《电子技术应用》

基于无人机的飞机机身快速检测系统

2017年电子技术应用第6期 作者:魏永超,赵 伟
2017/7/19 13:36:00

魏永超,赵  伟

(1.中国民用航空飞行学院 飞行技术与飞行安全科研基地,四川 广汉618307;

2.中国民用航空飞行学院 航空工程学院,四川 广汉618307)


    摘  要: 为了解决飞机机身快速检测问题,提高检测的效率和准确度,设计了一种利用无人机搭载检测设备对飞机机身进行检测的飞机机身结构快速检测系统。利用多旋翼无人机的优点,系统硬件采用了多层次、模块化的开放式结构设计,构造了一套通用的软件测试平台。整个系统分为移动机载控制平台和后端处理平台两个部分,能够实现图像的回传和检测过程的实时监控,并通过对采集的数据进行分析处理,得出最后的诊断结果和检测报告。最后,通过完成的系统对真实飞机检测,数据结果验证了系统的有效性,可以用于飞机的快速检测。

    关键词: 无人机;飞机机身;三维扫描;数据处理

    中图分类号: TN06;TP29

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.031


    中文引用格式: 魏永超,赵伟. 基于无人机的飞机机身快速检测系统[J].电子技术应用,2017,43(6):122-125.

    英文引用格式: Wei Yongchao,Zhao Wei. Rapid detection system for aircraft fuselage based on UAV[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):122-125.

0 引言

    飞机机身检查是飞机维护中的重要环节,无论是正常的飞机维修检查,还是航线维护,都需要对飞机结构进行不同程度的检查。然而,传统的飞机机身结构检查通常采用人工目视检查方法,由于飞机结构庞大,通常需要其他机械辅助设备,存在劳动强度大、检测周期长、漏检率高等问题[1],尤其是随着民航的快速发展,需要检测的飞机数量越来越多,而对时间的要求越来越高,传统的检测技术已难以满足飞机机身快速、高效、高精度的检测要求。因此,亟需解决飞机机身快速检测问题,提高检测的效率和准确度。

    关于飞机机身结构的自动化检测,曾有研究机构提出了飞机机身结构检查机器人[2],该系统通过吸盘机器人在机身结构上运动,通过加载在机器人上的检测设备对飞机机身检测,该系统只能检测飞机特定部位,无法完成整个机身的检测,且由于机器人行动较慢,检测效率相比人工提高有限。结合无人机和激光的优势,目前国际上正在开展基于二者的飞机机身检测,然而该方法需要保证无人机的位置相对稳定。

    针对上述现有技术的不足,本文提供一种检查结果全面、准确、可靠,且检查效率高、检查周期短、检查成本低的飞机机身检查系统。根据飞机机身检测的特殊性,通过结合无人机以及光学实时三维扫描技术来对航班飞机进行检测维护以及故障排除,不但可以极大缩短飞机检测时间(从一两天缩短到几个小时),还可以极大降低维护成本和因此导致的航班延误,同时检测的精确性也会得到很大提升。

1 检测系统介绍

1.1 系统检测流程

    在检测系统硬件通过自检、无人机飞控状况良好的条件下,给机载设备通电,并对机载设备上的各个检测系统进行自检,在一切准备就绪的情况下,操控搭载检测设备的无人机对飞机机身结构进行快速扫描与检测,对期间扫描的数据进行采集并作后期处理分析,最后得出诊断结果和检测报告。检测系统的流程图如图1所示。

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1.2 系统结构图

    根据系统组成及实际测量需要,系统的结构图如图2所示。整个系统采用五层结构,从上到下定义为1~5层,其中1和5层加装云台,云台上面会安装相机和扫描头,3层安装飞行控制系统和图传,4层用于安放电池,电池仓为无人机系统、数据采集板、照明光源以及云台提供电源,2层用于安装三维扫描头的控制器系统。

