黑鷹直升機航電升級之逆向工程應用實例

英國國防航空業巨頭BAE系統澳大利亞(BAE System Australia),被要求對澳洲陸航下的黑鷹直升機機隊進行航電系統升級。在這個計畫內部BAE系統澳大利亞需要在短時間內建構高精度的黑鷹直升機的3D CAD,藉著這個3D CAD可以反映出目前直升機機身的實際的機況及附加裝備。

而他們必須決定一個最快最有效的方式來3D掃描目前適航黑鷹直升機的3D資料,以便於此3D資料是基於最真實的基礎下而得到的。

專案目標及概述

1)掃描外部機身,3D掃描資料須在可證實精度0.15mm內。

2)掃描機身中央內部也需在可證實精度0.15mm內。

3)機身外部3D掃描資料與中央內部掃描資料須定位置相同座標上

4)須在現場完成掃描工作且須在表訂的時間內完成。

5)藉由3D的掃描資料建構3D曲面且整合3D曲面模型來進行曲面分析

因為這次專案的掃描物件是一架真實的直升機,機體尺寸很大且這次專案精度要求高,單掃描設備是無法符合這次專案的精度,所以此次專案是透過全球光學測量專業製造商GOM的ATOS 3D掃描儀(ATOS Digitize 3D Scanner)及TRITOP光學式三次元量測系統(Photogrammetry)來搭配使用。

TRITOP Photogrammetry

TRITOP 光學式三次元是以一手持式的高階數位相機,對被測物拍攝數位相片,藉由2D數位相片影像的疊合,來擷取被測物的3D座標,而這項移動式的技術在對於擷取被測物的3D座標

在一開始進行量測之前,先會在物體貼上標籤點,再用高階數位相機進行拍攝,在拍攝過程中,會拍攝許多不同的角度的影像,將這些影像讀入至TRITOP軟體,因為每一張影像的拍攝角度不同,藉由每一張影像不同的角度,透過三角測距的方式,TRITOP 光學式三次元軟體自動的將這些影像結合起來經過運算之後,就可得到每一個標籤點圓心的3D座標

ATOS Digitize

ATOS 3D掃描儀系統主要是由光柵投影設備及兩個工業級的CCD Camera所構成,其原理就如同人類的兩雙眼睛,藉由光柵投影在待測物面上,並加以粗細變化及位移,配合CCD Camera將所擷取的數位影像透過電腦運算處理,即可得知待測物的3D外型。

而依照不同型號的測頭,單一比量測資料最多可從影像當中擷取出80萬、140萬及400萬點。而單一筆的量測資料計算出來之後,藉由標籤點來定位,經電腦運算後會自動定位回去,簡單說就像3D的拼圖一般,把一個物件完整的拼湊出來,當整個物件量測完成之後,所有的點群加總後便是真實物體的外形,再藉由運算產生出STL格式的資料。

3D掃描過程說明

1)前置準備

將直升機撐起保持固定狀態且將所有艙門關閉,放置編碼標籤點及定位標籤點於機身。由於拍攝過程有數個外觀及內裝資料需要掃描,而需要建立多個掃描資料定位關係方便外觀及內裝資料的整合。最終,整架直升機含外觀及內裝資料共有41個掃描資料,41個資料總共約1200萬個點,整體精度保持於0.1mm。

Stage1:TRITOP

設置完成之後,先進行了一個精度的測試。先去測量參考目標再將結果與Laser Track的資料做比較,確認拍攝精度符合此次的精度需求及TRITOP是符合澳大利亞陸軍量測設備標準規範,

TRITOP 拍攝完成如下圖所示:

Stage2:ATOS

TRITOP 拍攝完成後,接下來由ATOS量測3D資料,ATOS一個區域一個區域掃描,透過定位標籤點將每一次的量測資料對位,如下圖所示。

Stage3:Modeling

完成量測之後,直接在ATOS 3D掃描軟體內計算,產生高品質的三角網格面(Polygon mesh)資料,最後將量測資料已STL格式輸出。此專案總共有2400多萬個三角網格面及1200多萬個點,故在建構曲面前先將資料分割成為較小的3D資料方便曲面建構

在建構曲面時為要確保曲面建構精度符合規定,會把建構好的曲面讀入進ATOS 3D掃描軟體來做比對,透過誤差分析,來了解曲面建構品質,確保曲面精度符合規定。最後將曲面給交由BAE系統澳大利亞由他們來設計航電升級設備。

結論:

1) 對於大型被測物透過ATOS/TRITOP能夠很快速及精準的取得3D資料。

2) 真實反映機體實際情況

3) 資料能夠很方便的讀入所使用的曲面建構軟體

跟傳統方式比,相較之下能夠節省許多的時間及成本


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