數(shù)字化測(cè)量設(shè)備站位規(guī)劃研究進(jìn)展

熊濤

摘 要：數(shù)字化測(cè)量設(shè)備因測(cè)量精度高、自動(dòng)化水平高及測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械制造及工程測(cè)量等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在測(cè)量時(shí)，需要根據(jù)被測(cè)物體的外形特征與設(shè)備的測(cè)量特性等情況考慮測(cè)量設(shè)備的站位布設(shè)問題，文章闡述和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外數(shù)字化測(cè)量設(shè)備站位規(guī)劃的研究進(jìn)展，為實(shí)際測(cè)量提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化測(cè)量; 站位規(guī)劃; 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TN249 G210 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）1-176-002

一、數(shù)字化測(cè)量設(shè)備概述

隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)量速度快、測(cè)量精度高與自動(dòng)化程度高的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備逐漸取代了以度量尺、卡板等模擬量測(cè)量工具，被大量應(yīng)用于飛機(jī)裝配、零件制造、工程勘測(cè)等場(chǎng)合。數(shù)字化測(cè)量設(shè)備隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷改進(jìn)，目前比較流行的有激光跟蹤儀、激光雷達(dá)與iGPS等。在測(cè)量時(shí)，先用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備測(cè)量物體表面特征點(diǎn)以獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，剔除異常值，然后對(duì)三維點(diǎn)云的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)點(diǎn)云質(zhì)量合格時(shí)，擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)便得到被測(cè)物體的三維測(cè)量模型[1]。

激光跟蹤儀（Laser Tracker）是一種大尺寸測(cè)量設(shè)備，不僅可以測(cè)量靜止的目標(biāo)點(diǎn)，而且可以跟蹤運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)并實(shí)時(shí)測(cè)量該目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它具有測(cè)量精度高、測(cè)量效率高、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量大尺寸物體的場(chǎng)合是非常適用的。其組成部分包含角度測(cè)量部分、距離測(cè)量部分、跟蹤控制部分、激光跟蹤儀控制器部分及支撐部分等[2]。其工作原理為：在待測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)靶球鏡，激光跟蹤儀光源發(fā)射的激光束入射靶球鏡，然后激光束被靶球鏡反射回跟蹤頭，檢測(cè)系統(tǒng)接收該反射光束以用于計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如果被測(cè)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的，則激光跟蹤儀調(diào)整激光束的方向以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的位置。

激光雷達(dá)（LIDAR）是一種非接觸式的測(cè)量設(shè)備，具有操作簡(jiǎn)單、適用面廣、自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被用于測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值及外形特征[3]，主要包含激光發(fā)生器、激光接收器和激光信號(hào)處理系統(tǒng)等部分。其工作原理是：內(nèi)部的激光發(fā)生器發(fā)出激光信號(hào)，激光信號(hào)在被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)處被反射，激光接收器接收反射信號(hào)，然后處理系統(tǒng)比較反射的激光信號(hào)與發(fā)射的激光信號(hào)以計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的位置。

iGPS是在GPS技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的一種數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，主要包含紅外激光發(fā)射器、接收器、基準(zhǔn)尺、坐標(biāo)解算處理器及測(cè)量軟件等部分，在測(cè)量時(shí)，接收器接收多臺(tái)紅外激光發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，內(nèi)部處理器再進(jìn)行解算即得到目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值[4]。

二、測(cè)量站位規(guī)劃研究進(jìn)展

在使用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備測(cè)量物體外形時(shí)，需要將測(cè)量設(shè)備放置在合適的站位，當(dāng)在一個(gè)站位下不能測(cè)量物體的全部外形特征時(shí)，則需要移動(dòng)測(cè)量設(shè)備，使測(cè)量設(shè)備在新的站位下測(cè)量剩余的物體外形特征。目前許多工作人員在執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，憑借測(cè)量經(jīng)驗(yàn)與自身感覺布設(shè)測(cè)量設(shè)備，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)指導(dǎo)，容易出現(xiàn)重復(fù)測(cè)量、漏測(cè)等情況，且測(cè)量效率低，測(cè)量所花時(shí)間和成本高，故相關(guān)科研工作者對(duì)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的站位規(guī)劃進(jìn)行了大量研究。通過閱讀相關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)出數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的站位規(guī)劃研究主要集中在以下五個(gè)大的方面：①被測(cè)物體的外形特征;②測(cè)量設(shè)備的測(cè)量特性;③測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度;④測(cè)量設(shè)備的激光可達(dá)性;⑤測(cè)量設(shè)備的站位數(shù)量。

