文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.031
中文引用格式： 魏永超，趙偉. 基于無(wú)人機(jī)的飛機(jī)機(jī)身快速檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)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
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)通過吸盤機(jī)器人在機(jī)身結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng)，通過加載在機(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)的畫面有全方位的穩(wěn)定，保證了采集畫面的清晰穩(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)、飛行控制類傳感器（包括高度、速度類傳感器和姿態(tài)類傳感器）、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，將其通過無(wú)人機(jī)搭載，整個(gè)系統(tǒng)通過內(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]；通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得出檢測(cè)診斷結(jié)果。
軟件開發(fā)環(huán)境基于Windows系統(tǒng)，在三維采集頭剛開始正常工作時(shí)，它通過創(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?，并在Skanect 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、門和門框以及起落架艙等區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。具體過程是由電池倉(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)過程中，由攝像頭感知無(wú)人機(jī)的狀況，通過圖傳系統(tǒng)將畫面實(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，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)