一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法与流程

1.本发明涉及制造资源统一建模技术领域，具体涉及一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法。


背景技术：

2.飞机完成装配后，需要对飞机的装配质量进行检验，验证外形是否满足设计要求。飞机水平测量是飞机重要部件安装精度、飞机对称性测量等工序的重要手段，能够测量飞机各部件的安装是否到位，在飞机复检中，飞机水平测量能够反应飞机外形的形变量。传统的水平测量点是在飞机表面打制的铳点或者是特定的铆钉等，随着飞机机身结构复合材料及涂层广泛的应用，传统的水平点打制工艺不再适合新材料的要求，为适应新材料需求现在飞机水平点为红色油漆点，如附图1所示为某一种飞机水平点喷涂样式。
3.现阶段应用于飞机水平测量的数字化测量系统主要包括激光跟踪仪测量系统、igps测量系统、激光雷达测量系统、工业摄影测量系统等，现有的数字化测量系统可分为接触式测量和非接触式测量，其中接触式测量主要有激光跟踪仪测量系统、igps测量系统、工业摄影测量系统，非接触式测量主要有激光雷达测量系统、经纬仪测量系统。
4.接触式测量，通过接触式靶球或探针方式进行测量，测量时放置位置即为测量目标。而当前的水平点目标没有机械结构特征，无法精确的放置在水平点中心上，会引起1~2mm的较大测量误差，无法满足测量需求。igps测量系统测量时，需要通过操作人员的人工瞄准后才能测量目标点，不仅会引入0.5~1mm的人工瞄准误差，还造成测量时间成本较大，测量时间通常大于8小时。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决目前飞机测量存在的水平中心找不准、测量效率低等问题，提出了一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，该方法采用投射光斑的方式，快速准确的投射到水平测量点的中心，为摄影测量系统提供有效的测量目标，提升测量精度和测量效率。
6.为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、将飞机坐标系与投点器坐标系配准；步骤s2、从数模中获取水平测量点的理论位置，将投点器按理论位置投点；步骤s3、获取光斑中心m和水平点中心n；步骤s4、根据光斑中心坐标m（x0,y0）和水平点中心坐标n（x1,y1），计算二者中心的像素偏差；步骤s5、利用像素偏差值，通过转换公式计算偏转角；步骤s6、判断角度偏转量是否小于阈值，若是，表示瞄准完整，否则按照该偏转量
对设备角度实施调整，调整完成后，返回重复步骤s3-s6，直至瞄准完成。
7.进一步的，在某一具体实施例中，步骤s6中，判断角度偏转量是否小于阈值按照包括：根据调整后的位置，计算调整后m
´
点与水平点n之间的距离d，如果d≤1/2γ，则表示已经调整到位；如果d＞1/2γ，返回重复步骤s3-s6需继续调整，直至满足需求为准；其中，γ为转台分辨率。
8.进一步的，在某一具体实施例中，步骤s1中，通过3个不共线的水平测量点实现飞机坐标系与投点器坐标系的配准：p=rp
´
+t+σ；其中，p为飞机坐标系下3个水平点坐标矩阵；p
´
为投点器坐标系下3个水平点坐标矩阵；r为3
×
3的旋转矩阵，t为3
×
1的平移向量，σ为残差；需满足σ≤0.5，当σ＞0.5时，需重新选点进行坐标系配准，以减小后续配准的搜索范围。
9.进一步的，在某一具体实施例中，步骤s5中，利用像素偏差值，通过转换公式计算角度偏转量，转换公式如下：；其中，、为待求解的角度偏转量，、为x、y两个方向的像素偏差值，s为相机像素大小，为相机焦距。
10.进一步的，在某一具体实施例中，、计算方法为：；。
11.进一步的，在某一具体实施例中，步骤s3中，获取光斑中心为：利用单点投点器含有光斑的图像，对图像进行阈值分割处理，并利用质心法计算光斑中心的像素坐标。
12.进一步的，在某一具体实施例中，步骤s3中，获取水平点中心为：关闭单点投点器的投射光斑，采集飞机水平点图像，并利用模板匹配算法，提取水平点的中心像素坐标。
