機(jī)器視覺技術(shù)在飛機(jī)蒙皮損傷檢測中的應(yīng)用

張珂 羅文田

摘 要：機(jī)器視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化與智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。但在民航領(lǐng)域針對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用案例較少，因此深入研究機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)于提高我國民航業(yè)的綜合競爭力具有重要意義。對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡述，通過分析機(jī)器視覺技術(shù)在飛機(jī)蒙皮損傷檢測中的工作原理，突出了機(jī)器視覺技術(shù)在飛機(jī)蒙皮損傷檢測中的優(yōu)勢，最后對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;飛機(jī)蒙皮;損傷檢測

DOI：10. 11907/rjdk. 191060 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）009-0154-04

Application of Machine Vision Technology in Aircraft Skin Damage Detection

ZHANG Ke，LUO Wen-tian

（School of Aeronautical Engineering，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China）

Abstract：Machine vision technology has been widely used in various fields such as agriculture and industry， and has become one of the key technologies for automation and intelligence.As a special field integrating advanced technology， civil aviation has few cases of application of machine vision technology. Therefore， understanding and researching machine vision technology is of great significance for improving the comprehensive competitiveness of China's civil aviation industry.In this paper， the development history and application status of machine vision technology are briefly described. By analyzing the working principle and research status of machine vision technology in aircraft skin damage detection， the advantages of machine vision technology in aircraft skin damage detection are highlighted. Finally， the development prospects are described.

Key Words：machine vision;aircraft skin;damage detection

0 引言

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能迎來了第三次發(fā)展高峰[1]。機(jī)器視覺技術(shù)作為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)分支，已成為各大高校及科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究方向之一。機(jī)器視覺是一門涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別、圖像處理、神經(jīng)生物學(xué)等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，其本質(zhì)是利用機(jī)器模擬人的視覺行為，從而完成各種測量與判斷工作[2]。飛機(jī)蒙皮作為機(jī)體的重要構(gòu)件，不僅要維持飛機(jī)的氣動(dòng)外形，還要克服飛機(jī)飛行中承受的各種空氣阻力。由于惡劣的飛行環(huán)境極易造成蒙皮結(jié)構(gòu)損傷，嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全，所以對(duì)飛機(jī)蒙皮進(jìn)行檢測是工作人員的重要任務(wù)之一。

傳統(tǒng)飛機(jī)蒙皮損傷檢測方法主要有目視檢測、超聲波檢測、滲透檢測與渦流檢測等，但這些傳統(tǒng)檢測方法各自都存在著不足，例如：工作效率低下、檢測成本較高、檢測工藝繁瑣等，給檢測工作帶來許多不便?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的檢測方法不但提高了微小損傷的檢測識(shí)別率，也擺脫了單純依靠經(jīng)驗(yàn)判斷損傷造成的人為差錯(cuò)。目前基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮損傷檢測裝置主要包括無人機(jī)檢測系統(tǒng)、爬壁機(jī)器人檢測系統(tǒng)與地面機(jī)器人檢測系統(tǒng)3大類。相關(guān)研究工作雖然取得了大量成果，但是根據(jù)公開資料顯示，目前尚沒有應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮實(shí)際檢測工作的案例。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見基于機(jī)器視覺技術(shù)的飛機(jī)蒙皮檢測方法將會(huì)成為未來民航領(lǐng)域的主要檢測方法之一。

1 機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1.1 機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展

機(jī)器視覺（Machine Vision）是利用圖像采集裝置代替人眼對(duì)目標(biāo)對(duì)象的圖像信息進(jìn)行采集，然后利用圖像處理系統(tǒng)代替人類神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)視覺信息進(jìn)行處理與傳輸，最后利用計(jì)算機(jī)綜合分析系統(tǒng)代替人腦視覺中樞，對(duì)視覺信息進(jìn)行分析與判斷，進(jìn)而根據(jù)輸出的判斷結(jié)果驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成現(xiàn)場作業(yè)[3]。具體工作原理如圖1所示。

機(jī)器視覺起源于20世紀(jì)50年代對(duì)模式識(shí)別的研究，但當(dāng)時(shí)工作主要針對(duì)二維圖像分析與識(shí)別。針對(duì)機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)的探索開始于20世紀(jì)60年代中期，美國學(xué)者Roberts研究了理解多面體組成的“積木世界”，該項(xiàng)成果開創(chuàng)了以理解三維場景為目的的三維視覺研究;20世紀(jì)70年代，機(jī)器視覺得到了初步發(fā)展，麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）人工智能（Artificial Intelligence，AI）實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)“機(jī)器視覺”課程;1977年，David Marr教授在MITAI實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，提出不同于“積木世界”分析方法的Marr視覺理論;進(jìn)入80年代之后，機(jī)器視覺進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，并掀起了全球性的研究熱潮，誕生了很多新的研究方法和理論，眾多學(xué)者也對(duì)Marr視覺理論進(jìn)行了完善與補(bǔ)充[4];到了90年代，機(jī)器視覺理論在進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，也開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域;21世紀(jì)之后，機(jī)器視覺技術(shù)已大規(guī)模應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

