Generowanie danych powierzchniowych dla komputerowych
symulacji lotu
Lockheed Martin dotrzymuje napiętego harmonogramu skanowania 3D i przetwarzania chmur punktów odrzutowca myśliwskiego z lat 50.
W 2005 roku Lockheed Martin Missiles & Fire Control zainteresowała się aerodynamiką 50-letniego odrzutowca myśliwskiego szwedzkiej produkcji, Saab A-35 Draken. Specjaliści od aerodynamiki LM M&FC potrzebowali bardzo dokładnej mapy danych samolotu, którą można by zaimportować do narzędzi analizy inżynieryjnej, tak by uzyskać rzeczywiste osiągi aerodynamiczne.
Potrzebne były kompletne, dokładne dane powierzchniowe całego samolotu oraz wysokiej rozdzielczości skany uzbrojenia i komór na broń. Firma Lockheed Martin zwróciła się do Exact Metrology w sprawie rozwiązań do skanowania, które pozwoliłyby na wygenerowanie danych dotyczących powierzchni do wykorzystania w komputerowych symulacjach lotu.
Dane te były potrzebne, by zapewnić przetrwanie systemów przenoszenia broni w warunkach bojowych XXI wieku. Wykonawcy z branży lotniczej i kosmicznej, tacy jak Lockheed Martin, nieustannie poszukują sposobów na zmniejszenie wysokich kosztów testów. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie działalności komercyjnej zamiast wojskowego obiektu testowego oraz środków cyfrowych zamiast fizycznych.
Wyzwanie
- Uchwycenie kształtu 3D pełnowymiarowego samolotu o długości 50 stóp i rozpiętości skrzydeł 31 stóp
- Szybkie przekazywanie powierzchni NURBS do oprogramowania symulacyjnego
- Przetwarzanie danych uzyskanych ze skanerów o wysokiej i niskiej rozdzielczości
Napotkaliśmy trzy duże wyzwania związane ze skanowaniem i digitalizacją:
- Prędkość: Firma Lockheed Martin spieszyła się, ponieważ czekało ją 90 dni przetwarzania danych w symulacjach lotu. Wstępne dane dotyczące powierzchni były potrzebne w ciągu tygodnia i dostarczyła je firma Exact Metrology.
- Rozmiar modelu: Draken był ogromnym modelem wymagającym digitalizacji. Samolot ma ponad 50 stóp długości, 31-stopową rozpiętość skrzydeł i ster umieszczony na wysokości prawie 14 stóp. Aby zminimalizować rozmiar pliku, użyto dwóch rodzajów skanerów: skanera o wysokiej rozdzielczości (VIVID 910 firmy Konica-Minolta) do obszarów o wysokiej szczegółowości oraz skanera o niskiej rozdzielczości (i szybszego) (Cyra2500 firmy Leica) do obszarów płaskich.
- Elastyczność: Firma Exact Metrology potrzebowała rozwiązania programowego, które przetwarzałoby dane uzyskane zarówno ze skanerów o wysokiej, jak i niskiej rozdzielczości.
By sprostać tym wyzwaniom, Exact Metrology skorzystała z PolyWorks®, wiodącego oprogramowania do przetwarzania chmur punktów firmy InnovMetric Software.
Rozwiązanie
Wybór odpowiedniej ekipy
Exact Metrology otrzymała to zlecenie ze względu na wyjątkowe doświadczenie w skanowaniu o dużym i małym zasięgu. Ważne było również to, że Exact Metrology mogła zareagować od razu.
Firma Lockheed Martin skontaktowała się na tydzień przed Świętem Dziękczynienia (2005). Matt Cappel, kierownik w firmie Exact Metrology, oraz operator skanera trzy dni później byli już w samolocie do Los Angeles. Skanowanie ukończono w dwa dni, na Święto Dziękczynienia byli już w domu. Skanowanie wykonano w Inyokern, na kalifornijskiej pustyni Mojave. Sześć pozostałych Drakenów odnowiono i przewieziono na miejsce.
W przypadku projektu Draken firma Exact Metrology musiała szybko przetworzyć kilka gigabajtów danych z chmur punktów w przeróżnych rozdzielczościach — 10 000x lub pięć razy więcej — w jeden model CAD. Przy pracy w wysokiej rozdzielczości Exact Metrology zebrała 266 chmur punktów o średniej wielkości 250 000 punktów każda. Była to praca z bliska, o krótkim zasięgu, polegająca na rejestrowaniu obrazów o powierzchni około dwóch stóp kwadratowych, przy użyciu skanera Minolta VIVID 910.
Skany o niskiej rozdzielczości wykonano za pomocą urządzenia Cyra2500 firmy Leica Geosystems. W przypadku tych skanów technicy zebrali około 20 milionów punktów. „Była to precyzja wystarczająca dla nawet najmniejszych kształtów aerodynamicznych, jednak rozdzielczość nie była na tyle wysoka, by uchwycić niepotrzebne dane, takie jak łby nitów i punkty zawiasów” — mówi Cappel. „Praca w niskiej rozdzielczości przypominała bardziej aplikację geodezyjną”.
Po zakończeniu skanowania i digitalizacji — około 250 skanów o wysokiej i niskiej rozdzielczości, które łącznie zawierają 4,6 GB danych — firma Exact Metrology dostarczyła Lockheed Martin stosunkowo niewielki, 200-megabajtowy, nieskompresowany plik.
Wyrównanie skanów
Moduł PolyWorks|IMAlign™ posłużył do wyrównania 260 skanów w jeden model. Technika wyrównania PolyWorks nie wymaga stosowania celowników lub znaczników na części. Zamiast tego wykorzystuje geometryczny kształt samych skanów, aby wyrównać je względem siebie. „Brak konieczności używania celowników na samolocie znacznie usprawnił proces skanowania” — mówi Cappel.
