激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃研究

朱峻可，李麗娟，林雪竹

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

引 言

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)測(cè)量、且無需合作目標(biāo)點(diǎn)等突出的優(yōu)點(diǎn),它集激光測(cè)距技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)于一體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的3維坐標(biāo)測(cè)量以及形貌特征的掃描。因此，激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于越來越多的工程領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。

大尺寸測(cè)量是指幾米至幾百米范圍內(nèi)物體的空間坐標(biāo)(位置)、尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)軌跡等的測(cè)量。目前在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)量產(chǎn)品分析、建立測(cè)量場(chǎng)和測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等，均依賴于測(cè)量人員的工程經(jīng)驗(yàn)。由于每次測(cè)量任務(wù)都追趕制造節(jié)點(diǎn)，為了節(jié)省任務(wù)時(shí)間，往往不進(jìn)行系統(tǒng)的流程規(guī)劃設(shè)計(jì)，就盲目地開始任務(wù)，導(dǎo)致測(cè)量過程經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量不完全、精度不達(dá)標(biāo)等問題，尤其是系統(tǒng)測(cè)量場(chǎng)的建立更是對(duì)整個(gè)測(cè)量成功與否起著關(guān)鍵作用。因此，對(duì)測(cè)量場(chǎng)的規(guī)劃尤為重要，建立測(cè)量場(chǎng)是指在測(cè)量環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量產(chǎn)品的空間坐標(biāo)系形成統(tǒng)一，其中包括測(cè)量系統(tǒng)的布站、轉(zhuǎn)站點(diǎn)選取、測(cè)量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)站預(yù)處理。測(cè)量場(chǎng)的建立很大程度上影響整個(gè)測(cè)量任務(wù)總體精度的大小，是整個(gè)測(cè)量任務(wù)中十分關(guān)鍵的一步。

基于大尺寸空間的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究：在國內(nèi)，XU等人對(duì)面向任務(wù)的激光跟蹤測(cè)量場(chǎng)進(jìn)行了規(guī)劃，對(duì)測(cè)量場(chǎng)元素的幾何模型和規(guī)劃算法進(jìn)行研究，基于粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,PSO)實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)量的測(cè)量場(chǎng)不確定度評(píng)估[1]；ZHOU等人通過對(duì)室內(nèi)全局定位系統(tǒng)(indoor global positioning system,IGPS)和激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行不確定度建模，設(shè)計(jì)了兩種測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)一技術(shù)和基于遺傳算法的布站優(yōu)化技術(shù)[2]；在國外，AGUADO等人對(duì)激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量網(wǎng)布站問題進(jìn)行研究，并提出了儀器的兩種自校準(zhǔn)技術(shù)[3]。與以往的校準(zhǔn)方法不同的是，首先建立了跟蹤儀的多邊法測(cè)量模型，然后分別基于最小二乘法和三角法對(duì)校準(zhǔn)過程進(jìn)行分析，最后根據(jù)激光跟蹤儀的誤差特性進(jìn)行測(cè)量網(wǎng)的定位。

激光雷達(dá)的自動(dòng)化掃描技術(shù)在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在針對(duì)不同測(cè)量任務(wù)時(shí)，只有提前對(duì)測(cè)量場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃，才能保證高精度及高效率的測(cè)量要求。本文中基于激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大尺寸空間測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃進(jìn)行深入研究，通過對(duì)測(cè)量模型進(jìn)行分析，制定系統(tǒng)配置原則，以及對(duì)采集數(shù)據(jù)方式及轉(zhuǎn)站技術(shù)的理論分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量場(chǎng)進(jìn)行全周期規(guī)劃的目的。

1 激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量模型建立

激光雷達(dá)是針對(duì)大尺寸產(chǎn)品進(jìn)行形貌特征掃描的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，是一種球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。圖1所示為激光雷達(dá)的測(cè)量模型。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)P點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)輸出坐標(biāo)為P(r，θ，φ)。

Fig.1 Lidar measurement model

測(cè)得的斜距r、俯仰角θ、水平角φ經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)(x，y，z)，見下式:

(1)

同理，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3維外形掃描時(shí)，也是依據(jù)此原理進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而得到外形特征。

由(1)式可以看出，激光雷達(dá)的測(cè)量主要是依據(jù)測(cè)量距離和測(cè)量角度來完成測(cè)量任務(wù)，因此，系統(tǒng)自身的距離誤差和角度誤差是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵[4]。

