一種智能化定位測(cè)量系統(tǒng)

何紅麗

摘 要： 根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)一種集點(diǎn)、線、面為一體智能化高精度三維坐標(biāo)定位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定中，具備測(cè)量仿真、在線校準(zhǔn)、在線測(cè)量、快速處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，給出系統(tǒng)構(gòu)建思路、框架、組成，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行剖析；在實(shí)驗(yàn)室利用全站儀、影像測(cè)量設(shè)備等搭建一個(gè)綜合測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了設(shè)備接口信息互操作性、實(shí)時(shí)引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平差處理等關(guān)鍵功能，其功能、性能均滿足測(cè)試需求。系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗(yàn)智能化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提高測(cè)試精度、速度，節(jié)省人力、物力都具有非常重要的作用。

關(guān)鍵詞： 三維模型； 智能測(cè)量； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 測(cè)量仿真

中圖分類號(hào)： TN98?34； V217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0118?03

Abstract： According to the test requirement， an intelligent high?precision 3D coordinate positioning measurement system integrating points， lines and surfaces was designed. The system has the functions of measuring simulation， online calibration， online measurement， fast processing and real?time monitoring， and is mainly used in the performance detection of the aircraft structure and industrial field calibration. The construction thought， framework and composition of the system are given， and its key technology issues are analyzed. A comprehensive test platform was established with total station and image measuring device in the laboratory to verify the interoperability of the device interface information， real?time guidance， coordinate transformation， balancing processing and other key functions. The functions and performance of the system satisfy the test requirement. The constructed system will promote the development of the intelligent test technology of the flight test， and plays an important part in improvement of the test accuracy and speed， as well as saving of the manpower and material resources.

Keywords： three?dimensional model； intelligent measurement； system design； measuring simulation

0 引 言

飛行試驗(yàn)空間定位測(cè)量是在真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)航空飛行器及附件等位置參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[1]，其主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定中。

近幾年來隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)入制造領(lǐng)域，其在測(cè)量、檢測(cè)、裝配、校準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，尤其是對(duì)于尺寸大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝要求高、生產(chǎn)速度要求快的各類型航空武器系統(tǒng)。在航空武器系統(tǒng)的測(cè)量中，既要測(cè)量飛機(jī)、武器本身的位姿信息，還要測(cè)量飛機(jī)與武器之間的相互關(guān)系；測(cè)量精度要求高，測(cè)量任務(wù)多，測(cè)量頻度高，每年測(cè)量上百架次；測(cè)量由原來的靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動(dòng)靜結(jié)合；且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試向著數(shù)字化、綜合化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、在線化等智能化方向快速發(fā)展 [2] 。要快速實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量需求，智能化測(cè)試系統(tǒng)的研制是必然選擇。沒有有效的測(cè)量手段就不可能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化檢測(cè)，只有通過智能化測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建，才可提高試飛測(cè)試精度、速度，節(jié)省人力、物力。

本文主要針對(duì)空間定位測(cè)量需求，跟蹤國(guó)內(nèi)外智能化測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)滿足未來武器發(fā)展需求的高精度空間三維點(diǎn)、線、面一體化智能測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備仿真計(jì)算、在線校準(zhǔn)、在線測(cè)量、快速處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型構(gòu)建，武器系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝過程在線檢測(cè)、復(fù)雜體的定位及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、決策提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本框架

依據(jù)飛行試驗(yàn)所需，采用先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備如全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、三維掃描儀、激光跟蹤儀等多測(cè)量設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以期解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定問題。構(gòu)建思路是基于三維模型，通過計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的一體化測(cè)量[3]；通過離線編程進(jìn)行設(shè)備的布局與任務(wù)規(guī)劃，系統(tǒng)建成后可在線檢測(cè)、在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，縮短處理周期，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。在測(cè)量平臺(tái)構(gòu)建過程中充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性，系統(tǒng)構(gòu)建既要具有數(shù)據(jù)處理、操控功能，同時(shí)要能夠?qū)y(cè)量設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)測(cè)量任務(wù)軌跡線路進(jìn)行規(guī)劃，在確保精度的情況下完成自動(dòng)化測(cè)量。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

