Het genereren van oppervlaktegegevens voor geautomatiseerde
vluchtsimulaties
Lockheed Martin haalt krappe deadline voor het 3D-scannen en verwerken van puntenwolken van een gevechtsvliegtuig uit de jaren 1950.
In 2005 raakte de Lockheed Martin Missiles & Fire Control unit geïntrigeerd door de aerodynamica van een 50 jaar oud Zweeds gevechtsvliegtuig, de Saab A-35 Draken. De aerodynamica-experts van LM M&FC hadden een zeer nauwkeurige gegevenskaart van het vliegtuig nodig die geïmporteerd kon worden in technische analysehulpmiddelen om de daadwerkelijke aerodynamische prestaties boven tafel te krijgen.
Er waren volledige, nauwkeurige oppervlaktegegevens van het hele vliegtuig nodig, plus hogeresolutiescans van wapens en geschutsruimtes. Lockheed Martin schakelde Exact Metrology in voor scanmogelijkheden die oppervlaktegegevens zouden genereren die in gecomputeriseerde vluchtsimulaties konden worden ingevoerd.
De gegevens waren nodig om ervoor te zorgen dat de wapensystemen in de gevechtsomgeving van de 21e eeuw zouden overleven. Lucht-/ruimtevaartbedrijven zoals Lockheed Martin zoeken voortdurend naar manieren om de hoge testkosten te beperken. Eén oplossing is het gebruik van een commerciële activiteit in plaats van een militaire testfaciliteit, en digitale in plaats van fysieke middelen.
De uitdaging
- De 3D-vorm vastleggen van een compleet vliegtuig van 50 voet lang met een spanwijdte van 31 voet
- Snel NURBS-oppervlakken leveren aan simulatiesoftware
- Gegevens verwerken die verkregen zijn van scanners met hoge en lage resolutie
Er waren drie grote uitdagingen op het gebied van scannen en digitaliseren:
- Snelheid: Lockheed Martin had haast omdat er 90 dagen lang non-stop gegevens moesten worden verwerkt in vluchtsimulaties. De eerste oppervlaktegegevens waren binnen een week nodig en Exact Metrology leverde ze.
- Grootte van het model: De Draken was een gigantisch model om te digitaliseren. Het vliegtuig is meer dan 50 voet lang met een spanwijdte van 31 voet en een roer dat bijna 14 voet hoog is. Om de bestandsgrootte te minimaliseren, werden twee soorten scanners gebruikt: een hoge-resolutiescanner (VIVID 910 van Konica-Minolta) voor zeer gedetailleerde gebieden, en een (snellere) lage-resolutiescanner (Cyra2500 van Leica) voor vlakke gebieden.
- Flexibiliteit: Exact Metrology had een softwareoplossing nodig die gegevens kon verwerken van scanners met zowel hoge als lage resolutie.
Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, wendde Exact Metrology zich tot PolyWorks®, de toonaangevende softwareoplossing voor het verwerken van puntenwolken van InnovMetric Software.
De oplossing
De juiste ploeg op het veld kiezen
Exact Metrology kreeg de opdracht vanwege zijn unieke ervaring in lange- en korteafstandsscannen. Het hielp ook dat Exact Metrology meteen kon reageren.
Een week voor Thanksgiving (2005) werd Lockheed Martin gebeld. Matt Cappel, manager bij Exact Metrology, en een scanneroperator zaten drie dagen later in het vliegtuig naar Los Angeles. Het scannen was in twee dagen klaar en ze waren thuis voor Thanksgiving. Het scannen gebeurde in Inyokern, in de Mojave-woestijn van Californië. Zes van de overgebleven Drakens worden opgeknapt en erheen gevlogen.
Voor het Draken-project moest Exact Metrology snel meerdere gigabytes aan puntenwolkgegevens met sterk verschillende resoluties (wel 10.000x of vijf orden van grootte) verwerken tot één CAD-model. Voor het werk met hoge resolutie verzamelde Exact Metrology 266 puntenwolken van gemiddeld 250.000 punten per stuk. Dit was werk van dichtbij, waarbij beelden van ongeveer 0,2 vierkante meter werden vastgelegd met een VIVID 910-scanner van Minolta.
De lage-resolutiescans werden gemaakt met een Cyra2500 van Leica Geosystems. Voor deze scans verzamelden de technici ongeveer 20 miljoen punten. "Dit was voldoende nauwkeurig voor zelfs de kleinste aerodynamische vormen, maar niet zo hoog in resolutie dat onnodige gegevens werden vastgelegd, zoals klinknagelkoppen en scharnierpunten", aldus Cappel. "Het werk met lage resolutie was voor ons meer een landmeetkundige toepassing."
Na al het scannen en digitaliseren – ongeveer 250 scans met hoge en lage resolutie die samen 4,6 gigabyte aan gegevens bevatten – was het uiteindelijke resultaat van Exact Metrology voor Lockheed Martin een relatief klein, ongecomprimeerd bestand van 200 megabyte (MB).
Scanuitlijning
De PolyWorks|IMAlign™-module werd gebruikt om de 260 scans uit te lijnen tot een enkel model. De uitlijntechniek van PolyWorks vereist geen gebruik van doelen of markeringen op het onderdeel. In plaats daarvan gebruikt het de geometrische vorm van de scans zelf om ze op elkaar uit te lijnen. "Het niet hoeven gebruiken van doelen op het vliegtuig verbeterde het scanproces aanzienlijk", verklaarde Cappel.
