文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.031
中文引用格式： 魏永超，趙偉. 基于無人機的飛機機身快速檢測系統[J].電子技術應用，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
飛機機身檢查是飛機維護中的重要環節，無論是正常的飛機維修檢查，還是航線維護，都需要對飛機結構進行不同程度的檢查。然而，傳統的飛機機身結構檢查通常采用人工目視檢查方法，由于飛機結構龐大，通常需要其他機械輔助設備，存在勞動強度大、檢測周期長、漏檢率高等問題[1]，尤其是隨著民航的快速發展，需要檢測的飛機數量越來越多，而對時間的要求越來越高，傳統的檢測技術已難以滿足飛機機身快速、高效、高精度的檢測要求。因此，亟需解決飛機機身快速檢測問題，提高檢測的效率和準確度。
關于飛機機身結構的自動化檢測，曾有研究機構提出了飛機機身結構檢查機器人[2]，該系統通過吸盤機器人在機身結構上運動，通過加載在機器人上的檢測設備對飛機機身檢測，該系統只能檢測飛機特定部位，無法完成整個機身的檢測，且由于機器人行動較慢，檢測效率相比人工提高有限。結合無人機和激光的優勢，目前國際上正在開展基于二者的飛機機身檢測，然而該方法需要保證無人機的位置相對穩定。
針對上述現有技術的不足，本文提供一種檢查結果全面、準確、可靠，且檢查效率高、檢查周期短、檢查成本低的飛機機身檢查系統。根據飛機機身檢測的特殊性，通過結合無人機以及光學實時三維掃描技術來對航班飛機進行檢測維護以及故障排除，不但可以極大縮短飛機檢測時間（從一兩天縮短到幾個小時），還可以極大降低維護成本和因此導致的航班延誤，同時檢測的精確性也會得到很大提升。
1 檢測系統介紹
1.1 系統檢測流程
在檢測系統硬件通過自檢、無人機飛控狀況良好的條件下，給機載設備通電，并對機載設備上的各個檢測系統進行自檢，在一切準備就緒的情況下，操控搭載檢測設備的無人機對飛機機身結構進行快速掃描與檢測，對期間掃描的數據進行采集并作后期處理分析，最后得出診斷結果和檢測報告。檢測系統的流程圖如圖1所示。
1.2 系統結構圖
根據系統組成及實際測量需要，系統的結構圖如圖2所示。整個系統采用五層結構，從上到下定義為1～5層，其中1和5層加裝云臺，云臺上面會安裝相機和掃描頭，3層安裝飛行控制系統和圖傳，4層用于安放電池，電池倉為無人機系統、數據采集板、照明光源以及云臺提供電源，2層用于安裝三維掃描頭的控制器系統。
三維采集頭加載在云臺上，根據掃描的需要可以自由旋轉，同時整個云臺可以根據掃描需要安裝在無人機上部或者下部，采用立式或吊式進行采集。云臺對掃描時的畫面有全方位的穩定，保證了采集畫面的清晰穩定。三維采集頭上加裝照明光源，用于對機身比較昏暗的區域進行檢查或在夜間進行檢測時使用。電池倉為無人機系統、數據采集板、照明光源以及云臺提供電源。攝像頭用于無人機系統的感知，便于實時調整無人機飛行姿態。飛控系統主要由中央計算機、飛行控制類傳感器（包括高度、速度類傳感器和姿態類傳感器）、決策控制電路模塊等組成，它對整個無人機的飛行控制起著決定性的作用[3-8]。圖像傳輸系統相當于檢測系統的“眼睛”，利用攝像頭拍攝無人機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，便于實時調整無人機飛行姿態。攝像機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據信息通過數據傳輸模塊實現地面檢測系統和機載設備的數據通信。數據處理模塊用于對接收的數據圖像信息進行檢測分析并找出可能的故障信息。檢測系統通過數據采集器與測量設備連接，將測量數據進行實時高效的反饋，實現飛機機身的快速檢測。
2 系統實現
2.1 硬件實現
檢測系統的硬件采用多層次、模塊化的開放式結構設計，采用標準化檢測接口和測試系統總線[9-10]。
