【摘 要】
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机身蒙皮是军用和民用飞机暴露于外部的重要的维形构件,常会因疲劳损伤和外部环境等因素导致其出现裂纹、腐蚀、凹坑和划痕等多种缺陷,进而破坏飞机蒙皮结构的强度和完整性,如不能及时检测维修会带来重大安全隐患。当前对飞机蒙皮缺陷的检测和标记主要采用人工目视检测和标记技术,存在使用效率低下、错误率高、数据利用率有限等问题,无法满足飞机的维护保障时效性要求。因此,基于视觉测量技术的自动化缺陷检测方法逐渐成为各个
【基金项目】
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陕西省重点研发计划（编号:2018ZDXM-GY-083）；
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机身蒙皮是军用和民用飞机暴露于外部的重要的维形构件,常会因疲劳损伤和外部环境等因素导致其出现裂纹、腐蚀、凹坑和划痕等多种缺陷,进而破坏飞机蒙皮结构的强度和完整性,如不能及时检测维修会带来重大安全隐患。当前对飞机蒙皮缺陷的检测和标记主要采用人工目视检测和标记技术,存在使用效率低下、错误率高、数据利用率有限等问题,无法满足飞机的维护保障时效性要求。因此,基于视觉测量技术的自动化缺陷检测方法逐渐成为各个国家和研究学者的重点研究内容,然而,视觉测量技术对三维缺陷的完整特征测量研究较少,且对测量结果的精度也缺乏保障。本文在视觉测量方法的基础上,将缺陷分为无深度信息的二维缺陷和包含深度信息的三维缺陷,主要研究二维缺陷检测识别方法以及三维缺陷的检测分割与特征测量方法,具体工作为:（1）在蒙皮缺陷检测系统设计的研究工作中,设计蒙皮缺陷检测系统的总体架构。针对二维图像缺陷检测问题,提出了一种改进的局部对比度显著性缺陷检测方法。首先经过校正初始图像对比度,计算多个不同尺度下的局部对比度得到缺陷的显著性值;然后将原始图像的亮度分量与显著性值进行融合得到最终的缺陷显著性图;最后结合自适应阈值的Canny边缘检测算子提取缺陷边缘,得到有效的缺陷边缘信息。对蒙皮裂纹的缺陷检测实验结果表明了图像缺陷检测算法的可行性。（2）针对三维点云缺陷特征的精确测量问题,提出一种基于三维点云的缺陷检测与量化表征方法。首先将整个测量过程分为缺陷检测阶段和缺陷特征测量阶段;然后在缺陷检测阶段对巨大数据量的初始点云进行去除噪声点和减小数据量处理,并利用移动最小二乘法（MLS）平滑掉因测量误差带来的一些错误的微小特征数据,结合SVD分解法求得各点的法线与曲率信息,在此基础上使用区域生长分割算法得到缺陷与非缺陷区域的点云数据。实验结果表明分割算法可将缺陷区域分割为更小的点云簇,利用从全局点云中减去非缺陷区域点云的方法得到缺陷点云,达到精确的缺陷检测分割目的。（3）针对分割后的缺陷特征测量问题,其核心思想是计算缺陷区域的最大外部轮廓的尺寸信息。首先根据背景点云构建姿态转换矩阵,利用全局加权最小二乘拟合方法（WLS）构建背景点云最佳拟合函数,计算出缺陷的最佳理想基准曲面,进而求解缺陷的深度信息;其次将三维缺陷投影至平面,建立缺陷区域的二维OBB包围盒,通过PCA算法求解缺陷的二维尺寸信息。实验结果表明三维缺陷检测与量化表征算法可有效获取缺陷的二维尺寸和深度信息。（4）开发了三维点云缺陷检测系统软件。在整个系统实验过程中,针对二维缺陷检测实验,首先使用图像缺陷检测算法对裂纹、划痕、孔洞等缺陷图像进行了检测,并与经典检测算法进行了实验对比,结果表明了二维缺陷检测算法的有效性;然后通过开源数据集对In与Sc缺陷进行了实验验证,结果表明本文算法的缺陷检测成功率均高于其它传统检测算法。针对三维缺陷检测实验,首先设计了一种验证三维缺陷检测算法精度的对比分析方法,使用已知缺陷尺寸的三维模型生成的点云数据评估三维缺陷检测算法的测量精度,并分析不同参数阈值的设定对测量结果的影响及算法的误差来源;然后对于单幅点云中的多个缺陷,使用聚类算法对缺陷进行划分;最后检测真实凹坑点云数据的缺陷尺寸。实验结果表明本文的三维缺陷检测算法对缺陷深度的最小误差为几十微米,而二维尺寸的最小检测误差为亚毫米级。
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