基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法技术

本发明专利技术属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其包括采用法矢测量系统获取图像、高亮光斑中心点提取、倾角误差补偿以及校准法矢垂直度等步骤。本发明专利技术提供的基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法为非接触式测量，在充分考虑到大曲率条件下曲率对法矢测量的影响，采用高光反射原理，实现了基于高反光成像原理的大曲率蒙皮钻孔法矢对准。

【技术实现步骤摘要】
基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法
本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法。
技术介绍
蒙皮钻铆制孔的法向垂直度是飞机制造中影响加工质量和飞行安全的关键因素。如果铆接孔的法向精度超出范围，将会导致铆钉不能垂直打入蒙皮，影响孔加工的直径和位置，造成铆接过程中连接部位结构的不稳定性，极大地影响铆接可靠性。根据波音、空客等公司针对孔的垂直度对结构件连接强度影响的研究实验可知：当铆钉或螺栓等紧固件沿外载荷作用方向倾斜约2°时，连接件疲劳强度和使用寿命下降约47％；当倾斜约为5°时，连接件疲劳强度和使用寿命下降约95％。因此，如何获得加工孔位点的法矢方向，成为了国内外航空制造业发展的技术重点。目前常用法矢检测方法分为2类，包括接触式测量方法和非接触式测量方法：接触式测量方法接触式测量主要由多个接触式位移传感器进行测量。该方法是基于利用在较小区域内任意不共线三点可构造等效平面的方式近似模拟待测量曲面零件表面的三点构造等效平面法，通过在加工主轴周围均匀布置多个位移传感器根据位移传感器测量值的不同，可以计算出刀具与蒙皮表面的法向误差，即蒙皮实际法向与理论法向的偏差。该方法对于小曲率零件具有较高的测量精度；且对待测量零件的粗糙度、表面反射特性没有特殊要求。但由于是接触式检测方法，与蒙皮接触的位移传感器的测头容易产生磨损和疲劳破坏，致使测头使用一定时期后需要更换，同时这种检测方式还存在操作繁琐，测量速度慢，效率无法保障，且无法用于测量软质或易划伤的材质的零件等方面的不足。非接触式测量方法非接触式测量主要包括三点构造等效平面法，矢量内积法和曲面拟合法等方法求取法矢方向。其中，三点构造等效平面法除采用上述的接触式传感器外，现在最常见于非接触测量方式中，多为采用激光位移传感器或电涡流传感器测量表面法矢；该方法的局限性在于由于采用微小三角平面近似模拟变形曲面，增大了垂直定位误差，会对测量精度会产生一定影响，当待测曲面的曲率较大时，测量精度难以保证。矢量内积法也称叉积法，通过计算曲面一点附近两向量的向量积来求与两个向量同时垂直的向量即该处法向量。曲面拟合法即通过对采集到的点集进行曲面拟合重构，获得一个与待测曲面近似的曲面片，根据拟合的曲面片求出过待测点的法向矢量。曲面拟合法常采用三坐标测量仪等数据采集设备采集大量的曲面数据点，利用采集到的点集进行曲面拟合重构，得到该点的法向矢量。上述方法中三点构造等效平面法；矢量内积法较为简单，可靠性较高，然而其精度难以保证，曲面拟合法虽然精度高，但该方法计算复杂，工作量较大，且只能检测到某一静态下的曲面点法向矢量，影响了加工精度和加工效率，无法满足某些在曲面加工过程中的对曲面点法向矢量实时检测的需要。由于测量方法存在以上局限性，导致大曲率曲面法矢测量精度差，效率难以保证，因此寻找一种新型针对大曲率蒙皮法矢检测方法对于改善大曲率蒙皮法矢检测问题，提高蒙皮铆接精度和效率具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术主要解决飞机大曲率蒙皮钻铆制孔时存在的法矢对准难度大、精度低的问题，提供一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法。本专利技术的目的在于提供一种新型曲面制孔时法矢方向快速精确对准方法，其能实时快速完成大曲率曲面待加工孔位法矢方向与加工轴线快速对准的姿态调整。具体是指利用光照射到任意表面都遵循“光线垂直物体表面入射时，入射光线、反射光线和法线三线合一”这一规律。建立光源投射方向与相机拍摄方向重合的同轴视觉单元，基于光源入射时高亮光斑中心点可表征法矢方向这一特性构建高亮光斑投射模型，将构造的特征光斑投射到大曲率蒙皮表面。通过提取高亮光斑中心点和待加工点坐标解算法矢偏移误差，确定法矢调整参数进行位姿修正，直到高亮光斑中心点与待加工点重合即完成法矢快速准确对准。本方法将法矢调整过程中曲面法矢测量难题简化为图像中高光中心点与加工目标点的对准问题，解决了传统法矢对准过程中法矢测量精度低、速度慢、可靠性差的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供了一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其包括以下步骤：步骤1、采用法矢测量系统获取图像法矢测量系统包括光源投射模块、图像采集模块、数据处理模块和加工模块；首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑，图像采集模块采集带有高亮光斑的蒙皮图像，然后将带有高亮光斑的蒙皮图像送至数据处理模块进行数据处理。步骤2、高亮光斑中心点提取2.1、在法矢测量系统中的数据处理模块中，将步骤1)中获取的带有高亮光斑的蒙皮图像进行滤波降噪，将经滤波降噪的蒙皮图像转化为灰度图像；2.2、通过灰度重心法，求得步骤2.1)中获得的灰度图像的高亮光斑初始中心点O′，以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量b值，其中，此时偏移量b为高亮光斑初始中心点与待加工孔位点偏移量；高亮光斑初始中心点坐标为O′(X′0,Y′0)；九宫格各格中心点坐标为p(Xi,Yi)，i＝1-8；由相机CCD成像特性可知，步骤2.1)中的灰度图像中各点处灰度值与该点处光强存在如下线性关系：G＝a×IP+Gb(16)其中G为图像上任意一点p的灰度值；a为响应率(V/lx·s)；IP是曲面上任意一点p反射到视点的光强，Gb为是暗电流引起的图像灰度；在公式16中a×IP远远大于Gb，由暗电流引起的灰度带来的影响可忽略不计，因此公式16可简化成：G＝aIP(17)根据图像灰度值与光强关联关系建立高亮光斑初始中心点与其余各九宫格中心点相对应比例关系：其中，GO′为高亮光斑初始中心点灰度值，Gi为其余各九宫格中心点灰度值i＝1-8，IO′为高亮光斑初始中心点光强值，Ii为其余各九宫格中心点光强i＝1-8。由此得到8组高亮光斑初始中心点与其余各点的灰度值与光强比例对应关系。2.3、将步骤2.2)中获得的公式19带入如下公式13中，获得公式20；其中，基于如下式13所示的光照模型，当偏移量b值为零时，IP值达到最大，此点即为高亮光斑中心点：其中，IP是曲面上任意一点p反射到视点的光强；Ka是环境光反射系数(0≤Ka≤1)；ia是环境光光强；Kd是漫反射系数；R为曲率半径；b为各点与高亮光斑中心点偏移量；id是慢反射光强；Ks是镜面反射系数；n为镜面反射光的会聚指数(与物体表面光滑度有关)；is是镜面反射光强；2.4、以步骤2.2)中获得的九宫格每个格中心点坐标值以及通过图像上各点灰度值与光强关联关系得到各点光强值，带入上述8组比例对应关系，即公式18中，求解公式15中各待定参量Kaia；Kdid；Ksis；R；n的初值及高亮光斑中心点O的坐标X0,Y0初值。2.5、为求取各参数最优值及高亮光斑中心点精确坐标，结合公式15进行多目标优化采用拟合优度作为目标函数：其中，R2为拟合优度的可决系数衡量方程整体拟合度评价标准，R2最大值为1。R2的值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、采用法矢测量系统获取图像/n法矢测量系统包括光源投射模块、图像采集模块、数据处理模块和加工模块；首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑，图像采集模块采集带有高亮光斑的蒙皮图像，然后将带有高亮光斑的蒙皮图像送至数据处理模块进行数据处理；/n步骤2、高亮光斑中心点提取/n2.1、在法矢测量系统中的数据处理模块中，将步骤1)中获取的带有高亮光斑的蒙皮图像进行滤波降噪，将经滤波降噪的蒙皮图像转化为灰度图像；/n2.2、通过灰度重心法，求得步骤2.1)中获得的灰度图像的高亮光斑初始中心点O′，以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量b值，/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高反光成像原理的钻孔法矢对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用法矢测量系统获取图像
法矢测量系统包括光源投射模块、图像采集模块、数据处理模块和加工模块；首先由光源投射模块向飞机蒙皮投射光斑，图像采集模块采集带有高亮光斑的蒙皮图像，然后将带有高亮光斑的蒙皮图像送至数据处理模块进行数据处理；
步骤2、高亮光斑中心点提取
2.1、在法矢测量系统中的数据处理模块中，将步骤1)中获取的带有高亮光斑的蒙皮图像进行滤波降噪，将经滤波降噪的蒙皮图像转化为灰度图像；
2.2、通过灰度重心法，求得步骤2.1)中获得的灰度图像的高亮光斑初始中心点O′，以O′为中心建立九宫格将每个格中心点坐标值带入公式19中求出O′点与其余各点偏移量b值，



