0 引言

    飛機(jī)機(jī)身檢查是飛機(jī)維護(hù)中的重要環(huán)節(jié),，無(wú)論是正常的飛機(jī)維修檢查,，還是航線維護(hù)，都需要對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同程度的檢查,。然而,，傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)檢查通常采用人工目視檢查方法，由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)龐大,，通常需要其他機(jī)械輔助設(shè)備,，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)周期長(zhǎng),、漏檢率高等問(wèn)題^[1],，尤其是隨著民航的快速發(fā)展，需要檢測(cè)的飛機(jī)數(shù)量越來(lái)越多,，而對(duì)時(shí)間的要求越來(lái)越高,，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已難以滿足飛機(jī)機(jī)身快速、高效,、高精度的檢測(cè)要求,。因此，亟需解決飛機(jī)機(jī)身快速檢測(cè)問(wèn)題,，提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確度,。

    關(guān)于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化檢測(cè)，曾有研究機(jī)構(gòu)提出了飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)檢查機(jī)器人^[2],，該系統(tǒng)通過(guò)吸盤(pán)機(jī)器人在機(jī)身結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng),，通過(guò)加載在機(jī)器人上的檢測(cè)設(shè)備對(duì)飛機(jī)機(jī)身檢測(cè),，該系統(tǒng)只能檢測(cè)飛機(jī)特定部位,，無(wú)法完成整個(gè)機(jī)身的檢測(cè)，且由于機(jī)器人行動(dòng)較慢,，檢測(cè)效率相比人工提高有限,。結(jié)合無(wú)人機(jī)和激光的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)際上正在開(kāi)展基于二者的飛機(jī)機(jī)身檢測(cè),，然而該方法需要保證無(wú)人機(jī)的位置相對(duì)穩(wěn)定,。

    針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種檢查結(jié)果全面、準(zhǔn)確,、可靠,，且檢查效率高、檢查周期短,、檢查成本低的飛機(jī)機(jī)身檢查系統(tǒng),。根據(jù)飛機(jī)機(jī)身檢測(cè)的特殊性，通過(guò)結(jié)合無(wú)人機(jī)以及光學(xué)實(shí)時(shí)三維掃描技術(shù)來(lái)對(duì)航班飛機(jī)進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)以及故障排除,，不但可以極大縮短飛機(jī)檢測(cè)時(shí)間（從一兩天縮短到幾個(gè)小時(shí)）,，還可以極大降低維護(hù)成本和因此導(dǎo)致的航班延誤，同時(shí)檢測(cè)的精確性也會(huì)得到很大提升,。

1 檢測(cè)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)流程

    在檢測(cè)系統(tǒng)硬件通過(guò)自檢,、無(wú)人機(jī)飛控狀況良好的條件下，給機(jī)載設(shè)備通電,，并對(duì)機(jī)載設(shè)備上的各個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自檢,，在一切準(zhǔn)備就緒的情況下，操控搭載檢測(cè)設(shè)備的無(wú)人機(jī)對(duì)飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速掃描與檢測(cè),，對(duì)期間掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并作后期處理分析,，最后得出診斷結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告。檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖如圖1所示,。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    根據(jù)系統(tǒng)組成及實(shí)際測(cè)量需要,，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)采用五層結(jié)構(gòu),，從上到下定義為1～5層,，其中1和5層加裝云臺(tái)，云臺(tái)上面會(huì)安裝相機(jī)和掃描頭,，3層安裝飛行控制系統(tǒng)和圖傳,，4層用于安放電池，電池倉(cāng)為無(wú)人機(jī)系統(tǒng),、數(shù)據(jù)采集板,、照明光源以及云臺(tái)提供電源，2層用于安裝三維掃描頭的控制器系統(tǒng),。