已知激光雷達(dá)系統(tǒng)的距離誤差和角度誤差均服從一個(gè)數(shù)字期望為μ、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布，且誤差范圍在(μ-2σ,μ+2σ)內(nèi)的極限距離誤差為10μm+2.5μm/m，極限角度誤差為6.8μm/m?，F(xiàn)利用MATLAB軟件對(duì)空間中的一點(diǎn)進(jìn)行蒙特卡洛仿真測(cè)量實(shí)驗(yàn)。選取水平角為0°、俯仰角為45°的方向，距離為30m的一點(diǎn)進(jìn)行1000次模擬測(cè)量，如圖2所示。

Fig.2 3-D scatter plot of simulated measurement at a distance of 30m

由系統(tǒng)誤差值和圖2可以分析得出，測(cè)距誤差是近似于線性的傳遞且對(duì)精度影響較小，而測(cè)角誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度影響較大。因此，為了滿足激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)提高精度的需求，在測(cè)量場(chǎng)配置過程中，尤其需要注意對(duì)測(cè)角誤差的控制。

2 測(cè)量場(chǎng)的系統(tǒng)配置規(guī)劃分析

2.1 測(cè)量系統(tǒng)的儀器布站規(guī)劃

測(cè)量場(chǎng)建立的第一步就是對(duì)儀器進(jìn)行站位選擇，對(duì)于大尺寸產(chǎn)品來說，被測(cè)產(chǎn)品是固定的，一個(gè)站位的測(cè)量系統(tǒng)往往不能全面的測(cè)量到產(chǎn)品的所有外形，因此需要多個(gè)站位共同協(xié)作完成測(cè)量。

如圖3所示，不同站位的激光雷達(dá)只能測(cè)量對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍內(nèi)的部分，因此，規(guī)劃一個(gè)完整的站位系統(tǒng)十分必要。主要依據(jù)以下4個(gè)方面對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行布站。

Fig.3 Schematic diagram of multi-site lidar measurement

(1)布置基礎(chǔ)穩(wěn)定、測(cè)量環(huán)境適宜。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)一般需要放置在配套的固定底座或輔助工作臺(tái)之上進(jìn)行工作，由于激光雷達(dá)屬于超高精密測(cè)量系統(tǒng)，溫度、濕度、震動(dòng)等環(huán)境影響會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生很大影響，所以在布置時(shí)應(yīng)避免環(huán)境反復(fù)變化的位置。測(cè)量一般在恒溫恒濕的環(huán)境進(jìn)行，因此，對(duì)于地面震動(dòng)的影響應(yīng)格外注意，例如測(cè)量人員在雷達(dá)周圍的移動(dòng)會(huì)使得系統(tǒng)測(cè)量位置產(chǎn)生瞬時(shí)的變化。為了避免此類問題的發(fā)生，可以在雷達(dá)周圍布置阻隔臺(tái)等。

(2)測(cè)量范圍滿足，避免極限角度。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍很廣，以MV331激光雷達(dá)為例，俯仰角的測(cè)量范圍是±45°、水平角的測(cè)量范圍是±360°、測(cè)量距離為0m～30m。已知測(cè)距誤差與測(cè)角誤差均與測(cè)量距離有關(guān)，因此在布站時(shí)應(yīng)保證每一站位的單點(diǎn)測(cè)量精度控制在要求的公差區(qū)間內(nèi)，并且避免角度趨于測(cè)量范圍內(nèi)的極限角，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)的角度轉(zhuǎn)盤發(fā)生故障。

(3)激光入射角度越大，精度越差。激光在射向被測(cè)產(chǎn)品時(shí)，會(huì)與產(chǎn)品表面產(chǎn)生一個(gè)入射角。當(dāng)激光垂直入射到產(chǎn)品表面時(shí)，反射光最強(qiáng)，激光接收器也就穩(wěn)定的接收光信號(hào)。若入射角很大，就會(huì)導(dǎo)致反射光的強(qiáng)度很差，使得此處測(cè)量結(jié)果的置信度也較差。在對(duì)產(chǎn)品外形進(jìn)行3維掃描時(shí)就很容易出現(xiàn)此種情況，應(yīng)盡量避免。

(4)雷達(dá)站位數(shù)越少，精度越高，效率越高。在大尺寸測(cè)量中，誤差的來源主要包括系統(tǒng)自身誤差、實(shí)際測(cè)量誤差和統(tǒng)一空間測(cè)量場(chǎng)誤差。其中影響最大的就是統(tǒng)一空間測(cè)量場(chǎng)誤差，即轉(zhuǎn)站誤差。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)站位時(shí)，應(yīng)在固定的測(cè)量空間內(nèi)盡可能少地配置站位，這樣就會(huì)使轉(zhuǎn)站次數(shù)較少，從而提高轉(zhuǎn)站精度。同時(shí)，在有限的測(cè)量資源中，減少系統(tǒng)站位也就減少了需要移動(dòng)儀器的時(shí)間，從而提高了測(cè)量效率[5-9]。