Polygonaal model
Nadat de scans waren uitgelijnd, werd het resulterende puntenwolkmodel in de PolyWorks|IMMerge™-module getransformeerd in een polygonaal model in STL-formaat (Stereolithography Tessellation Language). PolyWorks creëert een polygonaal mesh (driehoeken) dat zich aanpast aan de kromming van het oppervlak, waarbij de hoge resolutie aan randen en overgangen behouden blijft terwijl er grotere driehoeken worden gemaakt in vlakke gebieden. Sommige simulatiesoftwarepakketten kunnen STL-bestanden verwerken, maar het systeem dat LM M&FC gebruikte, ondersteunde deze niet. Er was een bestand nodig dat in CAD kon worden gebruikt.
Een curvennetwerk construeren
Om een voor CAD bruikbaar model te maken, berekent PolyWorks een wiskundige weergave van de oppervlakken genaamd NURBS (niet-uniforme rationele B-splines) op het polygonale model. Voordat de NURBS-oppervlakken worden berekend, wordt er een curvenetwerk opgebouwd op het polygonale model, om te bepalen waar de oppervlakken moeten passen. PolyWorks biedt zowel automatische als handmatige tools om het curvenetwerk te maken. Kenmerkencurven kunnen met één muisklik worden geëxtraheerd met de extractiealgoritmen van PolyWorks. En het curvenetwerk kan handmatig verfijnd worden met technieken die slechts een paar klikken van de gebruiker vereisen.
NURBS-oppervlakken
Op het curvenetwerk werden vervolgens automatisch NURBS-oppervlakken geplaatst. Deze oppervlakken werden als IGES- of STEP-bestanden geëxporteerd naar het analysesysteem van Lockheed Martin. De uiteindelijke deliverables voldeden aan de eisen van Lockheed Martin wat betreft nauwkeurigheid, bestandsgrootte en aantal patches.
PolyWorks genereert NURBS-oppervlakken die echt werken in CAD.
Drie factoren hebben sterk bijgedragen aan de kwaliteit van de NURBS-oppervlakken:
- De hoge kwaliteit van het polygonale model van PolyWorks dat ten grondslag ligt aan de NURBS-oppervlakken.
- De mogelijkheid om curven van kritieke kenmerken te bepalen tijdens het construeren van het curvenetwerk en het creëren van NURBS-oppervlakken te beperken tot deze kritieke curven.
- De mogelijkheid om T-kruisingen te gebruiken bij het maken van het curvennetwerk, wat zorgt voor een logischer patch-lay-out.
De voordelen
Van het scannen tot de eindproducten had Exact Metrology twee en een halve week nodig om de enorme hoeveelheid gescande gegevens van de Saab A-35 vast te leggen, te bewerken en te formatteren volgens de vereisten van Lockheed Martin. "Voor een taak van meerdere gigabytes is dit een zeer snelle doorlooptijd", zei Cappel. Er wordt geschat dat er een besparing was van 67% tot 80% in de tijd voor het verzamelen van gegevens, en 50% in de tijd voor het verwerken van gegevens.
"Alle mensen van Lockheed met wie we werkten, vertelden ons dat ze absoluut enthousiast waren over de kwaliteit en de uitgebreidheid van de gegevens. Er zijn geen haperingen geweest en geen herstarts, die simulatieschema's kunnen verpesten. De applicatiespecialisten van InnovMetric waren een grote hulp voor ons. Het was alsof we een extra technische medewerker in ons team hadden, die ons over de moeilijke punten heen hielp." Matt Cappel, manager bij Exact Metrology
Kwantificeerbare voordelen: :
- Het hele vliegtuig, elk extern oppervlak, werd in twee dagen gescand en gedigitaliseerd door slechts twee mensen. Andere methoden zouden twee tot vier keer zo lang hebben geduurd, dus er werd 67% tot 80% bespaard op de tijd die nodig was om gegevens te verzamelen.
- Er kon alleen op PolyWorks vertrouwd worden om 4 gigabyte aan gegevens nauwkeurig te verwerken. Anders zou het bestand in meerdere stukken opgesplitst moeten worden, waardoor extra samenvoegstappen en gegevensassemblage nodig zijn, waardoor de verwerkingstijd verdubbeld of mogelijk verdrievoudigd wordt.
- Concurrerende pakketten waren lang niet zo snel en de tijd was van essentieel belang. PolyWorks bespaarde naar schatting twee weken ten opzichte van minder efficiënte software.
- Dramatische kostenbesparingen door computergebaseerde simulatie in plaats van fysieke tests in windtunnels.
De toekomst
Zoals Lockheed Martin uitlegde aan Exact Metrology, was de bedoeling van het Saab A-35-project om meer inzicht te krijgen in de aerodynamica van een potentieel testvliegtuig van een commercieel bedrijf, en dat is gelukt.
De aerodynamica van de Draken was revolutionair voor die tijd en is nu, een halve eeuw later, nog steeds indrukwekkend. De Draken werd ontworpen:
- Voor korte starts en landingen op kleine vliegvelden in de buurt van gevechtszones.
- Voor een optimale combinatie van prestaties bij hoge en lage snelheid. .
- Om tussen missies in enkele minuten te herbewapenen.
- Om aan elkaar te schroeven zodat de vier segmenten van het vliegtuig vervangen, opgestuurd of geüpgraded konden worden.
Dankzij Exact Metrology en InnovMetric heeft Lockheed Martin nu alle aerodynamische details in zijn vluchtsimulatiesystemen – snel en tegen zeer lage kosten.