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    三维采集头加载在云台上,根据扫描的需要可以自由旋转,同时整个云台可以根据扫描需要安装在无人机上部或者下部,采用立式或吊式进行采集。云台对扫描时的画面有全方位的稳定,保证了采集画面的清晰稳定。三维采集头上加装照明光源,用于对机身比较昏暗的区域进行检查或在夜间进行检测时使用。电池仓为无人机系统、数据采集板、照明光源以及云台提供电源。摄像头用于无人机系统的感知,便于实时调整无人机飞行姿态。飞控系统主要由中央计算机、飞行控制类传感器(包括高度、速度类传感器和姿态类传感器)、决策控制电路模块等组成,它对整个无人机的飞行控制起着决定性的作用[3-8]。图像传输系统相当于检测系统的“眼睛”,利用摄像头拍摄无人机飞行前方物体的图像,以第一视角的方式将图像回传给地面控制平台,便于实时调整无人机飞行姿态。摄像机上方的照明光源是为了在光线昏暗的情况下也能获得较为清楚的画面。采用无线传输模块将三维采集头采集的数据信息通过数据传输模块实现地面检测系统和机载设备的数据通信。数据处理模块用于对接收的数据图像信息进行检测分析并找出可能的故障信息。检测系统通过数据采集器与测量设备连接,将测量数据进行实时高效的反馈,实现飞机机身的快速检测。

2 系统实现

2.1 硬件实现

    检测系统的硬件采用多层次、模块化的开放式结构设计,采用标准化检测接口和测试系统总线[9-10]

    整个系统包括无人机和地面站,地面站具有无人机管理平台,无人机与无人机管理平台相互通信,由无人机管理平台控制无人机的飞行状态。无人机管理平台控制无人机围绕停机状态的飞机机身飞行,无人机的机体部上搭载有机载部,机载部主要由三维扫描仪和机载通信单元组成。地面站具有基于计算机运行的数据监控平台,数据监控平台主要由实时监控单元和地面通信单元组成。该地面通信单元与机载通讯单元相互通信,机载通信单元将三维扫描仪所采集的飞机机身的图像与三维数据传输给地面通信单元。系统组成图如图3所示。

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    无人机具有机体部和机载部,其详细结构实现见1.2节。地面站具有基于计算机运行的无人机管理平台和数据监控平台。其中,无人机管理平台主要由人机控制系统、视频管理系统、监视器等组成;无人机管理平台通过遥控发射端和无人机机体部的遥控接收端与无人机进行相互通信,当然,也可以采用其他现有的通信方式进行相互通信,即由无人机管理平台控制无人机的飞行状态(包括飞行轨迹)。数据监控平台主要由中央处理器、实时监控单元、数据处理单元和地面通信单元组成;中央处理器作为超大规模的集成电路,用于通过地面通信单元接收无人机的机载部所传输来的数据,并将这些数据传输给实时监控单元和数据处理单元,以此达到对机载部的三维扫描仪和摄像机的控制;实时监控单元作为监控器,用于实时显示机载部传输来的飞机机身的图像数据,供监控人员实时查看;数据处理单元作为地面站的数据存储单元,用于将接收到的图像数据进行存储;地面通信单元用于与机载部的机载通信单元进行相互通信,地面通信单元为现有的无线通信方式,例如为WiFi或COFDM编码正交频分复用无线通信装置。

    由于系统设计具有模块化的结构,硬件设计可以分解进行,飞控系统和图传系统、数据采集板以及电池仓分别集成在单独的箱体内,最后采用标准的箱体联成有机整体,将其通过无人机搭载,整个系统通过内置的电池仓即可为机载设备供电,具有体积小巧、重量轻便、不受场地的限制、使用方便等优点。

2.2 软件实现

    检测系统软件是构造一套通用的测试平台,实现检测信号的采集与发送、图传信息的实时显示与机载控制平台的实时监控等功能[11],完成扫描采集数据信息的分析处理与结果保存,并由检测诊断模块分析采集所得的数据,给出检测诊断的结果。软件实现的基本功能有:对飞机机身进行测点规划和布局、对检测路径进行优化与模拟仿真等[12],提升检测效率与质量;检测系统具有自检的功能,软件可以采集机载设备各个端口的工作状态,以保证检测系统的稳定运行;实现数据快速处理与分析,通过数据采集接口实现数据的自动采集,获取的大量点云数据可以通过逆向建模进行处理,完成大量测量数据的拼接融合[13-15];通过对数据的处理分析,得出检测诊断结果。

    软件开发环境基于Windows系统,在三维采集头刚开始正常工作时,它通过创建深度数据流和彩色数据流,然后将数据流与彩色/深度图像对齐,之后从数据流中读取数据保存到VideoFrameRef中并用OpenCV显示出来,获取的数据利用UPLINK端口在移动电脑上的Skanect PRO三维扫描软件界面即可显示出来,利用Skanect PRO得到的对飞机机身扫描的路径和点云数据的信息,可对飞机机身表面三维重构并进行数据处理[16],最后由检测诊断模块重点对飞机机身蒙皮裂纹、型材断裂、铆钉松动、掉铆钉头、结构变形等结构损伤形式进行分析,从而得出检测结果。

