การสร้างข้อมูลพื้นผิวสำหรับการจำลอง การบินด้วยระบบคอมพิวเตอร์
Lockheed Martin ต้องทำงานแข่งกับเวลาในการสแกน 3 มิติและการประมวลผลข้อมูลพอยต์คลาวด์ของเครื่องบินขับไล่ยุค 1950
ในปี ค.ศ. 2005 แผนกขีปนาวุธและการควบคุมการยิงของ Lockheed Martin ต้องแปลกใจกับอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินขับไล่สัญชาติสวีเดนอายุ 50 ปีอย่าง Saab A-35 Draken ผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์ LM M&FC ต้องการแผนที่ข้อมูลที่เที่ยงตรงเป็นอย่างสูงของเครื่องบินที่สามารถนำเข้าสู่เครื่องมือวิเคราะห์ทางวิศวกรรมได้ เพื่อจะได้ศึกษาประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์จริง
ในการนี้ ทีมงานต้องการข้อมูลพื้นผิวที่ครบถ้วนและถูกต้องของเครื่องบินทั้งลำ รวมถึงการสแกนความละเอียดสูงของอาวุธและห้องปืนด้วย Lockheed Martin จึงติดต่อ Exact Metrology เพื่อใช้ความสามารถในการสแกนที่จะสร้างข้อมูลพื้นผิวป้อนเข้าสู่การจำลองการบินด้วยระบบคอมพิวเตอร์
ข้อมูลดังกล่าวมีความจำเป็นเพื่อให้ระบบยิงอาวุธอยู่รอดสภาพแวดล้อมที่ทรหดของศตวรรษที่ 21 โดยผู้รับเหมาด้านอากาศยานอย่าง Lockheed Martin คอยค้นหาวิธีลดต้นทุนการทดสอบที่มีราคาสูงมาอย่างต่อเนื่อง และทางออกหนึ่งก็คือการใช้กิจกรรมเชิงพาณิยช์แทนสถานที่ทดสอบทางการทหาร และใช้ระบบดิจิทัลแทนวิธีกายภาพ
ความท้าทาย
- การจับภาพรูปทรง 3 มิติของเครื่องบินทั้งลำที่มีความยาว 50 ฟุตและมีปีกยาว 31 ฟุต
- ส่งพื้นผิว NURBS ไปยังซอฟต์แวร์จำลองอย่างรวดเร็ว
- ประมวลผลข้อมูลที่ได้มาจากเครื่องสแกนความละเอียดสูงและความละเอียดต่ำ
ความท้าทายที่สำคัญ 3 ประการในการสแกนและการปรับข้อมูลเป็นดิจิทัล:
- ความเร็ว: Lockheed Martin ต้องรีบดำเนินการเพราะมีเวลาประมวลผลข้อมูลแบบไม่หยุดแค่ 90 วันสำหรับการจำลองการบิน ข้อมูลพื้นผิวขั้นต้นจะต้องเสร็จภายในหนึ่งสัปดาห์ และ Exact Metrology ก็ทำให้พวกเขาได้
- ขนาดของโมเดล: เครื่องบิน Draken เป็นโมเดลขนาดใหญ่ที่ต้องแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล โดยมีความยาว 50 ฟุต มีปีกยาว 31 ฟุต และหางเสือสูงเกือบ 14 ฟุต เพื่อให้ไฟล์มีขนาดเล็กที่สุด ทีมงานจึงเลือกใช้เครื่องสแกนสองชนิด ได้แก่ เครื่องสแกนความละเอียดสูง (Vivid 910 จาก Konica-Minolta) สำหรับพื้นที่ที่ต้องการความละเอียดสูง และเครื่องสแกนความละเอียดต่ำ (และเร็วกว่า) (Cyra2500 จาก Leica) สำหรับพื้นผิวราบเรียบ