    三維采集頭加載在云臺(tái)上,，根據(jù)掃描的需要可以自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)整個(gè)云臺(tái)可以根據(jù)掃描需要安裝在無(wú)人機(jī)上部或者下部,，采用立式或吊式進(jìn)行采集,。云臺(tái)對(duì)掃描時(shí)的畫(huà)面有全方位的穩(wěn)定，保證了采集畫(huà)面的清晰穩(wěn)定,。三維采集頭上加裝照明光源,，用于對(duì)機(jī)身比較昏暗的區(qū)域進(jìn)行檢查或在夜間進(jìn)行檢測(cè)時(shí)使用,。電池倉(cāng)為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板,、照明光源以及云臺(tái)提供電源,。攝像頭用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的感知，便于實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài),。飛控系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī),、飛行控制類(lèi)傳感器（包括高度、速度類(lèi)傳感器和姿態(tài)類(lèi)傳感器）,、決策控制電路模塊等組成,，它對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)的飛行控制起著決定性的作用^[3-8]。圖像傳輸系統(tǒng)相當(dāng)于檢測(cè)系統(tǒng)的“眼睛”,，利用攝像頭拍攝無(wú)人機(jī)飛行前方物體的圖像,，以第一視角的方式將圖像回傳給地面控制平臺(tái)，便于實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài),。攝像機(jī)上方的照明光源是為了在光線昏暗的情況下也能獲得較為清楚的畫(huà)面,。采用無(wú)線傳輸模塊將三維采集頭采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)地面檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)接收的數(shù)據(jù)圖像信息進(jìn)行檢測(cè)分析并找出可能的故障信息,。檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與測(cè)量設(shè)備連接,，將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的反饋，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身的快速檢測(cè),。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

    檢測(cè)系統(tǒng)的硬件采用多層次,、模塊化的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)接口和測(cè)試系統(tǒng)總線^[9-10],。

    整個(gè)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)和地面站,，地面站具有無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)，無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)相互通信,，由無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài),。無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)控制無(wú)人機(jī)圍繞停機(jī)狀態(tài)的飛機(jī)機(jī)身飛行，無(wú)人機(jī)的機(jī)體部上搭載有機(jī)載部,，機(jī)載部主要由三維掃描儀和機(jī)載通信單元組成,。地面站具有基于計(jì)算機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控單元和地面通信單元組成,。該地面通信單元與機(jī)載通訊單元相互通信,，機(jī)載通信單元將三維掃描儀所采集的飛機(jī)機(jī)身的圖像與三維數(shù)據(jù)傳輸給地面通信單元。系統(tǒng)組成圖如圖3所示,。

    無(wú)人機(jī)具有機(jī)體部和機(jī)載部,，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)見(jiàn)1.2節(jié),。地面站具有基于計(jì)算機(jī)運(yùn)行的無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái),。其中,，無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)主要由人機(jī)控制系統(tǒng)、視頻管理系統(tǒng),、監(jiān)視器等組成,；無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)通過(guò)遙控發(fā)射端和無(wú)人機(jī)機(jī)體部的遙控接收端與無(wú)人機(jī)進(jìn)行相互通信，當(dāng)然,，也可以采用其他現(xiàn)有的通信方式進(jìn)行相互通信,，即由無(wú)人機(jī)管理平臺(tái)控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)(包括飛行軌跡)。數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)主要由中央處理器,、實(shí)時(shí)監(jiān)控單元,、數(shù)據(jù)處理單元和地面通信單元組成；中央處理器作為超大規(guī)模的集成電路,，用于通過(guò)地面通信單元接收無(wú)人機(jī)的機(jī)載部所傳輸來(lái)的數(shù)據(jù),，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給實(shí)時(shí)監(jiān)控單元和數(shù)據(jù)處理單元，以此達(dá)到對(duì)機(jī)載部的三維掃描儀和攝像機(jī)的控制,；實(shí)時(shí)監(jiān)控單元作為監(jiān)控器,，用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)載部傳輸來(lái)的飛機(jī)機(jī)身的圖像數(shù)據(jù)，供監(jiān)控人員實(shí)時(shí)查看,；數(shù)據(jù)處理單元作為地面站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,，用于將接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；地面通信單元用于與機(jī)載部的機(jī)載通信單元進(jìn)行相互通信,，地面通信單元為現(xiàn)有的無(wú)線通信方式,，例如為WiFi或COFDM編碼正交頻分復(fù)用無(wú)線通信裝置。

    由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有模塊化的結(jié)構(gòu),，硬件設(shè)計(jì)可以分解進(jìn)行,，飛控系統(tǒng)和圖傳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板以及電池倉(cāng)分別集成在單獨(dú)的箱體內(nèi),，最后采用標(biāo)準(zhǔn)的箱體聯(lián)成有機(jī)整體,，將其通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的電池倉(cāng)即可為機(jī)載設(shè)備供電,，具有體積小巧,、重量輕便、不受場(chǎng)地的限制,、使用方便等優(yōu)點(diǎn),。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

