現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸動(dòng)態(tài)系統(tǒng)綜述

嚴(yán)宇迪++李倫++劉慧++董孟嘉

摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展，超大尺寸測(cè)量系統(tǒng)無論在科研前沿、國(guó)防工業(yè)還是在國(guó)民生產(chǎn)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和需求。大尺寸測(cè)量具有顯著特點(diǎn)：測(cè)量空間大、測(cè)量環(huán)境復(fù)雜、干擾因素多的特點(diǎn)。本文主要比較了現(xiàn)存的八種大尺寸測(cè)量系統(tǒng)，分析了可能的現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。重點(diǎn)介紹了IGPS和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量；iGPS；數(shù)字?jǐn)z影；組合測(cè)量

中圖分類號(hào)：P205 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）02-0181-02

Abstract：With the development of technology， super large-dimension measurement system in the forefront of scientific research， defence industry is also in the national production has a broad range of applications and needs. Size measurement with notable features： measuring space， measuring environment， interference factors much more complex features. This paper analyses and compares the existing eight large size measurement system analysis may be applied to in-situ super large-dimension measurement technology. Introduces the IGPS and digital photographic technique applied to large sizes measuring strengths and weaknesses.

Key words：super large-dimension measurement； iGPS； digital photography； combination measurement

技術(shù)的發(fā)展歷史方向都是由常規(guī)向極端發(fā)展，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量范圍也向極大極小尺寸發(fā)展。在小尺度上已經(jīng)成功開辟了微納測(cè)量研究領(lǐng)域，比較而言，現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量的研究投入不足，尚未形成系統(tǒng)的理論和方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及其相關(guān)理論體系的研究有待進(jìn)一步深化。

和常規(guī)測(cè)量相比較，現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量具有顯著特點(diǎn)：測(cè)量空間大、測(cè)量環(huán)境復(fù)雜、干擾因素多，測(cè)量設(shè)備和測(cè)量系統(tǒng)必須在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組建、校準(zhǔn)和量值傳遞，精度保證困難；此外，極高的相對(duì)測(cè)量精度、被測(cè)對(duì)象多樣性、測(cè)量效率低等也是大尺寸測(cè)量領(lǐng)域亟待解決的問題?，F(xiàn)代大尺寸精密坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是一門集電子、光學(xué)、圖像、傳感器、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科。

在重大技術(shù)裝備涉及的關(guān)鍵技術(shù)中，大尺寸精密坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是其中的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭最好的幾個(gè)重裝技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，如大型飛機(jī)制造、電力能源設(shè)備制造及安裝、船舶殼體裝配等，都對(duì)超大尺寸精密測(cè)量技術(shù)提出了迫切需求。

1 超大尺寸測(cè)量

超大尺寸測(cè)量則是指在測(cè)量對(duì)象從十米到幾百米尺寸范圍內(nèi)的測(cè)量，而通常測(cè)量精度要求為1～10ppm。測(cè)量類型分類見表1。

超大尺寸坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的需求和應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：（1）航空航天；（2）船舶工程與海洋工程；（3）電力電網(wǎng)行業(yè)；（4）大型建筑結(jié)構(gòu)。（5）軌道交通。此外，大尺寸測(cè)量系統(tǒng)還應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域，如天體望遠(yuǎn)鏡、粒子加速器等設(shè)備外形尺寸的研制，自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備（如機(jī)械手臂等）的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析中。超大尺寸測(cè)量系統(tǒng)無論在科研前沿、國(guó)防工業(yè)還是在國(guó)民生產(chǎn)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和需求，開展對(duì)超大尺寸測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)理論和設(shè)備的研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 技術(shù)比較

現(xiàn)存的大尺寸的測(cè)量方法主要有八種，表2對(duì)國(guó)際領(lǐng)先的八種典型大尺寸測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了比較。從表中可以看出關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)和三坐標(biāo)測(cè)量雖然精度很高，但是由于其測(cè)量范圍限制，并不能適用于超大尺寸的測(cè)量。對(duì)于經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)和全站儀測(cè)量系統(tǒng)而言，其自動(dòng)化程度低，動(dòng)態(tài)測(cè)量能力差，并不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。激光跟蹤和激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)超大尺寸測(cè)量全場(chǎng)時(shí)間花費(fèi)長(zhǎng)，且對(duì)工作的環(huán)境要求很高，抗干擾能力差，不適合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)在微米到幾百米的尺度上都能進(jìn)行較高精度的測(cè)量，便攜及非接觸測(cè)量的特點(diǎn)使得其能在惡劣和極端環(huán)境正常工作。可方便與其他測(cè)量系統(tǒng)形成組合兼容，是一種很有前景的現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量技術(shù)。典型系統(tǒng)是美國(guó)GSI公司的V-STARS。V-STARS精度非常高，精度可達(dá)5μm+5μm/m。缺點(diǎn)是對(duì)軟件數(shù)據(jù)處理能力要求很高，目前國(guó)內(nèi)的軟件處理離達(dá)到V-STARS的精度還有一定距離。

iGPS（indoorGPS）測(cè)量系統(tǒng)其原理跟GPS一樣，利用三角測(cè)量原理建立坐標(biāo)系，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星信號(hào)，它利用發(fā)射器發(fā)出紅外信號(hào)。測(cè)量一個(gè)點(diǎn)所需要的最少發(fā)射器是2個(gè)，發(fā)射器越多，測(cè)量越精確，測(cè)量范圍越大。理論上只要增加發(fā)射器數(shù)量，iGPS擁有無限擴(kuò)展的能力，是最有前景的現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量技術(shù)。iGPS目前主要應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)，典型產(chǎn)品是美國(guó)ArcSecond公司的iGPS系統(tǒng)，如今該公司已被Nikon公司收購(gòu)。在40m以內(nèi)時(shí)測(cè)量精度較高，單點(diǎn)測(cè)點(diǎn)精度0.2mm。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析比較了八種大尺寸測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)，總結(jié)了在現(xiàn)場(chǎng)超大尺寸測(cè)量的應(yīng)用前景。目前并沒有適用全部情況的大尺寸測(cè)量系統(tǒng)，一般都是根據(jù)不同測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，將幾種測(cè)量系統(tǒng)組合的組合測(cè)量系統(tǒng)。

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