在國內(nèi)，機(jī)器視覺研究開始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)僅在大學(xué)與研究所中有一些關(guān)于圖像處理與模式識(shí)別研究的實(shí)驗(yàn)室;90年代初，部分研究所的工程師成立了自己的視覺公司，并開發(fā)了第一代圖像處理產(chǎn)品，但僅能進(jìn)行一些基本的圖像處理及分析工作;90年代末開始，越來越多機(jī)器視覺設(shè)備被引入中國，但主要以代理國外產(chǎn)品為主，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器視覺設(shè)備數(shù)量幾乎為零;2003年以后，國內(nèi)某些大學(xué)與研究所開始開展相關(guān)領(lǐng)域研究，并取得了階段性成果。雖然近年來，我國視覺研究發(fā)展迅速，但與國外相比仍存在很大差距。

1.2 機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)因其具有便利性、高效性及非接觸性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，主要包括：

（1）農(nóng)業(yè)。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用較早，主要是對(duì)農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)作物外觀進(jìn)行判斷，包括農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測、植物種類鑒別等，從而極大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動(dòng)成本，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化與智能化[5]。

（2）工業(yè)。機(jī)器視覺技術(shù)已成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面，例如汽車、電子、機(jī)械、印刷、運(yùn)輸、紡織等，其應(yīng)用大致可分為自動(dòng)檢測、智能裝配及視覺伺服系統(tǒng)3個(gè)方向[6]。機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用可提高檢測精度，解決工作中因人為因素造成的各種問題。

（3）醫(yī)學(xué)。機(jī)器視覺在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已從傳統(tǒng)的藥品包裝、藥瓶等檢測過渡到對(duì)生物芯片的檢測，還被應(yīng)用于醫(yī)療器械生產(chǎn)、紅細(xì)胞變形性測量[7]等。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在飛機(jī)蒙皮損傷檢測中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)飛機(jī)蒙皮損傷檢測方法

定期對(duì)服役的民用飛機(jī)進(jìn)行安全性檢測，是保證飛機(jī)安全運(yùn)營的重要手段。目前國際上常用的檢測方法分為目視檢測與無損檢測。

（1）目視檢測：利用手電筒、放大鏡、量尺等簡單工具，按照標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)γ善け砻孢M(jìn)行檢測并判斷各類損傷[8]。當(dāng)前階段的飛機(jī)蒙皮檢測工作大部分是通過目視檢測完成的，該方法雖然方便、經(jīng)濟(jì)，但缺點(diǎn)也較為明顯，如檢查結(jié)果受人為因素影響較大、工作效率低下、只能局限于檢測較大損傷等。

（2）無損檢測：在不損害蒙皮材料及性能的前提下，通過各種技術(shù)手段探測蒙皮表面各類損傷[9]。用于檢測蒙皮表面的無損檢測技術(shù)有超聲波檢測、滲透檢測、渦流檢測等。無損檢測方法可靠性高、診斷速度快，但每種無損檢測方法也各自存在一些不足，例如超聲波檢測存在檢測盲區(qū)，滲透檢測操作工藝繁瑣等。但作為一種先進(jìn)的檢測技術(shù)，技術(shù)人員也在對(duì)該方法不斷進(jìn)行研究與完善。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)飛機(jī)蒙皮損傷檢測工作原理

機(jī)器視覺檢測嚴(yán)格來說屬于無損檢測的一種，但與一般無損檢測方法差別較大的地方在于機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)主要包括圖像采集模塊、無線通訊模塊、圖像處理模塊、智能決策模塊等。其具體工作過程為：當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，將攜帶圖像采集模塊的爬壁機(jī)器人或機(jī)械臂等裝置吸附或靠近蒙皮表面，通過地面計(jì)算機(jī)發(fā)送指令控制機(jī)器裝置按照規(guī)劃的路線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，其攜帶的圖像采集模塊開始對(duì)飛機(jī)蒙皮進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，然后通過無線傳輸模塊將其傳回給地面計(jì)算機(jī)，通過圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取及分類識(shí)別，最后工作人員根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)損傷作出判斷并完成后續(xù)工作[10]。