- ความยืดหยุ่น: Exact Metrology ต้องการโซลูชันซอฟต์แวร์มาประมวลผลข้อมูลที่ได้จากเครื่องสแกนความละเอียดสูงและความละเอียดต่ำ
เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ Exact Metrology จึงเลือกใช้ PolyWorks® โซลูชันซอฟต์แวร์ประมวลผลแบบพอยต์คลาวด์ชั้นนำจาก InnovMetric Software
โซลูชัน
การเลือกทีมงานที่เหมาะสมในการลงสนาม
Exact Metrology ได้งานนี้เพราะมีประสบการณ์ในการสแกนพิสัยยาวและพิสัยสั้นที่ไม่มีใครเหมือน ซึ่งยังช่วยให้ Exact Metrology ดำเนินการได้ทันทีอีกด้วย
ทีมงานได้รับการติดต่อจาก Lockheed Martin ก่อนวันขอบคุณพระเจ้า (2005) หนึ่งสัปดาห์ สามวันให้หลัง Matt Cappel ผู้จัดการของ Exact Metrology และผู้ควบคุมเครื่องสแกนก็บินไปลอสแองเจลิส การสแกนเสร็จสิ้นในสองวัน ทันการหยุดพักผ่อนกับครอบครัวในวันขอบคุณพระเจ้า โดยการสแกนดำเนินการที่เมืองอินโยเคิร์นในทะเลทรายโมฮาวี รัฐแคลิฟอร์เนีย เครื่องบิน Draken ที่เหลืออีก 6 ลำได้รับการบูรณะและบินไปที่นั่น
สำหรับโปรเจ็กต์ Draken ทีมงานของ Exact Metrology จำเป็นต้องประมวลผลข้อมูลพอยต์คลาวด์ซึ่งมีความละเอียดแตกต่างกันอย่างมากในระดับ 10,000 เท่าหรือขนาดแบ่งได้ถึง 5 อันดับจำนวนหลายกิกะไบต์ให้เป็นแบบจำลอง CAD เดียว ซึ่งในงานความละเอียดสูงนี้ Exact Metrology ได้รวบรวมพอยต์คลาวด์ 266 ชุด เฉลี่ย 250,000 จุดต่อชิ้นงาน ซึ่งเป็นงานจับภาพใกล้ชิด พิสัยสั้น ขนาดประมาณ 2 ตารางฟุตโดยใช้เครื่องสแกน Minolta Vivid 910
ส่วนการสแกนความละเอียดต่ำใช้ Cyra2500 จาก Leica Geosystems สำหรับการสแกนเหล่านี้ ช่างเทคนิครวบรวมข้อมูลได้ประมาณ 20 ล้านจุด "นี่ให้ความแม่นยำที่เพียงพอแม้แต่กับรูปทรงทางอากาศพลศาสตร์ที่มีขนาดเล็กที่สุดแต่มีความละเอียดไม่สูงนัก เพื่อจับข้อมูลที่ไม่จำเป็น เช่น หัวหมุดและจุดบานพัน" Cappel อธิบาย "งานความละเอียดต่ำนั้นเป็นเหมือนการสำรวจสำหรับเราครับ"
หลังจากสแกนและปรับเป็นข้อมูลดิจิทัลทั้งหมด ซึ่งมาจากการสแกนความละเอียดสูงและความละเอียดต่ำราว 250 ครั้ง ที่รวบรวมข้อมูลได้ 4.6 กิกะไบต์ แต่ไฟล์งานขั้นสุดท้ายของ Exact Metrology ที่ส่งให้แก่ Lockheed Martin นั้นมีขนาดค่อนข้างเล็กเพียง 200 เมกะไบต์ (MB) แม้ว่าจะไม่ได้บีบอัด
การวางแนวการสแกน
โมดูล PolyWorks IMAlign นำไปใช้ในการวางแนวการสแกน 260 ครั้งในโมเดลเดียว ซึ่งเทคนิคการวางแนวของ PolyWorks ไม่ต้องใช้เป้าหมายหรือการทำเครื่องหมายบนชิ้นส่วนเลย แต่ใช้รูปทรงเชิงเรขาคณิตของการสแกนเองเพื่อวางแต่ละแนวเข้าด้วยกัน "การไม่ต้องใช้เป้าหมายบนเครื่องบินช่วยให้กระบวนการสแกนมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเลยครับ" Cappel กล่าว