13.综上所述，本发明具有以下优点：1、通过试验表明，本文提出的方法能够较高精度的对飞机水平点进行瞄准，比传统人工接触方式的精度约提高一个数量级，并且具有较高的瞄准速度与自动化程度。
14.2、采用本发明的非接触式瞄准方式，可避免接触式测量方式对飞机表面的损伤。
15.3、采用本发明的非接触式瞄准方式，对飞机进行水平测量，能节约测量成本，仅需1人就能完成飞机水平测量工作。
16.4、本发明的瞄准精度高，测量效率高，无需测量工装支撑，可直接完成飞机水平测量。
附图说明
17.图1为某一种飞机水平点喷涂样式；图2为本发明初次瞄准后的位置示意图；
图3为水平点瞄准方法流程示意图；图中：1、测量点，2、投点器投射的理论位置。
具体实施方式
18.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
19.实施例1针对飞机水平测量中水平点打不准、测量效率低的问题，本实施例提供了一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，如图3所示，包括以下步骤：步骤s1、坐标系配准；通过3个不共线的水平测量点，实现飞机坐标系与投点器坐标系的配准：p=rp
´
+t+σ；其中，p为飞机坐标系下3个水平点坐标矩阵；p
´
为投点器坐标系下3个水平点坐标矩阵；r为3
×
3的旋转矩阵；t为3
×
1的平移向量；σ为残差，需满足σ≤0.5，当σ＞0.5时，需重新选点进行坐标系配准，以减小后续配准的搜索范围。
20.步骤s2、初次瞄准；从数模中获取水平测量点的理论位置，将投点器按理论位置投点，初次瞄准后理论测量点与实际水平测量点存在偏差。
[0021] 步骤 s3、获取投点器光斑中心；利用单点投点器含有光斑的图像，对图像进行阈值分割处理，并利用质心法计算光斑中心的像素坐标m（x0,y0）。
[0022]
步骤s4、获取水平点中心；关闭单点投点器的投射光斑，采集飞机水平点图像，并利用模板匹配算法，提取水平点的中心像素坐标n（x1,y1）。
[0023]
步骤s5、偏转角计算；利用像素偏差值，通过转换公式计算偏转角，转换公式如下：；其中，、为待求解的角度偏转量，、为x、y两个方向的像素偏差值，s为相机像素大小， 为相机焦距。、计算方法为：；；步骤s6、精确调整；根据得到的角度偏转量进行投点器调整。
[0024]
步骤s7、判断调整情况；根据调整后的位置，计算调整后m’点与水平点n之间的距离d，如果d≤1/2γ，则表示已经调整到位；如果d＞1/2γ，返回重复步骤s3-s6需继续调整，直至满足需求为准。其中γ为转台分辨率。
[0025]
实施例2下面结合一个实际案例来对本发明一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法的实施步骤进行阐述。
[0026]
应用某工业摄影系统进行飞机水平测量，其中相机焦距为200mm，相机像素尺寸为
5.5um，飞机水平点中的测量点大小为2mm；偏转角阈值为2秒，瞄准距离约为5000mm，具体操作流程如下：步骤s1、坐标系配准；通过3个不共线的水平测量点，实现飞机坐标系与投点器坐标系的配准：p=rp
´
+t+σ；其中，p为飞机坐标系下3个水平点坐标矩阵；p
´
为投点器坐标系下3个水平点坐标矩阵；r为3
×
3的旋转矩阵，t为3
×
1的平移向量，σ为残差。需满足σ≤0.5，当σ＞0.5时，需重新选点进行坐标系配准，以减小后续配准的搜索范围。
[0027]
步骤s2、初次瞄准；从数模中获取水平测量点的理论位置，将投点器按理论位置投点，如说明书附图2所示，水平测量点光斑内径一般为r8，外径为r10，单位为mm；初次瞄准后理论测量点与实际水平测量点存在偏差。
[0028]
步骤s3、获取投点器光斑中心；利用单点投点器含有光斑的图像，对图像进行阈值分割处理，并利用质心法计算光斑中心的像素坐标m（x0,y0）。
[0029]
步骤s4、获取水平点中心；关闭单点投点器的投射光斑，采集飞机水平点图像，并利用模板匹配算法，提取水平点的中心像素坐标n（x1,y1）。
[0030]
步骤s5、偏转角计算；利用像素偏差值，通过转换公式计算偏转角，转换公式如下：；其中，、为待求解的角度偏转量，、为x、y两个方向的像素偏差值，s为相机像素大小，为相机焦距。、计算方法为：；；；步骤s6、精确调整；根据得到的角度偏转量进行投点器调整。