    檢測(cè)系統(tǒng)軟件是構(gòu)造一套通用的測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的采集與發(fā)送,、圖傳信息的實(shí)時(shí)顯示與機(jī)載控制平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能^[11],，完成掃描采集數(shù)據(jù)信息的分析處理與結(jié)果保存，并由檢測(cè)診斷模塊分析采集所得的數(shù)據(jù),，給出檢測(cè)診斷的結(jié)果,。軟件實(shí)現(xiàn)的基本功能有：對(duì)飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行測(cè)點(diǎn)規(guī)劃和布局,、對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行優(yōu)化與模擬仿真等^[12]，提升檢測(cè)效率與質(zhì)量,；檢測(cè)系統(tǒng)具有自檢的功能,，軟件可以采集機(jī)載設(shè)備各個(gè)端口的工作狀態(tài)，以保證檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理與分析,，通過(guò)數(shù)據(jù)采集接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過(guò)逆向建模進(jìn)行處理,，完成大量測(cè)量數(shù)據(jù)的拼接融合^[13-15],；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得出檢測(cè)診斷結(jié)果,。

    軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境基于Windows系統(tǒng),，在三維采集頭剛開(kāi)始正常工作時(shí)，它通過(guò)創(chuàng)建深度數(shù)據(jù)流和彩色數(shù)據(jù)流,，然后將數(shù)據(jù)流與彩色/深度圖像對(duì)齊,，之后從數(shù)據(jù)流中讀取數(shù)據(jù)保存到VideoFrameRef中并用OpenCV顯示出來(lái)，獲取的數(shù)據(jù)利用UPLINK端口在移動(dòng)電腦上的Skanect PRO三維掃描軟件界面即可顯示出來(lái),，利用Skanect PRO得到的對(duì)飛機(jī)機(jī)身掃描的路徑和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的信息,，可對(duì)飛機(jī)機(jī)身表面三維重構(gòu)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理^[16]，最后由檢測(cè)診斷模塊重點(diǎn)對(duì)飛機(jī)機(jī)身蒙皮裂紋,、型材斷裂,、鉚釘松動(dòng)、掉鉚釘頭,、結(jié)構(gòu)變形等結(jié)構(gòu)損傷形式進(jìn)行分析,，從而得出檢測(cè)結(jié)果。

    Skanect PRO軟件是數(shù)據(jù)采集的核心,，運(yùn)行在地面站,，從三維采集頭獲取的三維數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲荆⒃赟kanect PRO軟件中進(jìn)行顯示,、拼接,、存儲(chǔ)以及簡(jiǎn)單后處理(重建、網(wǎng)格,、幾何處理等),。軟件分為設(shè)置、存儲(chǔ),、重建,、處理以及分享模塊，設(shè)置模塊完成掃描尺寸與掃描質(zhì)量設(shè)置，存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ),，重建模塊完成數(shù)據(jù)的融合,，處理模塊完成曲面重建、精簡(jiǎn),、濾波,、貼圖等處理,，分享模塊用于數(shù)據(jù)的導(dǎo)出,。掃描過(guò)程中，可以在Skanect軟件的主界面看到掃描獲得到主體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù),，而且還能看到掃描儀在掃描過(guò)程中的整個(gè)移動(dòng)路徑,，從而為進(jìn)一步的路徑規(guī)劃提供依據(jù)。由于數(shù)據(jù)量通常較大,，該軟件只做簡(jiǎn)單的后續(xù)濾波,、融合以及貼圖處理，把數(shù)據(jù)導(dǎo)出后,，后期復(fù)雜的處理需要專(zhuān)業(yè)軟件完成(如imageware,、geomagic等)。

3 測(cè)量實(shí)例

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性,，搭建了檢測(cè)系統(tǒng),。無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用通用架構(gòu)的六軸多旋翼平臺(tái)（核心包括飛機(jī)主體、飛控,、GPS,、云臺(tái)、遙控）,。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用ARM架構(gòu)外帶圖形處理的集成開(kāi)發(fā)板,，可運(yùn)行Linux或Windows系統(tǒng)。三維采集頭可采用ASUS Xtion或PrimeSense三維傳感器,，正面有三個(gè)圈,，最左邊的是紅外線發(fā)射器，和最右邊的紅外線接收器是一組的,，用來(lái)感應(yīng)深度,，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；中間的是RGB感應(yīng)器,，可用來(lái)攝取彩色影像,。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)采用移動(dòng)電腦，捕獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和彩色影像可實(shí)時(shí)在Skanect PRO三維掃描軟件界面呈現(xiàn),。