針對(duì)飛行試驗(yàn)機(jī)庫特點(diǎn)，構(gòu)建智能化高精度定位測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)化采集、記錄、計(jì)算、結(jié)果報(bào)表生成等功能。智能測(cè)量系統(tǒng)主要由5個(gè)分系統(tǒng)組成：精確點(diǎn)測(cè)量分系統(tǒng)、影像測(cè)量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、測(cè)控中心分系統(tǒng)、測(cè)量仿真分系統(tǒng)。其中精確點(diǎn)測(cè)量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、影像測(cè)量分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的采集與獲?。粶y(cè)控中心分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、操控、引導(dǎo)、分析、顯示等功能；測(cè)量仿真分系統(tǒng)主要完成測(cè)量設(shè)備的布局、組合以及測(cè)量路徑的規(guī)劃，是進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵，同時(shí)也是自動(dòng)化測(cè)量的基礎(chǔ)。具體組成如下：

（1） 精確點(diǎn)測(cè)量分系統(tǒng)。由全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光跟蹤儀等設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象特征點(diǎn)測(cè)量。

（2） 影像測(cè)量分系統(tǒng)。由攝像機(jī)、鏡頭、解析軟件等組成，利用近景攝影原理對(duì)目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，可以給出靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量過程目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

（3） 三維建模分系統(tǒng)。包含三維掃描儀，模型構(gòu)建工具等，主要用于模型構(gòu)建或者是目標(biāo)的測(cè)量及姿態(tài)求取。

（4） 測(cè)控中心分系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的相機(jī)、三維激光掃描儀以及全站儀等設(shè)備的后臺(tái)操作控制和信息實(shí)時(shí)采集、引導(dǎo)發(fā)送、處理、評(píng)估、顯示等，具備圖像處理、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)解析以及平差計(jì)算等功能。

（5） 測(cè)量仿真分系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境知識(shí)建立仿真模型，對(duì)測(cè)量特性進(jìn)行仿真計(jì)算，通過仿真給出某個(gè)特定任務(wù)中參與測(cè)量的測(cè)量設(shè)備的組合、布局、測(cè)量任務(wù)的規(guī)劃，是系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵。主要用于任務(wù)的準(zhǔn)備，模擬測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)設(shè)備布局，設(shè)備干涉、測(cè)量軌跡路徑的模擬，對(duì)測(cè)量方案及計(jì)劃進(jìn)行確認(rèn)。

1.3 軟件規(guī)劃

對(duì)于一項(xiàng)測(cè)試，要進(jìn)行智能化測(cè)量，任務(wù)部署規(guī)劃很重要。首先通過測(cè)量仿真，獲取測(cè)量規(guī)劃，然后再依據(jù)規(guī)劃進(jìn)行在線化測(cè)量及結(jié)果報(bào)表的生成。軟件功能的部署如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 聯(lián)合靶標(biāo)的合理設(shè)計(jì)、布置和測(cè)量

一個(gè)由多測(cè)量設(shè)備構(gòu)成的綜合測(cè)量系統(tǒng)要獲取高精度的測(cè)量結(jié)果，首先要根據(jù)觀測(cè)對(duì)象條件來確定聯(lián)合靶標(biāo)設(shè)計(jì)及布局，以確保測(cè)量體系的統(tǒng)一。在這一過程中，需要充分考慮多種測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量標(biāo)志的識(shí)別特點(diǎn)，考慮測(cè)量對(duì)象的尺寸規(guī)模、標(biāo)志點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為此進(jìn)行了聯(lián)合靶標(biāo)的設(shè)計(jì)，讓所有測(cè)量設(shè)備信息可以劃歸在統(tǒng)一測(cè)量體系。

設(shè)計(jì)的聯(lián)合靶標(biāo)如圖3所示，由反射棱鏡和圓形回光反射標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成，其中反射棱鏡可以由激光跟蹤儀或全站儀識(shí)別，而圓形回光反射標(biāo)志點(diǎn)可以由影像測(cè)量設(shè)備、三維掃描儀識(shí)別，然后通過解析算法，依據(jù)反射棱鏡的中心把所有的測(cè)量點(diǎn)劃歸在同一個(gè)參考中心。

