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)，無論是正常的飛機(jī)維修檢查，還是航線維護(hù)，都需要對飛機(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、檢測周期長、漏檢率高等問題^[1]，尤其是隨著民航的快速發(fā)展，需要檢測的飛機(jī)數(shù)量越來越多，而對時(shí)間的要求越來越高，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已難以滿足飛機(jī)機(jī)身快速、高效、高精度的檢測要求。因此，亟需解決飛機(jī)機(jī)身快速檢測問題，提高檢測的效率和準(zhǔn)確度。

    關(guān)于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化檢測，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)器人上的檢測設(shè)備對飛機(jī)機(jī)身檢測，該系統(tǒng)只能檢測飛機(jī)特定部位，無法完成整個(gè)機(jī)身的檢測，且由于機(jī)器人行動(dòng)較慢，檢測效率相比人工提高有限。結(jié)合無人機(jī)和激光的優(yōu)勢，目前國際上正在開展基于二者的飛機(jī)機(jī)身檢測，然而該方法需要保證無人機(jī)的位置相對穩(wěn)定。

    針對上述現(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)身檢測的特殊性，通過結(jié)合無人機(jī)以及光學(xué)實(shí)時(shí)三維掃描技術(shù)來對航班飛機(jī)進(jìn)行檢測維護(hù)以及故障排除，不但可以極大縮短飛機(jī)檢測時(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)檢測的精確性也會(huì)得到很大提升。

1 檢測系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)檢測流程

    在檢測系統(tǒng)硬件通過自檢、無人機(jī)飛控狀況良好的條件下，給機(jī)載設(shè)備通電，并對機(jī)載設(shè)備上的各個(gè)檢測系統(tǒng)進(jìn)行自檢，在一切準(zhǔn)備就緒的情況下，操控搭載檢測設(shè)備的無人機(jī)對飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速掃描與檢測，對期間掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并作后期處理分析，最后得出診斷結(jié)果和檢測報(bào)告。檢測系統(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，電池倉為無人機(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)行檢測時(shí)使用。電池倉為無人機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板、照明光源以及云臺(tái)提供電源。攝像頭用于無人機(jī)系統(tǒng)的感知，便于實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(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，它對整個(gè)無人機(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)于檢測系統(tǒng)的“眼睛”，利用攝像頭拍攝無人機(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)處理模塊用于對接收的數(shù)據(jù)圖像信息進(jìn)行檢測分析并找出可能的故障信息。檢測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集器與測量設(shè)備連接，將測量數(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。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

    檢測系統(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)化檢測接口和測試系統(tǒng)總線^[9-10]。

    整個(gè)系統(tǒng)包括無人機(jī)和地面站，地面站具有無人機(jī)管理平臺(tái)，無人機(jī)與無人機(jī)管理平臺(tái)相互通信，由無人機(jī)管理平臺(tái)控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)。無人機(jī)管理平臺(tái)控制無人機(jī)圍繞停機(jī)狀態(tài)的飛機(jī)機(jī)身飛行，無人機(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)行的無人機(jī)管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)。其中，無人機(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；無人機(jī)管理平臺(tái)通過遙控發(fā)射端和無人機(jī)機(jī)體部的遙控接收端與無人機(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，即由無人機(jī)管理平臺(tái)控制無人機(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人機(jī)的機(jī)載部所傳輸來的數(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)有的無線通信方式，例如為WiFi或COFDM編碼正交頻分復(fù)用無線通信裝置。

    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，將其通過無人機(jī)搭載，整個(gè)系統(tǒng)通過內(nèi)置的電池倉即可為機(jī)載設(shè)備供電，具有體積小巧、重量輕便、不受場地的限制、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

    檢測系統(tǒng)軟件是構(gòu)造一套通用的測試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)檢測信號(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，并由檢測診斷模塊分析采集所得的數(shù)據(jù)，給出檢測診斷的結(jié)果。軟件實(shí)現(xiàn)的基本功能有：對飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行測點(diǎn)規(guī)劃和布局、對檢測路徑進(jìn)行優(yōu)化與模擬仿真等^[12]，提升檢測效率與質(zhì)量；檢測系統(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，完成大量測量數(shù)據(jù)的拼接融合^[13-15]；通過對數(shù)據(jù)的處理分析，得出檢測診斷結(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，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，利用Skanect PRO得到的對飛機(jī)機(jī)身掃描的路徑和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的信息，可對飛機(jī)機(jī)身表面三維重構(gòu)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理^[16]，最后由檢測診斷模塊重點(diǎn)對飛機(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、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 測量實(shí)例

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，搭建了檢測系統(tǒng)。無人機(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)，由無人機(jī)搭載的檢測設(shè)備對停場的飛機(jī)進(jìn)行檢測，重點(diǎn)是對機(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。具體過程是由電池倉為檢測設(shè)備提供電源，加載在云臺(tái)上的三維采集頭對飛機(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。在掃描檢測過程中，由攝像頭感知無人機(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)便捷地操縱無人機(jī)的飛行軌跡。通過無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)，后期對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理并得出相應(yīng)的檢測結(jié)果。

    在實(shí)現(xiàn)集成調(diào)試后，對真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行了測試，測量的飛機(jī)為學(xué)校訓(xùn)練機(jī)型TB20，其機(jī)長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，掃描數(shù)據(jù)精度滿足要求。

    掃描后對數(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

    本文采用無人機(jī)的飛機(jī)機(jī)身快速檢測系統(tǒng)對飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，可以大大縮短飛機(jī)停場檢測的時(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)能大大提高檢測的效率和準(zhǔn)確度，降低檢測人員的勞動(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)低于搭架檢測和檢測車，而且系統(tǒng)維護(hù)的費(fèi)用較低，對操作人員的培訓(xùn)也相對簡單。除此之外，飛機(jī)機(jī)身快速檢測系統(tǒng)使用靈活，適應(yīng)范圍廣，無需專用起降場地，便于飛機(jī)機(jī)身檢測的日常化進(jìn)行。

    本系統(tǒng)采用的無人機(jī)重量輕，體積小，起降簡單，操作靈活，可對其遠(yuǎn)程遙控，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，對特定位置進(jìn)行定點(diǎn)懸停觀測與數(shù)據(jù)采集，還可以多次反復(fù)檢測。而且檢測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，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.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢618307)