整個系統包括無人機和地面站，地面站具有無人機管理平臺，無人機與無人機管理平臺相互通信，由無人機管理平臺控制無人機的飛行狀態。無人機管理平臺控制無人機圍繞停機狀態的飛機機身飛行，無人機的機體部上搭載有機載部，機載部主要由三維掃描儀和機載通信單元組成。地面站具有基于計算機運行的數據監控平臺，數據監控平臺主要由實時監控單元和地面通信單元組成。該地面通信單元與機載通訊單元相互通信，機載通信單元將三維掃描儀所采集的飛機機身的圖像與三維數據傳輸給地面通信單元。系統組成圖如圖3所示。
無人機具有機體部和機載部，其詳細結構實現見1.2節。地面站具有基于計算機運行的無人機管理平臺和數據監控平臺。其中，無人機管理平臺主要由人機控制系統、視頻管理系統、監視器等組成；無人機管理平臺通過遙控發射端和無人機機體部的遙控接收端與無人機進行相互通信，當然，也可以采用其他現有的通信方式進行相互通信，即由無人機管理平臺控制無人機的飛行狀態(包括飛行軌跡)。數據監控平臺主要由中央處理器、實時監控單元、數據處理單元和地面通信單元組成；中央處理器作為超大規模的集成電路，用于通過地面通信單元接收無人機的機載部所傳輸來的數據，并將這些數據傳輸給實時監控單元和數據處理單元，以此達到對機載部的三維掃描儀和攝像機的控制；實時監控單元作為監控器，用于實時顯示機載部傳輸來的飛機機身的圖像數據，供監控人員實時查看；數據處理單元作為地面站的數據存儲單元，用于將接收到的圖像數據進行存儲；地面通信單元用于與機載部的機載通信單元進行相互通信，地面通信單元為現有的無線通信方式，例如為WiFi或COFDM編碼正交頻分復用無線通信裝置。
由于系統設計具有模塊化的結構，硬件設計可以分解進行，飛控系統和圖傳系統、數據采集板以及電池倉分別集成在單獨的箱體內，最后采用標準的箱體聯成有機整體，將其通過無人機搭載，整個系統通過內置的電池倉即可為機載設備供電，具有體積小巧、重量輕便、不受場地的限制、使用方便等優點。
2.2 軟件實現
檢測系統軟件是構造一套通用的測試平臺，實現檢測信號的采集與發送、圖傳信息的實時顯示與機載控制平臺的實時監控等功能[11]，完成掃描采集數據信息的分析處理與結果保存，并由檢測診斷模塊分析采集所得的數據，給出檢測診斷的結果。軟件實現的基本功能有：對飛機機身進行測點規劃和布局、對檢測路徑進行優化與模擬仿真等[12]，提升檢測效率與質量；檢測系統具有自檢的功能，軟件可以采集機載設備各個端口的工作狀態，以保證檢測系統的穩定運行；實現數據快速處理與分析，通過數據采集接口實現數據的自動采集，獲取的大量點云數據可以通過逆向建模進行處理，完成大量測量數據的拼接融合[13-15]；通過對數據的處理分析，得出檢測診斷結果。
軟件開發環境基于Windows系統，在三維采集頭剛開始正常工作時，它通過創建深度數據流和彩色數據流，然后將數據流與彩色/深度圖像對齊，之后從數據流中讀取數據保存到VideoFrameRef中并用OpenCV顯示出來，獲取的數據利用UPLINK端口在移動電腦上的Skanect PRO三維掃描軟件界面即可顯示出來，利用Skanect PRO得到的對飛機機身掃描的路徑和點云數據的信息，可對飛機機身表面三維重構并進行數據處理[16]，最后由檢測診斷模塊重點對飛機機身蒙皮裂紋、型材斷裂、鉚釘松動、掉鉚釘頭、結構變形等結構損傷形式進行分析，從而得出檢測結果。
Skanect PRO軟件是數據采集的核心，運行在地面站，從三維采集頭獲取的三維數據和二維數據可實時傳輸到地面站，并在Skanect PRO軟件中進行顯示、拼接、存儲以及簡單后處理(重建、網格、幾何處理等)。軟件分為設置、存儲、重建、處理以及分享模塊，設置模塊完成掃描尺寸與掃描質量設置，存儲模塊實時顯示數據以及存儲，重建模塊完成數據的融合，處理模塊完成曲面重建、精簡、濾波、貼圖等處理，分享模塊用于數據的導出。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云數據與圖像數據，而且還能看到掃描儀在掃描過程中的整個移動路徑，從而為進一步的路徑規劃提供依據。由于數據量通常較大，該軟件只做簡單的后續濾波、融合以及貼圖處理，把數據導出后，后期復雜的處理需要專業軟件完成(如imageware、geomagic等)。