    Skanect PRO软件是数据采集的核心,运行在地面站,从三维采集头获取的三维数据和二维数据可实时传输到地面站,并在Skanect PRO软件中进行显示、拼接、存储以及简单后处理(重建、网格、几何处理等)。软件分为设置、存储、重建、处理以及分享模块,设置模块完成扫描尺寸与扫描质量设置,存储模块实时显示数据以及存储,重建模块完成数据的融合,处理模块完成曲面重建、精简、滤波、贴图等处理,分享模块用于数据的导出。扫描过程中,可以在Skanect软件的主界面看到扫描获得到主体的点云数据与图像数据,而且还能看到扫描仪在扫描过程中的整个移动路径,从而为进一步的路径规划提供依据。由于数据量通常较大,该软件只做简单的后续滤波、融合以及贴图处理,把数据导出后,后期复杂的处理需要专业软件完成(如imageware、geomagic等)。

3 测量实例

    为了验证系统的有效性,搭建了检测系统。无人机平台采用通用架构的六轴多旋翼平台(核心包括飞机主体、飞控、GPS、云台、遥控)。数据采集平台采用ARM架构外带图形处理的集成开发板,可运行Linux或Windows系统。三维采集头可采用ASUS Xtion或PrimeSense三维传感器,正面有三个圈,最左边的是红外线发射器,和最右边的红外线接收器是一组的,用来感应深度,获取点云数据;中间的是RGB感应器,可用来摄取彩色影像。数据处理平台采用移动电脑,捕获的点云数据和彩色影像可实时在Skanect PRO三维扫描软件界面呈现。

    在地面通过遥控无人机的飞行姿态,由无人机搭载的检测设备对停场的飞机进行检测,重点是对机翼上下表面、机身下部、机尾部分、门和门框以及起落架舱等区域进行检测。具体过程是由电池仓为检测设备提供电源,加载在云台上的三维采集头对飞机机身的型面数据进行采集,并将数据信息存储到数据采集板中。在扫描检测过程中,由摄像头感知无人机的状况,通过图传系统将画面实时回传给地面接收的PC,以第一视角(First Person View,FPV)的方式实时便捷地操纵无人机的飞行轨迹。通过无线传输模块将采集到的数据信息传输给地面的数据处理平台,后期对数据信息进行分析处理并得出相应的检测结果。

    在实现集成调试后,对真实飞机进行了测试,测量的飞机为学校训练机型TB20,其机长7.71 m,机高2.85 m,翼展9.77 m,如图4所示。

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    整个飞机的扫描时间约为15 min。扫描的局部原始数据如图5所示,从图中可看成,机体痕迹数据都被很好地扫描出来,扫描数据精度满足要求。

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    扫描后对数据进行滤波、融合等处理,得到完整的机身三维数据,如图6所示。因此,系统可以快速、高精度地完成飞机机身快速扫描,得到的数据可以很好地用于机身局部及整体分析。

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4 结语

    本文采用无人机的飞机机身快速检测系统对飞机机身结构进行检测,可以大大缩短飞机停场检测的时间,极大降低飞机的维护成本和由此导致的航班延误。同时该系统能大大提高检测的效率和准确度,降低检测人员的劳动强度,避免出现人身安全等事故。该系统所采用的所有设备均只需电池供电,使用成本远低于搭架检测和检测车,而且系统维护的费用较低,对操作人员的培训也相对简单。除此之外,飞机机身快速检测系统使用灵活,适应范围广,无需专用起降场地,便于飞机机身检测的日常化进行。

    本系统采用的无人机重量轻,体积小,起降简单,操作灵活,可对其远程遥控,能够实现数据的实时传输,对特定位置进行定点悬停观测与数据采集,还可以多次反复检测。而且检测用的三维扫描模块数据采样率高,数字化采集、兼容性好,在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面都是比较高的,能够实现高效快速稳定的数据采集。系统采用的模块化设计,使之维护和升级都很方便。

    系统模块化的设计使其应用前景非常广泛,可拆卸的设计结构使得三维采集头可用于对房间、人像等物体进行3D扫描,获取的深度和彩色数据流可以在OpenCV上显示并在Android平台上运行,可以将系统软件做成基于Android系统的应用程序,实现在手持设备上就可以获取和存储物体三维模型,即时获取扫描物体的三维尺寸、配色方案等参数信息,之后可将扫描的数据在云端上传和处理,实现在PC上模型的优化和修复,合适尺寸的模型可以通过3D打印直接打印出来,能够实现产品的产业化。

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