其中，此时偏移量b为高亮光斑初始中心点与待加工孔位点偏移量；高亮光斑初始中心点坐标为O′(X′0,Y′0)；九宫格各格中心点坐标为p(Xi,Yi)，i＝1-8；
由相机CCD成像特性可知，步骤2.1)中的灰度图像中各点处灰度值与该点处光强存在如下线性关系：
G＝a×IP+Gb(16)
其中G为图像上任意一点p的灰度值；a为响应率(V/lx·s)；IP是曲面上任意一点p反射到视点的光强，Gb为是暗电流引起的图像灰度；在公式16中a×IP远远大于Gb，由暗电流引起的灰度带来的影响可忽略不计，因此公式16可简化成：
G＝aIP(17)
根据图像灰度值与光强关联关系建立高亮光斑初始中心点与其余各九宫格中心点相对应比例关系：



其中，GO′为高亮光斑初始中心点灰度值，Gi为其余各九宫格中心点灰度值i＝1-8，IO′为高亮光斑初始中心点光强值，Ii为其余各九宫格中心点光强i＝1-8；由此得到8组高亮光斑初始中心点与其余各点的灰度值与光强比例对应关系；
2.3、将步骤2.2)中获得的公式19带入如下公式13中，获得公式20；
其中，基于如下式13所示的光照模型，当偏移量b值为零时，IP值达到最大，此点即为高亮光斑中心点：



其中，IP是曲面上任意一点p反射到视点的光强；Ka是环境光反射系数(0≤Ka≤1)；ia是环境光光强；Kd是漫反射系数；R为曲率半径；b为各点与高亮光斑中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳，吕庆佳，高松，马鸿涛，王鹏，王彩红，王腾森，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21