2.2 轉(zhuǎn)站點(diǎn)選取的方法分析

轉(zhuǎn)站的原理是將不同站位的儀器測(cè)量坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，方法是通過每相鄰兩個(gè)站位的儀器均測(cè)量部分公共點(diǎn)，通過公共點(diǎn)的對(duì)齊，使測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)位置完成了統(tǒng)一，從而確定了一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系，其中的公共點(diǎn)通常稱為轉(zhuǎn)站點(diǎn)。

轉(zhuǎn)站是基于布爾沙-沃爾夫(Bursa-Wolf)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型而完成，通過至少3個(gè)轉(zhuǎn)站點(diǎn)來確定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)，不共線的3個(gè)點(diǎn)確定了唯一的平面，不同點(diǎn)逐一對(duì)齊的過程也就確定了一個(gè)唯一的空間，從而完成轉(zhuǎn)站。在實(shí)際測(cè)量過程中不僅儀器間需要通過轉(zhuǎn)站形成統(tǒng)一的坐標(biāo)系，統(tǒng)一的儀器坐標(biāo)系還需與測(cè)量產(chǎn)品的全局坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)齊，目的是將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，才能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析[10-11]。

激光雷達(dá)轉(zhuǎn)站過程如圖4所示。被測(cè)產(chǎn)品為M，根據(jù)M的空間尺寸分析需要設(shè)置4個(gè)雷達(dá)站位才能將產(chǎn)品測(cè)量完全，為了使4個(gè)站位的測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)一為同一坐標(biāo)系，需在每相鄰兩站位間設(shè)有至少3個(gè)公共點(diǎn)，這樣即可將4個(gè)站位關(guān)聯(lián)成為一個(gè)整體，從而與產(chǎn)品自身坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)齊，得到測(cè)量不確定度。

Fig.4 Schematic diagram of lidar transfer station

針對(duì)不同測(cè)量任務(wù)選取激光雷達(dá)轉(zhuǎn)站點(diǎn)時(shí)，主要依據(jù)以下7個(gè)原則：(1)穩(wěn)定的布置基礎(chǔ)。由于激光雷達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)是利用工具球和靶座進(jìn)行輔助測(cè)量，因此在布置時(shí)應(yīng)格外注意靶座的穩(wěn)定性，利用熱熔膠穩(wěn)固靶座四周，確保不會(huì)由于工具球的自重而影響靶座的穩(wěn)定;(2)分布均勻。在布置轉(zhuǎn)站點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保持在測(cè)量空間中分布均勻且覆蓋范圍完全，例如對(duì)于飛機(jī)的外形測(cè)量中，配置轉(zhuǎn)站點(diǎn)應(yīng)均勻地包含在飛機(jī)每個(gè)部分，包括機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、V形尾等,同時(shí)，應(yīng)避免多個(gè)點(diǎn)的直線分布，直線分布的點(diǎn)不但對(duì)空間配準(zhǔn)沒有幫助，還降低了工作效率;(3)包容原則。包容原則是指轉(zhuǎn)站點(diǎn)的分布應(yīng)盡可能地包容此站位其它測(cè)量點(diǎn)，這樣就確保了測(cè)量點(diǎn)誤差小于轉(zhuǎn)站點(diǎn)誤差;(4)轉(zhuǎn)站點(diǎn)數(shù)量合適?？臻g中不共線的3個(gè)點(diǎn)即可確定一個(gè)對(duì)齊空間，轉(zhuǎn)站點(diǎn)數(shù)量越多，轉(zhuǎn)站誤差將會(huì)越小,但隨著轉(zhuǎn)站點(diǎn)的增多，誤差減小的速度也趨于平緩，因此，在保證測(cè)量精度的前提下，也應(yīng)考慮降低測(cè)量成本,在實(shí)際任務(wù)中，通常采取5～7個(gè)轉(zhuǎn)站點(diǎn)最適宜;(5)轉(zhuǎn)站點(diǎn)位置選擇。轉(zhuǎn)站點(diǎn)除了布置均勻外，位置選擇上應(yīng)遵循以下規(guī)律：首先，轉(zhuǎn)站點(diǎn)并不局限于作為兩個(gè)站位間的公共點(diǎn)，能測(cè)到的站位越多，在統(tǒng)一測(cè)量網(wǎng)時(shí)就越精確；其次，轉(zhuǎn)站點(diǎn)優(yōu)先布置在被測(cè)產(chǎn)品的不同形態(tài)曲面上，曲面反映了產(chǎn)品的形狀，往往也就反映了產(chǎn)品的制造精度，因此曲面上的點(diǎn)更具有借鑒意義；最后，在夾持產(chǎn)品的工裝上也可布置轉(zhuǎn)站點(diǎn)，因?yàn)楣ぱb位置相對(duì)產(chǎn)品更穩(wěn)定，同時(shí)，工裝上的點(diǎn)對(duì)于激光雷達(dá)來說，測(cè)量視野更開闊，有更多站位的儀器可以測(cè)到,在進(jìn)行轉(zhuǎn)站處理時(shí)，精度也會(huì)更高;(6)冗余設(shè)計(jì)理論。冗余設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品可靠性的常用方法，對(duì)于測(cè)量任務(wù)來說，即使規(guī)劃的再好，也會(huì)發(fā)生偶然性事件影響整個(gè)測(cè)量，如測(cè)量過程中，某一轉(zhuǎn)站點(diǎn)經(jīng)此站位測(cè)完，在下一站位繼續(xù)測(cè)量時(shí)突然脫落，就很可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量精度受到影響，因此重復(fù)配置某些關(guān)鍵轉(zhuǎn)站點(diǎn)就避免了此類問題的發(fā)生;(7)可達(dá)性分析。在轉(zhuǎn)站點(diǎn)配置好后，一定要與確定好的儀器站位相結(jié)合，通過系統(tǒng)配套的測(cè)量軟件進(jìn)行可達(dá)性分析，即是否每個(gè)站位的雷達(dá)激光均可達(dá)到布置的轉(zhuǎn)站點(diǎn)，如此步驟沒有問題，測(cè)量即可開始進(jìn)行[12-16]。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)的采集及處理