Model polygonowy
Po wyrównaniu skanów otrzymany model chmury punktów przekształcono w module PolyWorks|IMMerge™ w model polygonowy w formacie Stereolithography Tessellation Language (STL). PolyWorks tworzy siatkę wielokątów (trójkątów) dostosowaną do krzywizny powierzchni, zachowując wysoką rozdzielczość na krawędziach i zaokrągleniach, a jednocześnie tworząc większe trójkąty w płaskich obszarach. Niektóre pakiety oprogramowania symulacyjnego mogą przetwarzać pliki STL, jednak system używany przez Lockheed Martin M&FC nie obsługiwał takich plików. Potrzebny był plik możliwy do przetworzenia w systemie CAD.
Tworzenie sieci krzywych
Aby stworzyć model możliwy do przetworzenia w systemie CAD, PolyWorks oblicza matematyczną reprezentację powierzchni zwaną NURBS (non-uniform rational B-splines) na modelu polygonowym. Przed obliczeniem powierzchni NURBS, na modelu polygonowym tworzona jest sieć krzywych, aby określić miejsca dopasowania powierzchni. PolyWorks dostarcza zarówno automatyczne, jak i ręczne narzędzia do tworzenia sieci krzywych. Krzywe cech można wyodrębnić jednym kliknięciem myszy przy użyciu algorytmów wyodrębniania PolyWorks. Sieć krzywych można dopracować ręcznie za pomocą funkcji, które wymagają od użytkownika zaledwie kilku kliknięć.
Powierzchnie NURBS
Następnie na sieci krzywych automatycznie dopasowywano powierzchnie NURBS. Powierzchnie te wyeksportowano jako pliki IGES lub STEP do systemu analizy firmy Lockheed Martin. Ostateczne wyniki spełniały wymagania firmy Lockheed Martin pod względem dokładności, rozmiaru pliku i liczby łat.
PolyWorks generuje powierzchnie NURBS, które działają w CAD.
Trzy czynniki miały duży wpływ na jakość powierzchni NURBS:
- Wysoka jakość modelu wielokątnego PolyWorks stanowiącego podstawę powierzchni NURBS.
- Możliwość określenia krytycznych krzywych cech podczas tworzenia sieci krzywych i ograniczenie tworzenia powierzchni NURBS do tych krytycznych krzywych.
- Możliwość wykorzystania skrzyżowań w kształcie T podczas tworzenia sieci krzywych, co zapewnia bardziej logiczny układ łat.
Korzyści
Od skanowania do dostarczenia finalnego produktu firma Exact Metrology potrzebowała dwóch i pół tygodnia na wychwycenie, edycję i sformatowanie ogromnej ilości zeskanowanych danych z samolotu Saab A-35 zgodnie z wymaganiami Lockheed Martin. „W przypadku zlecenia mającego wiele gigabajtów jest to niezwykle szybkie działanie” — mówi Cappel. Szacuje się, że zaoszczędzono od 67% do 80% czasu pozyskiwania danych oraz 50% czasu ich przetwarzania.
„Wszystkie osoby w firmie Lockheed, z którymi pracowaliśmy, powiedziały, że są zachwycone jakością i kompleksowością danych. Nie było żadnych usterek i powtórzeń, które mogłyby zakłócić harmonogramy symulacji. Specjaliści ds. zastosowań z firmy InnovMetric byli dla nas niezwykle pomocni. Byli niczym dodatkowy pracownik techniczny w naszym zespole, przeprowadzający nas przez trudne momenty”. Matt Cappel, kierownik w firmie Exact Metrology
Wymierne korzyści:
- Cały samolot, każda zewnętrzna powierzchnia została zeskanowana i zdigitalizowana w dwa dni przez dwie osoby. Inne metody zajęłyby od dwóch do czterech razy więcej czasu, zatem udało się oszczędzić 67% do 80% czasu na pozyskiwania danych.
- Jedynie PolyWorks zapewnia odpowiednie przetwarzanie 4 GB danych. W przeciwnym razie plik trzeba by podzielić na kilka części, co wymagałoby dodatkowych etapów w postaci scalania i składania danych. Zajęłoby to dwa lub trzy razy więcej czasu.
- Konkurencyjne rozwiązania nie były tak szybkie, a czas był na wagę złota. PolyWorks pozwolił zaoszczędził około dwóch tygodni w porównaniu z mniej wydajnym oprogramowaniem.
- Ogromne oszczędności w zakresie symulacji komputerowej zamiast fizycznych testów w tunelach aerodynamicznych.
Przyszłość
Jak Lockheed Martin wyjaśniła firmie Exact Metrology, celem projektu Saab A-35 było lepsze zrozumienie aerodynamiki potencjalnego samolotu testowego firmy komercyjnej, co udało się osiągnąć.
Aerodynamika Drakena była rewolucyjna jak na swoje czasy i nawet dziś, pół wieku później, robi wrażenie. Drakena stworzono:
- Do krótkich startów i lądowań na małych lotniskach w pobliżu stref walk.
- W celu optymalnego połączenia wydajności przy dużych i małych prędkościach.
- W celu przezbrojenia między misjami w ciągu kilku minut.
- W celu połączeń śrubowych, tak by można było wymienić cztery segmenty samolotu, wysłać je do serwisu lub zmodernizować.
Dzięki Exact Metrology i InnovMetric Lockheed Martin ma teraz wszystkie aerodynamiczne detale w swoich systemach symulacji lotu. Proces był szybki, a jego koszty niewielkie.