由于在對(duì)飛機(jī)蒙皮進(jìn)行檢測時(shí)，工作環(huán)境較為惡劣，檢測難度較大，所以需要機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)各模塊工作時(shí)具有較高的穩(wěn)定性與可靠性。為了滿足各模塊的工作要求，需要考慮的內(nèi)容包括：

（1）圖像采集模塊。電荷耦合器（CCD）是一種將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的半導(dǎo)體裝置[11]。選擇CCD型號(hào)需要衡量的指標(biāo)包括：分辨度、靈敏度、信噪比、CCD尺寸、光圈及暗電流等[12]。

（2）無線通訊模塊。圖像無線傳輸包括模擬量傳輸與數(shù)字量傳輸兩類。其中，數(shù)字量傳輸穩(wěn)定性較好、抗干擾能力強(qiáng)[13]，可以很好地滿足檢測要求。

（3）圖像處理模塊。圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照，并對(duì)圖像進(jìn)行采樣、量化等操作的設(shè)備。在對(duì)采集卡進(jìn)行信號(hào)選擇時(shí)，要考慮攝像機(jī)前端數(shù)據(jù)圖像采集卡的后端數(shù)據(jù)與PCI總線接口是否匹配[14]。

2.3 基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮損傷檢測優(yōu)勢

與傳統(tǒng)飛機(jī)蒙皮檢測方法相比，基于機(jī)器視覺的檢測方法優(yōu)勢較為明顯。主要表現(xiàn)為：

（1）由于其主要是將機(jī)器裝置貼附于蒙皮表面進(jìn)行檢測，所以對(duì)蒙皮材料的工作性能沒有任何損害。

（2）傳統(tǒng)檢測方法中的大部分工作仍然需要人工完成，例如：手動(dòng)改變檢測裝置的檢測位置、通過圖像人為判斷損傷情況等，而利用機(jī)器視覺方法，工作人員通過操控計(jì)算機(jī)即可完成檢測，從而節(jié)省了大量人工成本，提高了檢測準(zhǔn)確率，也避免了人為因素造成的誤判。

（3）飛機(jī)蒙皮檢測面積大，危險(xiǎn)檢測點(diǎn)較多，對(duì)檢測人員存在一定的安全威脅，而利用機(jī)器視覺裝置可以擺脫外界復(fù)雜環(huán)境的限制，既保證了工作人員生命安全，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)蒙皮的全面檢測，消除檢測盲點(diǎn)。

2.4 基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮損傷檢測裝置研究現(xiàn)狀

基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮檢測裝置主要以無人機(jī)或機(jī)器人為載體完成檢測工作，本文搜集了最新研發(fā)的檢測系統(tǒng)，包括以下3類：

（1）無人機(jī)檢測系統(tǒng)?？湛团c其子公司Testia合作開發(fā)的新型無人機(jī)檢測系統(tǒng)，主要用于機(jī)庫內(nèi)的飛機(jī)機(jī)身檢測，操作簡單，且不需要重復(fù)飛行，如圖2所示。無人機(jī)配備了激光傳感器，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化飛行，其能夠檢測障礙物并在必要時(shí)停止檢測;根據(jù)預(yù)設(shè)的飛行路線，攜帶攝像頭進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)拍攝，無人機(jī)內(nèi)部設(shè)有故障檢測儀與抗震系統(tǒng)，只需要30分鐘即可獲得飛機(jī)的整機(jī)圖像;將圖像上傳至電腦的飛機(jī)檢測分析軟件，通過與原始圖像對(duì)比以識(shí)別有問題的位置，從而完成全套檢測并自動(dòng)生成報(bào)告，整個(gè)過程僅需要3小時(shí)。

無人機(jī)作為信息時(shí)代一種有著高技術(shù)含量的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工程等各個(gè)領(lǐng)域。在未來的民航領(lǐng)域，無人機(jī)也將得到有效利用，例如機(jī)場驅(qū)鳥[15]、民用機(jī)場助航燈光飛行校驗(yàn)[16]、機(jī)身檢測等。其中，機(jī)身檢測是無人機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用方向，國內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，如魏永超等[17]研究的基于無人機(jī)的飛機(jī)機(jī)身快速檢測系統(tǒng)等。雖然國內(nèi)外針對(duì)無人機(jī)在民航領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，但無人機(jī)尚有兩個(gè)問題亟待解決：一是容易對(duì)飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)造成信號(hào)干擾，二是容易失控，使飛機(jī)有被撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）地面機(jī)器人檢測系統(tǒng)。由中智科創(chuàng)機(jī)器人有限公司與武漢中新紅外科技有限公司合作開發(fā)的國內(nèi)第一款航空檢測機(jī)器人CobotAI-A2，是一款集紅外智能檢測、光學(xué)視頻檢測與人工智能檢測于一體的航空檢測裝置，其自主導(dǎo)航技術(shù)定位精度非常高，利用最先進(jìn)的熱成像檢測專有技術(shù)和高分辨率光學(xué)視頻技術(shù)，在飛機(jī)起飛前及著陸后進(jìn)行常規(guī)繞機(jī)檢查，并能夠進(jìn)行蒙皮缺陷檢測，快速定位缺陷位置。