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)測(cè)量任務(wù)的不同，激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集方式主要有兩種，分別是單點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量和外形掃描測(cè)量。

(1)單點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量是利用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)配套的不銹鋼球進(jìn)行輔助測(cè)量，如圖5所示。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需在被測(cè)產(chǎn)品上布置具有磁性的基準(zhǔn)靶座，將工具球放置在靶座上即可進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量前設(shè)置好工具球尺寸，對(duì)半球體進(jìn)行螺旋掃描，掃描的響應(yīng)時(shí)間為2s，而普通的表面點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間僅為0.2s。這是由于測(cè)量工具球是對(duì)整個(gè)半球進(jìn)行掃描后，選取反射能量最大的一點(diǎn)，即為垂直入射點(diǎn)，此點(diǎn)通過補(bǔ)償工具球半徑，即可得到被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

Fig.5 Schematic diagram of radar measurement tool ball

(2)外形掃描測(cè)量是激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在，大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)采用人工手持掃描儀的方式進(jìn)行產(chǎn)品的外形測(cè)量，這種方法不僅耗費(fèi)人力，更重要的是人工測(cè)量的位置有限，一些大型產(chǎn)品的高度和寬度都使得手臂的伸展受到限制。而激光雷達(dá)通過軟件與系統(tǒng)的結(jié)合使得激光照射到的部分均可以自動(dòng)測(cè)量。掃描主要包括周界線掃描和矩形盒掃描兩種方式。

周界線掃描主要分為閉合式和開放式兩種，對(duì)于外形自動(dòng)掃描來說，常用閉合周界線掃描進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。通過在配套的測(cè)量軟件中選取3個(gè)以上的測(cè)量引導(dǎo)點(diǎn)，即構(gòu)成空間中的測(cè)量區(qū)域，在軟件中設(shè)置測(cè)量行距和列距，將區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格化。從起始點(diǎn)開始沿著輪廓逐行掃描，到達(dá)輪廓邊界時(shí)跳至下一行，直到測(cè)量區(qū)域內(nèi)均已測(cè)量完成。

Fig.6 Schematic diagram of closed perimeter line scanning

矩形盒掃描通過設(shè)置掃描盒的寬度、高度、中心位置和掃描間距，對(duì)盒空間內(nèi)進(jìn)行掃描。是對(duì)大尺寸形狀不規(guī)則產(chǎn)品常用的外形自動(dòng)掃描的方法，測(cè)量景深為±200mm。矩形盒掃描也分為3種方式，依據(jù)對(duì)測(cè)量精度和效率的不同需求選取不同的測(cè)量方式[17-19]，表1中為對(duì)比。

Table 1 Comparison of accuracy and response speed of rectangular box scanning method