แบบจำลองโพลิกอน
หลังจากวางแนวการสแกนแล้ว แบบจำลองพอยต์คลาวด์ที่ได้มาจะได้รับการแปลงในโมดูล PolyWorks IMMerge เป็นแบบจำลองโพลิกอนในรูปแบบ Stereolithography Tessellation Language (STL) PolyWorks สร้างตาข่ายโพลิกอน (สามเหลี่ยม) ที่ปรับเข้ากับความโค้งของพื้นผิว โดยยังความละเอียดสูงตามขอบและรอยเชื่อม พร้อมกับสร้างสามเหลี่ยมขนาดใหญ่กว่าในบริเวณที่ราบเรียบ แพ็กเกจซอฟต์แวร์การจำลองบางส่วนสามารถประมวลผลไฟล์ STL ได้ อย่างไรก็ตาม ระบบที่ Lockheed Martin M&FC ใช้ไม่ได้รองรับไฟล์ประเภทนี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ไฟล์ที่ใช้กับโปรแกรม CAD ได้
การสร้างเครือข่ายส่วนโค้ง
เพื่อสร้างแบบจำลองที่ใช้กับโปรแกรม CAD ได้นั้น PolyWorks คำนวณตัวเลขแทนพื้นผิวที่เรียกว่า NURBS (non-uniform rational B-splines) บนแบบจำลองโพลิกอน ก่อนการคำนวณพื้นผิว NURBS เครือข่ายเส้นโค้งจะได้รับการสร้างขึ้นบนแบบจำลองโพลิกอน เพื่อกำหนดว่าพื้นผิวจะใส่ลงตรงไหน PolyWorks มีทั้งเครื่องมือแบบอัตโนมัติและแมนวลในการสร้างเครือข่ายเส้นโค้ง เส้นโค้งเค้าโครงสามารถแยกออกมาได้โดยการคลิกเมาส์ครั้งเดียว ซึ่งใช้อัลกอริทึมการแยกของ PolyWorks จากนั้น เครือข่ายเส้นโค้งสามารถปรับได้ด้วยมือด้วยเทคนิคที่ผู้ใช้เพียงแค่คลิกไม่กี่ครั้ง
พื้นผิว NURBS
จากนั้นพื้นผิว NURBS จะถูกวางลงบนเครือข่ายเส้นโค้งโดยอัตโนมัติ โดยพื้นผิวเหล่านี้จะถูกส่งออกเป็นไฟล์ IGES หรือ STEP ให้แก่ระบบวิเคราะห์ของ Lockheed Martin ผลงานขั้นสุดท้ายจะตรงตามความต้องการของ Lockheed Martin ทั้งในแง่ของความเที่ยงตรง ขนาดไฟล์ และจำนวนรอยปะ
PolyWorks สร้างพื้นผิว NURBS ที่ใช้งานได้จริงใน CAD
ปัจจัยสามประการที่ส่งผลต่อคุณภาพของพื้นผิว NURBS อย่างยิ่ง:
- แบบจำลองโพลิกอนคุณภาพสูงของ PolyWorks ที่รองรับพื้นผิว NURBS
- ความสามารถในประเมินเส้นโค้งเค้าโครงที่สำคัญ พร้อมทั้งสร้างเครือข่ายเส้นโค้งและบังคับการสร้างพื้นผิว NURBS ไปยังเส้นโค้งสำคัญเหล่านี้
- ความเป็นไปได้ในการใช้จุดต่อตัว T ในขณะที่สร้างเครือข่ายเส้นโค้ง ซึ่งช่วยให้แผนผังรอยปะมีความสมเหตุสมผลมากขึ้น
คุณประโยชน์
ตั้งแต่การสแกนจนไปถึงผลงานขั้นสุดท้าย Exact Metrology ใช้เวลาสองสัปดาห์ครึ่งในการเก็บข้อมูล แก้ไข และแปลงไฟล์ของข้อมูลจำนวนมากที่สแกนจาก Saab A-35 ให้ตรงตามความต้องการของ Lockheed Martin "สำหรับงานที่มีขนาดหลายกิกะไบต์ งานนี้ถือว่ารวดเร็วมาก ๆ เลยครับ" Cappel กล่าว มีการประมาณการว่าเวลาในการเก็บข้อมูลนั้นประหยัดไปราว 67% ถึง 80% และประหยัดเวลาในการประมวลผลข้อมูลถึง 50%
