欧阳华兵， 袁晓丽

(上海电机学院 机械学院， 上海 201306)

小型四旋翼飞行器是一种欠驱动强耦合无人飞行装置，其4个旋翼分别由4个微型电动机驱动且均布在十字交叉结构的顶端，通过控制4个旋翼的转速来调节螺旋桨转速，由旋翼升力的变化实现飞行器的垂直、俯仰、滚转、侧向、前后、偏航等姿态控制，它可自由实现空中悬停和自由移动，具有较大的灵活性与机动性能[1]。由于四旋翼飞行器具有结构简单、机械稳定性好、成本低廉、性价比高等特点，随着微机电控制技术的不断成熟，稳定的四旋翼飞行器在军工和民用的遥感航拍、灾难救援、影视拍摄、电力巡检等领域得到了广泛应用，同时其应用还在不断向新领域拓展[1-3]。

逆向工程又称反求工程，是一种产品设计技术的再现过程，它是一种采用二维或三维测量获取实体模型数据构建数据模型，并通过修改、优化等重构手段设计开发出同类产品的技术。逆向工程是基于反向推理、优化的系统化设计方法，与传统正向设计理念相反，体现了先进的设计与制造理念[4-5]。随着制造业快速发展，产品呈现小批量多样化态势，如何缩短产品研发周期、加快产品更新换代速度、降低产品的制造成本等已成为影响企业产品开发的关键因素。传统产品开发方法难以满足现代需要，逆向工程技术作为一种新的产品设计方法，已在航空、模具、产品设计、文物修复、医学等领域得到广泛应用[6-16]。文献[4-9]将逆向工程技术应用到医学领域的牙模[6]、人耳赝复体[7]、中髋骨[8]、假体[9]的个性化重建中，精确完成相应的三维实体模型建模与快速制造，提高了建模速度与制造精度。文献[10]则将逆向工程技术应用到文物保护中，通过对文物进行三维扫描，经数据处理、曲面重构等手段构建文物三维数字化模型，有利于文物保护、修改与再现。文献[11]采用逆向工程，对航空零件中较为复杂的航空发动机叶片进行逆向设计。文献[12]将逆向工程应用到自由曲面的工艺品设计制造中，能有效缩短汽车外形、飞机机翼、模具表面等复杂曲面类零件设计开发周期。文献[13]详细阐述了逆向工程在模具快速制造中的关键技术。文献[14]则阐述了逆向工程在产品造型设计中的应用，它是提高产品快速设计的有效手段，可有效缩短产品的研发周期。

由于飞行器的机体和4个旋翼都是曲面结构，如果采用传统方法构建曲面，不仅设计效率低，而且还会增加后期复杂的飞行测试。因此，为了缩短开发周期，提高小型四旋翼飞行器开发效率，探讨将逆向工程技术应用到小型四旋翼飞行器的创新设计中。通过扫描仪采集飞行器表面数据；采用Geomagic Design X软件对飞行器表面逆向设计，解决曲面过程中所涉及的点云数据处理、曲面重构等关键问题；基于逆向设计模型，可进一步对飞行器进行升级、更新等创新设计。最后采用3D打印技术，完成了小型四旋翼飞行器机体结构的快速制造，验证了逆向设计方法的有效性和可靠性。

1 小型四旋翼飞行器的逆向设计

数据采集、点云数据处理、曲面重构等是逆向工程的关键核心技术[5]，通过扫描仪等设备进行数据采集可获取飞行器模型曲面的点云数据，再由逆向工程软件Geomagic Design X进行点云数据处理与曲面重构等操作，构建飞行器实物的三维模型。同时可根据设计需求，对该模型编辑与修改等，完成飞行器的创新设计，其设计流程如图1所示。

图1 四旋翼飞行器逆向设计流程

1.1 飞行器曲面数据采集

本文四旋翼飞行器的实验测量设备为加拿大Creaform公司的手持式三维激光扫描仪Handyscan700，其数据采集过程为：在预先放好的飞行器表面及周边区域粘贴好定位点；打开VXelements软件，设置软件相关参数，配置好传感器；对飞行器曲面扫描，获取扫描数据并保存以便后续处理。

为了保证扫描数据的有效可靠，在粘贴定位点时，应该避免随机粘贴，保证每两个反光点间的距离大于20 mm，反光点与待扫描件边缘的距离大于12 mm，同时避免反光点间呈线性排列。另外，在扫描前应将待扫描件固定好，并将其置于扫描仪基准距离范围内，扫描时扫描头尽量与物体表面保持垂直。图2所示为扫描所获得的飞行器机体与旋翼的曲面点云数据。

图2 飞行器主要部件点云数据

1.2 点云数据处理

在获取曲面点云数据过程中，不可避免存在诸如噪点、空洞、表面不光滑、边界不光滑等外部因素干扰，致使获取的点云数据存在误差，在逆向建模前必须对这些数据进行预处理，降低曲面建模难度，提高建模精度[4-5]。

Geomagic Design X是曲面快速重构的典型逆向工程软件，通过该软件可将三维扫描仪扫描获取的包含点云数据的STL文件导入Geomagic Design软件中进行相应的数据预处理，主要包括去除噪点、数据填充、数据简化、去除特征、对齐点云、光顺与平滑处理等环节[5]。