3.2 多站位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)站技術(shù)

經(jīng)過多站位雷達(dá)的測(cè)量后，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一空間測(cè)量網(wǎng)，即轉(zhuǎn)站處理，通常采用奇異值分解法來完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，是工程上常用的坐標(biāo)配準(zhǔn)算法。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程為：

(2)

式中,P為參考坐標(biāo)系，Q為待轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。在配準(zhǔn)兩坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)將公共點(diǎn)坐標(biāo)重心化，即首先確定旋轉(zhuǎn)矩陣。則：

(3)

式中，∑P為坐標(biāo)系內(nèi)nP個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和，∑Q為坐標(biāo)系內(nèi)nQ個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和，Pg和Qg分別代表參考坐標(biāo)系和待轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的重心坐標(biāo)。重心化后的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)為：

(4)

已知目標(biāo)函數(shù)為：

∑‖Ph-RQh‖2=

∑(PhTPh+QhTQh-2PhTRQh)

(5)

為了使目標(biāo)函數(shù)最小，設(shè)H=∑QhPhT，即求取trace(RH)最大值。則對(duì)矩陣H進(jìn)行奇異值分解：

H=UDVT

(6)

式中,U和V為正交單位矩陣，D為對(duì)角矩陣。再計(jì)算最佳旋轉(zhuǎn)矩陣R為：

R=VUT

(7)

平移矩陣T即為：

T=Ph-RQh

(8)

至此，即完成了一次轉(zhuǎn)站。依次對(duì)每個(gè)站位進(jìn)行轉(zhuǎn)站處理，則統(tǒng)一了測(cè)量網(wǎng)的坐標(biāo)系[20-21]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為了證明基于激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃研究的正確性，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)中分別采用兩種測(cè)量系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量場(chǎng)的建立，數(shù)據(jù)處理方法均使用奇異值分解法，驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃配置的實(shí)用性。

第1次測(cè)量實(shí)驗(yàn)利用工程中應(yīng)用較多且精度較高的3維掃描系統(tǒng)PRO CMM光學(xué)跟蹤儀，如圖7所示。依據(jù)測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量站位的布置和測(cè)量點(diǎn)的選取。

Fig.7 PRO CMM optical tracker

第2次測(cè)量實(shí)驗(yàn)利用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，依據(jù)測(cè)量場(chǎng)系統(tǒng)配置原則先進(jìn)行測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃，后根據(jù)規(guī)劃結(jié)果建立測(cè)量場(chǎng)，圖8為測(cè)量場(chǎng)示意圖。

驗(yàn)證測(cè)量精度的參量主要包括點(diǎn)最大誤差、點(diǎn)平均誤差和全局均方根(root mean square,RMS)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

Fig.8 Schematic diagram of measurement field establishment

Table 2 Comparison of experimental accuracy

在大尺寸測(cè)量任務(wù)中，測(cè)量點(diǎn)的誤差通常限制在0.1mm以內(nèi)，這就使第1次實(shí)驗(yàn)中部分點(diǎn)由于誤差過大而需要剔除。而全局均方根代表了整個(gè)測(cè)量場(chǎng)的精度，大尺寸測(cè)量任務(wù)中通常要求保證在0.05mm以內(nèi)，雖然兩次實(shí)驗(yàn)的均方根精度均滿足測(cè)量要求，但第1次實(shí)驗(yàn)的全局均方根是第2次的近3倍，誤差趨于公差邊界。

由兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比可以分析得出，第2次測(cè)量實(shí)驗(yàn)的整體測(cè)量精度明顯優(yōu)于第1次，同時(shí)也驗(yàn)證了激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃方法的理論正確性和實(shí)際應(yīng)用性。

5 結(jié) 論

以設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)規(guī)劃原則，從激光雷達(dá)測(cè)量場(chǎng)建立的全周期規(guī)劃著手，分析了測(cè)量系統(tǒng)的布站規(guī)劃和轉(zhuǎn)站點(diǎn)的選取方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)，對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理方式進(jìn)行了理論研究，總結(jié)了對(duì)于激光雷達(dá)規(guī)劃過程的完整表述。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃研究對(duì)于大尺寸測(cè)量任務(wù)以及數(shù)字化裝配等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值，并且可以將方法拓展至其它測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃。通過測(cè)量場(chǎng)的規(guī)劃評(píng)估解決了現(xiàn)階段測(cè)量任務(wù)中測(cè)量場(chǎng)精度不足和測(cè)量過程出現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的測(cè)量效率低等問題，方法具有理論正確性和實(shí)際可行性。