量传感器定位，引导末端双目结构光精密测量传感器按规划检测路径进行飞机蒙皮表面局部区域缺陷识别分类和精密测量，获取各检测区域三维点云数据；
步骤S403：依次完成各测量站位内局部区域精密测量，获取精密三维点云数据后，基于多基站激光扫描全空间定位数据进行三维点云全局拼接，获得整机三维点云数据；
步骤S50：数据处理，进行点云数据处理，剔除测量数据杂点和噪声点，将检测数据与理论模型对比，并将表面缺陷映射为红绿蓝彩色信息；
步骤S60：生成报告，进行缺陷评估，生成检测报告，并将检测模型和检测结果添加到检测实例库。
2.根据权利要求1所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，其特征在于，在步骤S102中，利用基准尺进行多基站激光扫描全空间定位***现场快速标定，在AGV车体上对应位置均匀布设四个多基站激光扫描全空间定位接收器，并以其坐标为基准点建立AGV小车坐标系，在末端双目结构光精密测量传感器顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器，建立末端双目结构光精密测量传感器定位坐标系，并通过软件***标定模块建立各坐标系转换关系，实现检测场内坐标***一。
3.根据权利要求2所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，其特征在于，在步骤S20中，通过***软件导入待检测飞机CAD模型包括飞机部件数模、检测机器人***数模以及辅助工装数模的导入；
模型处理包括对导入模型位置的调整；
建立模型测量基准包括建立飞机自身坐标系。
4.根据权利要求3所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，其特征在于，在步骤S401中，通过在AGV车体安装多基站激光扫描全空间定位接收器，将多基站激光扫描全空间定位***测得的AGV实时位姿信息反馈到控制***，根据模糊控制算法实时调整AGV的前进速度和旋转角速度参数。
5.根据权利要求4所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法，其特征在于，在步骤S403中，基于多基站激光扫描全空间定位控制的点云拼接技术，将末端双目结构光精密测量传感器各测量站位下获取的点云数据统一转换到多基站激光扫描全空间定位***世界坐标系下完成拼接。
6.一种飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，其特征在于，其检测方法为如权利要求1-5任一所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测方法。
7.根据权利要求6所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，其特征在于，所述AGV小车（20）上对应位置均匀布设有四个多基站激光扫描全空间定位接收器（102），在末端双目结构光测量传感器（40）顶端安装四个多基站激光扫描全空间定位接收器（102）。
8.根据权利要求7所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，其特征在于，所述前端数据处理***（103）与主控计算机（104）之间通过通讯模块相连。
9.根据权利要求8所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，其特征在于，所述软件***（50）包括机器人控制模块（501）、传感器控制模块（502）、路径规划模块（503）、数据分析模块（504）和数据采集模块（505）。
10.根据权利要求9所述的飞机蒙皮表面缺陷无损检测机器人***，其特征在于，所述末端双目结构光测量传感器（40）是以六自由度机械臂（30）为载体，具体包括结构光投影仪（401）以及位于结构光投影仪（401）两侧的左相机（402）和右相机（403）。
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