(1) 去除噪点。由于噪点通常会被引入到点云数据中，造成粗糙、非均匀的曲面，部分噪点数量较大且附着在数据表面上，无法自动分离和删除。可先利用Geomagic Design X软件圈选点方式删除明显的噪点数据，再利用三角形网格化命令以拾取方式删除不明显噪点。

(2) 数据填充。主要处理模型空洞边界处存在的杂乱无章的尖锐三角形面片。在空洞填充前，先删除杂面片，再填充数据。根据物体表面特征不同，有平面、切线和曲率等3种空洞填充方式，具有完整孔、搭桥孔和边界孔3种空洞类型。在实际处理过程中，应根据空洞类型不同采取不同的处理方式。

(3) 去除局部特征。主要处理粗糙不光滑且凹凸不平的表面。Geomagic Design X软件提供了去除特征和砂纸两种功能，砂纸功能包含“松弛”和“快速平滑处理”两种方式，为了保证处理后点云数据的光滑，一般将“偏差限制”设置在0.5 mm以内，控制噪点的最大偏移值不超过0.5 mm。

(4) 数据精简处理。由于扫描时获取的点云数据极其密集且数量十分庞大，若不对其进行点云数据简化，将大大影响后期曲面的重构效率，增加建模难度。为此，应该在保证建模精度符合要求的前提下，对非关键点精简处理。本例中采用间距简化点云数据，表1为飞行器机体采用不同参数时的数据简化实验结果。据此，建模时选择间距值为0.2 mm，这不仅能够很好地保证特征的清晰度，而且还能有效减少点云数，点云数量减少了27%，提高了处理效率。

表1 飞行器机体按间距精简数据

最终，通过上述去除噪点、数据填充、去除局部特征、数据简化等预处理操作，获得如图3所示的点云数据。

图3 飞行器预处理后的点云数据

1.3 飞行器的曲面重构与创新设计

曲面重构旨在获得光顺性与精确性高度统一的曲面模型，确保曲面模型的整体性能优良，保证单张曲面拟合的准确性和多个曲面间过渡的圆滑性。一般的曲面模型重构步骤为：编辑轮廓线→构造曲面片→修理曲面片→构造栅格→生成与输出曲面片。

小型四旋翼飞行器的曲面重构主要根据特征点云拟合样条曲线，通过调整样条曲线的特征阶数，使其与点云重合，再使用分割曲线和相接曲线去除多余曲线并将点连接，随后通过拟合UV控制曲线网格实现曲面的重构。

采用逆向工程方法对飞行器重构后，可获得基于现有飞行器产品的CAD三维建模数据，即CAD模型。在该CAD模型基础上，设计者可进一步根据设计需要，采用设计软件通过修改控制点或曲线阶次和重新参数化等方法，调整控制点的阶次和位置，对飞行器曲面局部进行修改或调整，实现产品的升级换代或结构优化。同时，还可根据实际需求或功能需求，基于所获取的CAD模型，增加或更改部分结构，提升产品功能或其使用价值，如可根据实际需要，增加旋翼长度等，从而实现基于个性化的飞行器快速创新设计。图4为重构后所得小型四旋翼飞行器的机体和旋翼三维模型，大大提高了产品的设计效率。

图4 小型四旋翼飞行器的创新设计

2 小型四旋翼飞行器的快速制造

近年来，快速制造尤其是以3D打印技术为代表的快速成型技术发展十分迅速，国内外不少高校和企业也对3D打印技术进行了大量的研究与开发，该技术也愈来愈成熟[7,9]。为了验证逆向工程技术在构建小型四旋翼飞行器中的有效性，进一步通过3D打印机快速制造对其进行了验证。

采用了MakerBot第4代3D打印机产品MakerBot Replicator 2，打印前先将经创新设计的飞行器模型存储为STL格式，导入打印机软件MakerBot中，设置好3D打印机的参数，如打印质量、支撑方式、截面高度、填充比例、喷头温度、材料类型等。本次打印过程中，截面层高度设置为0.1 mm，填充支撑设置为15%，材料采用了聚乳酸塑料PLA，最终获得图5所示的3D打印机快速制造的模型,其中图5(a)为经过创新设计后的小型四旋翼飞行器模型，图5(b)为经过3D打印机快速制造的实物模型。

图5 小型四旋翼飞行器创新设计与快速制造

3 结 论

针对小型四旋翼飞行器的创新设计与快速制造，提出了一种将逆向工程与3D打印相结合的方法，实现了飞行器的快速设计与制造。采用逆向设计技术，为复杂产品的设计提供了一种全新建模思路与方法，而采用3D打印快速成型技术进一步验证了逆向设计的有效性和可行性，为其他产品快速设计与制造提供了一种完整可靠的方案。总之，采用逆向设计与3D快速成型相结合的技术，不仅可快速仿制复杂产品，而且还可以现有产品为基础，对原产品升级和优化，大大加快了产品的研发速度，有利于缩短产品的更新换代周期，降低新产品的研发成本，提高产品的研发效率。同时，本文所阐述的方法还能推广到其他产品的创新设计与快速制造中。