    在地面通過(guò)遙控?zé)o人機(jī)的飛行姿態(tài),，由無(wú)人機(jī)搭載的檢測(cè)設(shè)備對(duì)停場(chǎng)的飛機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)是對(duì)機(jī)翼上下表面,、機(jī)身下部,、機(jī)尾部分,、門(mén)和門(mén)框以及起落架艙等區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。具體過(guò)程是由電池倉(cāng)為檢測(cè)設(shè)備提供電源,，加載在云臺(tái)上的三維采集頭對(duì)飛機(jī)機(jī)身的型面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,，并將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)采集板中。在掃描檢測(cè)過(guò)程中,，由攝像頭感知無(wú)人機(jī)的狀況,，通過(guò)圖傳系統(tǒng)將畫(huà)面實(shí)時(shí)回傳給地面接收的PC，以第一視角（First Person View,，F(xiàn)PV）的方式實(shí)時(shí)便捷地操縱無(wú)人機(jī)的飛行軌跡,。通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給地面的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，后期對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理并得出相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果,。

    在實(shí)現(xiàn)集成調(diào)試后,，對(duì)真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量的飛機(jī)為學(xué)校訓(xùn)練機(jī)型TB20,，其機(jī)長(zhǎng)7.71 m,，機(jī)高2.85 m，翼展9.77 m,，如圖4所示,。

    整個(gè)飛機(jī)的掃描時(shí)間約為15 min。掃描的局部原始數(shù)據(jù)如圖5所示,，從圖中可看成,，機(jī)體痕跡數(shù)據(jù)都被很好地掃描出來(lái)，掃描數(shù)據(jù)精度滿足要求,。

    掃描后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,、融合等處理，得到完整的機(jī)身三維數(shù)據(jù),，如圖6所示,。因此，系統(tǒng)可以快速,、高精度地完成飛機(jī)機(jī)身快速掃描,，得到的數(shù)據(jù)可以很好地用于機(jī)身局部及整體分析。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文采用無(wú)人機(jī)的飛機(jī)機(jī)身快速檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),，可以大大縮短飛機(jī)停場(chǎng)檢測(cè)的時(shí)間,，極大降低飛機(jī)的維護(hù)成本和由此導(dǎo)致的航班延誤。同時(shí)該系統(tǒng)能大大提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確度,，降低檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,，避免出現(xiàn)人身安全等事故。該系統(tǒng)所采用的所有設(shè)備均只需電池供電，使用成本遠(yuǎn)低于搭架檢測(cè)和檢測(cè)車(chē),，而且系統(tǒng)維護(hù)的費(fèi)用較低,，對(duì)操作人員的培訓(xùn)也相對(duì)簡(jiǎn)單。除此之外,，飛機(jī)機(jī)身快速檢測(cè)系統(tǒng)使用靈活,，適應(yīng)范圍廣，無(wú)需專(zhuān)用起降場(chǎng)地,，便于飛機(jī)機(jī)身檢測(cè)的日?；M(jìn)行。

    本系統(tǒng)采用的無(wú)人機(jī)重量輕,，體積小,，起降簡(jiǎn)單,，操作靈活,，可對(duì)其遠(yuǎn)程遙控，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,，對(duì)特定位置進(jìn)行定點(diǎn)懸停觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集,，還可以多次反復(fù)檢測(cè)。而且檢測(cè)用的三維掃描模塊數(shù)據(jù)采樣率高,，數(shù)字化采集,、兼容性好，在精度,、速度,、易操作性、輕便,、抗干擾能力等性能方面都是比較高的,，能夠?qū)崿F(xiàn)高效快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用的模塊化設(shè)計(jì),，使之維護(hù)和升級(jí)都很方便,。

    系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)使其應(yīng)用前景非常廣泛，可拆卸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得三維采集頭可用于對(duì)房間,、人像等物體進(jìn)行3D掃描,，獲取的深度和彩色數(shù)據(jù)流可以在OpenCV上顯示并在Android平臺(tái)上運(yùn)行，可以將系統(tǒng)軟件做成基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序,，實(shí)現(xiàn)在手持設(shè)備上就可以獲取和存儲(chǔ)物體三維模型,，即時(shí)獲取掃描物體的三維尺寸、配色方案等參數(shù)信息,，之后可將掃描的數(shù)據(jù)在云端上傳和處理,，實(shí)現(xiàn)在PC上模型的優(yōu)化和修復(fù)，合適尺寸的模型可以通過(guò)3D打印直接打印出來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化,。

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作者信息:

魏永超，趙  偉

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛行技術(shù)與飛行安全科研基地,，四川 廣漢618307,；

2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢618307)