要提高測(cè)量精度，在布局過程中要獲取多樣性的觀測(cè)數(shù)據(jù)。多樣性的觀測(cè)數(shù)據(jù)是其平差模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。在布控時(shí)考慮測(cè)量過程中的盲區(qū)分布、光學(xué)單元可利用的空間分布、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的光源布置等。

2.2 基于模型的智能化測(cè)量流程設(shè)計(jì)

智能化測(cè)量流程設(shè)計(jì)是基于數(shù)字化三維仿真模型[4?5]。首先對(duì)測(cè)量任務(wù)需求進(jìn)行解析。根據(jù)相關(guān)測(cè)試要求進(jìn)行測(cè)量指令的生成，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過測(cè)量仿真進(jìn)行測(cè)量設(shè)備的選取、組合與布局。根據(jù)仿真生成的測(cè)量規(guī)劃進(jìn)行集成控制及自動(dòng)化測(cè)量，在測(cè)控中心完成所有測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)體系、數(shù)據(jù)解算，完成在線測(cè)量與分析，最終給出測(cè)量結(jié)果。自動(dòng)化測(cè)量流程如圖4所示。

2.3 測(cè)量仿真

測(cè)量仿真是實(shí)現(xiàn)智能測(cè)量的首要條件，在復(fù)雜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，建立合理的測(cè)量場(chǎng)模型是測(cè)量規(guī)劃與系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 [6?7]。總體上，測(cè)量場(chǎng)模型要根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模型而建立，其中應(yīng)包括工作空間、零部件、障礙物、測(cè)量目標(biāo)、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量空間內(nèi)的環(huán)境因素等信息。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)按照不同布局或配置方案組合，通過仿真將形成不同的測(cè)量場(chǎng)結(jié)果，由此可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量實(shí)施之前評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的性能參數(shù)并得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證測(cè)量場(chǎng)模型和試驗(yàn)需求相符性，在仿真過程中著重關(guān)注可視性與精度特性。測(cè)量仿真過程如圖5所示。

2.4 自動(dòng)化測(cè)量過程

自動(dòng)測(cè)量用到的設(shè)備有跟蹤設(shè)備（跟蹤儀，全站儀），采用“坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換?設(shè)備自動(dòng)驅(qū)動(dòng)?自動(dòng)找點(diǎn)?數(shù)據(jù)采集”的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)測(cè)量[8]。首先基于三維數(shù)/模獲取各測(cè)量點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的理論位置，計(jì)算設(shè)計(jì)坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)下各個(gè)測(cè)點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)值，通過程序控制測(cè)量設(shè)備自動(dòng)定位到要采集的測(cè)量點(diǎn)附近，使跟蹤儀自動(dòng)精確搜尋到靶球靶心，完成測(cè)量，然后進(jìn)入下一個(gè)所需點(diǎn)的搜索并測(cè)量。

3 驗(yàn) 證

利用全站儀、影像測(cè)量系統(tǒng)等組建了一個(gè)綜合測(cè)量平臺(tái)，通過該系統(tǒng)驗(yàn)證了實(shí)時(shí)引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平差處理等關(guān)鍵功能。利用開發(fā)的軟 件可穩(wěn)定操控設(shè)備進(jìn)行測(cè)量、融合精度優(yōu)于單獨(dú)設(shè)備精度；測(cè)量范圍得到拓展。同時(shí)在多個(gè)型號(hào) 測(cè)試驗(yàn)證了多測(cè)量設(shè)備組合自動(dòng)化測(cè)量模式， 實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量，提高工作效率與測(cè)量的可靠性。

4 結(jié) 語

采用多測(cè)量設(shè)備可以構(gòu)建大尺寸智能化定位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)建成之后，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)任務(wù)在線快速測(cè)量。智能化測(cè)量是一個(gè)系統(tǒng)工程，要達(dá)到智能化測(cè)試目標(biāo)，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、補(bǔ)點(diǎn)建線構(gòu)面、逐步實(shí)施。中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院按照此思路正在開展智能化測(cè)試工作的逐步推進(jìn)，系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗(yàn)智能化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提高測(cè)試精度和測(cè)量速度，節(jié)省人力、物力都具有非常重要的作用。

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