[0031]
步骤s7、判断调整情况；根据调整后的位置，计算调整后m
´
点与水平点n之间的距离d，如果d≤1/2γ，则表示已经调整到位；如果d＞1/2γ，返回重复步骤s3-s6需继续调整，直至满足需求为准。其中γ为转台分辨率。
[0032]
操作设备进行自动瞄准，其中瞄准时角度调整3次，完成后偏转角为1.6秒，耗时20秒，瞄准误差约为0.04mm。
[0033]
通过试验表明，本文提出的方法能够较高精度的对飞机水平点进行瞄准，比传统人工接触方式的精度约提高一个数量级，并且具有较高的瞄准速度与自动化程度。
[0034]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、将飞机坐标系与投点器坐标系配准；步骤s2、从数模中获取水平测量点的理论位置，将投点器按理论位置投点；步骤s3、获取光斑中心m和水平点中心n；步骤s4、根据光斑中心坐标m（x0,y0）和水平点中心坐标n（x1,y1），计算二者中心的像素偏差；步骤s5、利用像素偏差值，通过转换公式计算偏转角；步骤s6、判断角度偏转量是否小于阈值，若是，表示瞄准完整，否则按照该偏转量对设备角度实施调整，调整完成后，返回重复步骤s3-s6，直至瞄准完成。2.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，步骤s6中，判断角度偏转量是否小于阈值按照包括：根据调整后的位置，计算调整后m
´
点与水平点n之间的距离d，如果d≤1/2γ，则表示已经调整到位；如果d＞1/2γ，返回重复步骤s3-s6需继续调整，直至满足需求为准；其中，γ为转台分辨率。3.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，步骤s1中，通过3个不共线的水平测量点实现飞机坐标系与投点器坐标系的配准：p=rp
´
+t+σ；其中，p为飞机坐标系下3个水平点坐标矩阵；p
´
为投点器坐标系下3个水平点坐标矩阵；r为3
×
3的旋转矩阵，t为3
×
1的平移向量，σ为残差；需满足σ≤0.5，当σ＞0.5时，需重新选点进行坐标系配准，以减小后续配准的搜索范围。4.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，步骤s5中，利用像素偏差值，通过转换公式计算角度偏转量，转换公式如下：；其中，、为待求解的角度偏转量，、为x、y两个方向的像素偏差值，s为相机像素大小，为相机焦距。5.根据权利要求4所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，、计算方法为：；。6.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，步骤s3中，获取光斑中心为：利用单点投点器含有光斑的图像，对图像进行阈值分割处理，并利用质心法计算光斑中心的像素坐标。7.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，其特征在于，步骤s3中，获取水平点中心为：关闭单点投点器的投射光斑，采集飞机水平点图像，
并利用模板匹配算法，提取水平点的中心像素坐标。

技术总结
本发明公开了一种基于视觉引导的飞机水平点高精度快速瞄准方法，属于飞机水平测量技术领域，包括：使瞄准光斑照准在飞机水平点附近；获取光斑中心和水平点中心，然后根据光斑中心坐标和水平点中心坐标，计算二者中心的像素偏差；利用像素偏差值，通过转换公式计算偏转角。判断调整为判断角度偏转量是否小于阈值，如果是，则表示瞄准完成，如果否，则按照该偏转量对设备角度进行调整，调整完成后，返回重复前述步骤直至瞄准完成。本发明能够较高精度的对飞机水平点进行瞄准，比传统人工接触方式的精度约提高一个数量级，并且具有较高的瞄准速度与自动化程度。准速度与自动化程度。准速度与自动化程度。


技术研发人员：周力 朱绪胜 林岚 陈代鑫 陈林 缑建杰 杨吉飞 陈俊佑
受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.08.28
技术公布日：2023/10/5