"ทุกคนจาก Lockheed ที่เราทำงานด้วยบอกเราว่า พวกเขาประทับใจมาก ๆ ในคุณภาพและความครอบคลุมของข้อมูล ไม่มีข้อบกพร่องและไม่ต้องเริ่มทำใหม่ ซึ่งจะทำให้กำหนดการสร้างแบบจำลองพังได้เลย ผู้เชี่ยวชาญด้านการประยุกต์ใช้งานของ InnovMetric ช่วยเหลือเราได้มาก พวกเขาเป็นเหมือนพนักงานเทคนิคพิเศษอีกคนของเรา ช่วยให้เราก้าวข้ามอุปสรรคได้" Matt Cappel ผู้จัดการของ Exact Metrology
คุณประโยชน์ที่วัดได้:
- เครื่องบินทั้งลำ พื้นผิวภายนอกทั้งหมด ได้รับการสแกนและแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลใน 2 วันโดยใช้พนักงานเพียง 2 คน วิธีการอื่น ๆ อาจต้องใช้เวลานานกว่านี้สองถึงสี่เท่า ดังนั้นจึงประหยัดเวลาในการเก็บข้อมูลราว 67% ถึง 80%
- PolyWorks เท่านั้นที่เชื่อใจได้ว่าจะสามารถจัดการข้อมูลขนาด 4 กิกะไบต์ได้อย่างแม่นยำ มิฉะนั้น ไฟล์ต้องถูกแบ่งเป็นหลายส่วน ทำให้ต้องมีขั้นตอนการรวมไฟล์และประกอบข้อมูลเพิ่มเติม ซึ่งอาจเพิ่มเวลาการประมวลผลอีกสองหรือสามเท่าก็เป็นได้
- คู่แข่งไม่มีแพ็กเกจไหนที่จะเร็วขนาดนี้ และเวลาเป็นสิ่งมีค่า PolyWorks ประหยัดเวลากว่าซอฟต์แวร์ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าราวสองสัปดาห์
- ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายลงอย่างมากในแง่ของการจำลองด้วยระบบคอมพิวเตอร์แทนการทดสอบแบบกายภาพในอุโมงค์ลม
อนาคต
ตามที่ Lockheed Martin อธิบายให้กับ Exact Metrology ฟัง โปรเจ็กต์ Saab A-35 มีวัตถุประสงค์เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินทดสอบจากบริษัทพาณิชย์ให้มากขึ้น ซึ่งก็ประสบความสำเร็จอย่างงดงาม
อากาศพลศาสตร์ของเครื่องบิน Draken นับเป็นการปฏิวัติวงการในยุคนั้น และยังคงน่าทึ่งอยู่ในปัจจุบัน แม้ผ่านมาแล้วครึ่งศตรรษ เครื่องบิน Draken ออกแบบมาให้:
- ใช้ระยะทางในการบินขึ้นและบินลงสั้นในสนามบินขนาดเล็กใกล้กับโซนสู้รบ
- ผสมผสานความเร็วสูงกับความเร็วต่ำได้อย่างเหมาะสม
- ติดอาวุธในระหว่างภารกิจได้ในไม่กี่นาที
- ใช้สลักในการประกอบเครื่องบินที่แบ่งออกเป็นสี่ส่วน เพื่อให้สามารถเปลี่ยน ส่งออกไปซ่อมบำรุง หรืออัปเกรดได้
ต้องขอบคุณ Exact Metrology และ InnovMetric ตอนนี้ Lockheed Martin มีรายละเอียดด้านอากาศพลศาสตร์ทั้งหมดในระบบการจำลองการบินแล้ว ซึ่งทำได้อย่างรวดเร็ว และมีค่าใช้จ่ายต่ำมาก