3 測量實例
為了驗證系統的有效性，搭建了檢測系統。無人機平臺采用通用架構的六軸多旋翼平臺（核心包括飛機主體、飛控、GPS、云臺、遙控）。數據采集平臺采用ARM架構外帶圖形處理的集成開發板，可運行Linux或Windows系統。三維采集頭可采用ASUS Xtion或PrimeSense三維傳感器，正面有三個圈，最左邊的是紅外線發射器，和最右邊的紅外線接收器是一組的，用來感應深度，獲取點云數據；中間的是RGB感應器，可用來攝取彩色影像。數據處理平臺采用移動電腦，捕獲的點云數據和彩色影像可實時在Skanect PRO三維掃描軟件界面呈現。
在地面通過遙控無人機的飛行姿態，由無人機搭載的檢測設備對停場的飛機進行檢測，重點是對機翼上下表面、機身下部、機尾部分、門和門框以及起落架艙等區域進行檢測。具體過程是由電池倉為檢測設備提供電源，加載在云臺上的三維采集頭對飛機機身的型面數據進行采集，并將數據信息存儲到數據采集板中。在掃描檢測過程中，由攝像頭感知無人機的狀況，通過圖傳系統將畫面實時回傳給地面接收的PC，以第一視角（First Person View，FPV）的方式實時便捷地操縱無人機的飛行軌跡。通過無線傳輸模塊將采集到的數據信息傳輸給地面的數據處理平臺，后期對數據信息進行分析處理并得出相應的檢測結果。
在實現集成調試后，對真實飛機進行了測試，測量的飛機為學校訓練機型TB20，其機長7.71 m，機高2.85 m，翼展9.77 m，如圖4所示。
整個飛機的掃描時間約為15 min。掃描的局部原始數據如圖5所示，從圖中可看成，機體痕跡數據都被很好地掃描出來，掃描數據精度滿足要求。
掃描后對數據進行濾波、融合等處理，得到完整的機身三維數據，如圖6所示。因此，系統可以快速、高精度地完成飛機機身快速掃描，得到的數據可以很好地用于機身局部及整體分析。
4 結語
本文采用無人機的飛機機身快速檢測系統對飛機機身結構進行檢測，可以大大縮短飛機停場檢測的時間，極大降低飛機的維護成本和由此導致的航班延誤。同時該系統能大大提高檢測的效率和準確度，降低檢測人員的勞動強度，避免出現人身安全等事故。該系統所采用的所有設備均只需電池供電，使用成本遠低于搭架檢測和檢測車，而且系統維護的費用較低，對操作人員的培訓也相對簡單。除此之外，飛機機身快速檢測系統使用靈活，適應范圍廣，無需專用起降場地，便于飛機機身檢測的日?；M行。
本系統采用的無人機重量輕，體積小，起降簡單，操作靈活，可對其遠程遙控，能夠實現數據的實時傳輸，對特定位置進行定點懸停觀測與數據采集，還可以多次反復檢測。而且檢測用的三維掃描模塊數據采樣率高，數字化采集、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，能夠實現高效快速穩定的數據采集。系統采用的模塊化設計，使之維護和升級都很方便。
系統模塊化的設計使其應用前景非常廣泛，可拆卸的設計結構使得三維采集頭可用于對房間、人像等物體進行3D掃描，獲取的深度和彩色數據流可以在OpenCV上顯示并在Android平臺上運行，可以將系統軟件做成基于Android系統的應用程序，實現在手持設備上就可以獲取和存儲物體三維模型，即時獲取掃描物體的三維尺寸、配色方案等參數信息，之后可將掃描的數據在云端上傳和處理，實現在PC上模型的優化和修復，合適尺寸的模型可以通過3D打印直接打印出來，能夠實現產品的產業化。
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作者信息:
魏永超，趙 偉
(1.中國民用航空飛行學院 飛行技術與飛行安全科研基地，四川 廣漢618307；
2.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢618307)