該款航空檢測機(jī)器人雖然產(chǎn)品優(yōu)勢明顯，但由于機(jī)器人是通過在地面滑動(dòng)完成掃描工作，所以較難實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身頂端曲面部分的掃描，研發(fā)人員需要進(jìn)一步增強(qiáng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活性。因此，地面機(jī)器人檢測系統(tǒng)除需要具備先進(jìn)的檢測手段外，還需要克服機(jī)身復(fù)雜曲面的問題。

（3）爬壁機(jī)器人檢測系統(tǒng)。這是目前研究最多的一種基于機(jī)器人的機(jī)身檢測方法，可在一定程度上降低漏檢率。其工作流程為：工作人員將其吸附在機(jī)身表面，通過地面人員的遠(yuǎn)程控制或預(yù)先設(shè)定的規(guī)劃路線對(duì)機(jī)身表面進(jìn)行檢測。

美國是最早研究用于機(jī)身檢測的爬壁機(jī)器人的國家，從1988年即開始了相關(guān)研究，美國威奇塔州立大學(xué)的Benham Bahr教授首先提出飛機(jī)表面無人檢測機(jī)器人的構(gòu)想，并陸續(xù)研發(fā)了ROSTAM 系列的爬壁機(jī)器人;1997年，美國的AutoCrawler LLC公司研制出一款利用真空吸附的履帶式爬壁機(jī)器人[18]，但該機(jī)器人在機(jī)身表面移動(dòng)過程中會(huì)損害蒙皮特性，不能用于實(shí)際檢測;之后，美國的卡耐基梅隆大學(xué)又研發(fā)了Automated NonDestructive Inspector[19]、Multifunction Automated Crawling System Ⅰ-Ⅲ[20]系列等多款爬壁式機(jī)器人，但這些機(jī)器人存在移動(dòng)中位置會(huì)發(fā)生巨大變化的問題，僅能用于飛機(jī)頂部檢測。除美國外，新加坡、日本也陸續(xù)開展了用于飛機(jī)蒙皮檢測的爬壁機(jī)器人研究[21]。在國內(nèi)，某些大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。但公開資料顯示，目前國內(nèi)外仍沒有使用爬壁機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)蒙皮檢測的實(shí)際案例。

除以上3類機(jī)身檢測系統(tǒng)外，還有“洗車臺(tái)”式、車載升降臺(tái)式以及機(jī)械臂式等檢測系統(tǒng)，但這些檢測系統(tǒng)體積龐大、檢測程序復(fù)雜，且容易損壞機(jī)身，僅適用于某些特殊情況。因此，為了提高機(jī)身檢測質(zhì)量，研究人員需要投入更多精力在無人機(jī)或小型機(jī)器人研究中。

3 發(fā)展前景

隨著全球航空業(yè)對(duì)機(jī)械自動(dòng)化與智能化的要求越來越高，機(jī)器視覺系統(tǒng)憑借其高效、精確的特點(diǎn)受到越來越多國家關(guān)注，而質(zhì)量檢測作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要應(yīng)用之一，在未來是其重要發(fā)展方向。

在飛機(jī)蒙皮檢測方面，開發(fā)一種新的檢測技術(shù)并加以實(shí)際應(yīng)用，是一個(gè)極其漫長且曲折的過程。但近年來機(jī)器視覺在工業(yè)檢測方面的技術(shù)已趨于成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮檢測技術(shù)也在研究中取得了很多成果，相信在不久的將來，基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮檢測技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于實(shí)際飛機(jī)檢測工作中。

4 結(jié)語

本文從多方面介紹了機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展歷程及實(shí)際應(yīng)用情況，并簡述了機(jī)器視覺在飛機(jī)蒙皮檢測中的工作原理及研究現(xiàn)狀。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器視覺技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯，近年來在各領(lǐng)域的應(yīng)用也較為成熟，但要真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺在蒙皮檢測中的應(yīng)用，需要研究一種類似無人機(jī)與機(jī)器人的可裝載機(jī)器視覺設(shè)備的裝置，既要考慮蒙皮材料的特性，還要考慮如何避免由于檢測工作造成的二次損害，因而成為基于機(jī)器視覺的飛機(jī)蒙皮檢測系統(tǒng)較難應(yīng)用于實(shí)際工作中的最大難題，有待后續(xù)作進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>