①被測(cè)物體的外形特征。物體的表面是由無(wú)數(shù)個(gè)待測(cè)特征點(diǎn)組成的，在測(cè)量時(shí)，需要根據(jù)待測(cè)特征點(diǎn)的分布情況來(lái)布設(shè)測(cè)量設(shè)備的合適站位。楊曉輝[5]在Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境下，基于CAA開發(fā)測(cè)量仿真軟件，將待測(cè)物體的三維模型導(dǎo)入該軟件，提取并離散待測(cè)曲面特征，再基于K-Means聚類算法實(shí)現(xiàn)待測(cè)特征點(diǎn)的聚類劃分，以此將待測(cè)物體的表面劃分為若干個(gè)測(cè)量區(qū)域，在測(cè)量時(shí)，每個(gè)測(cè)量區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)測(cè)量站位，使用測(cè)量設(shè)備測(cè)完一個(gè)區(qū)域便轉(zhuǎn)站去測(cè)另一個(gè)區(qū)域，因此該站位規(guī)劃方法使得重復(fù)測(cè)量與漏測(cè)等情況的出現(xiàn)概率大大降低，提高了測(cè)量效率，規(guī)范了測(cè)量過程。

②測(cè)量設(shè)備的測(cè)量特性。每臺(tái)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備都有自身的可測(cè)量范圍，超過該范圍時(shí)便不能進(jìn)行測(cè)量。楊曉輝[5]以型號(hào)為L(zhǎng)eica AT901-MR的激光跟蹤儀為研究對(duì)象，根據(jù)激光跟蹤儀的最遠(yuǎn)測(cè)量距離、垂直方向測(cè)量范圍、水平方向測(cè)量范圍及靶球反射鏡的可入射范圍構(gòu)建了激光跟蹤儀測(cè)量單元模型，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，所布設(shè)的激光跟蹤儀站位要滿足該模型，否則便不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量。

③測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度。數(shù)字化測(cè)量設(shè)備都是有一定測(cè)量誤差的。在實(shí)際測(cè)量中，往往要求所測(cè)數(shù)據(jù)在所規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，因此測(cè)量設(shè)備必須放置在滿足測(cè)量精度的站位下。以激光雷達(dá)為例，其測(cè)量精度受到測(cè)量入射角與測(cè)量距離的影響。對(duì)此，張陽(yáng)[6]提出了采用控制變量法分別研究入射角與距離對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量精度的影響的實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)所提方案開展測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，他利用型號(hào)為MV260的激光雷達(dá)去測(cè)量平面實(shí)驗(yàn)件，然后處理測(cè)量數(shù)據(jù)并建立測(cè)量精度數(shù)學(xué)模型，最后將該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于后續(xù)的飛機(jī)襟翼測(cè)量實(shí)例中，檢測(cè)出了不滿足測(cè)量精度的站位。

④測(cè)量設(shè)備的激光可達(dá)性。對(duì)于以激光來(lái)測(cè)量物體外形的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備而言，所發(fā)出的激光束在到達(dá)待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)之前不可以被障礙物擋住，否則便不能測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的位置。目前激光可達(dá)性的檢測(cè)方法主要有兩種：一是干涉求交法，二是屏幕空間變換法。楊曉輝[5]在規(guī)劃仿真軟件中，以細(xì)長(zhǎng)圓柱代替激光束，利用布爾運(yùn)算使細(xì)長(zhǎng)圓柱與可能的障礙物進(jìn)行干涉求交，以此來(lái)判斷激光束是否被遮擋。Kong Zhenyu[7]等提出屏幕空間變換法，朱緒勝[8]等采用該方法，將立體空間的干涉求交問題轉(zhuǎn)換成平面空間的求交問題，然后通過二次開發(fā)，在CATIA中編寫算法并實(shí)現(xiàn)了可視性分析，最后以某實(shí)驗(yàn)裝配型架為例驗(yàn)證了算法的可行性與有效性。

⑤測(cè)量設(shè)備的站位數(shù)量。在使用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備測(cè)量物體外形時(shí)，應(yīng)使測(cè)量設(shè)備在一個(gè)站位下能夠測(cè)量盡量多的特征點(diǎn)，以減少所布設(shè)的站位數(shù)量、減少轉(zhuǎn)站次數(shù)與提高測(cè)量效率。

三、結(jié)束語(yǔ)

合理規(guī)劃數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的站位，有助于提高測(cè)量效率、規(guī)范測(cè)量過程、降低多測(cè)與少測(cè)情況的出現(xiàn)概率、以及節(jié)約時(shí)間與成本，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此開展了相應(yīng)的研究并取得了不錯(cuò)的成果，對(duì)于實(shí)際測(cè)量有不錯(cuò)的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]何延松，王麗芬.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[J]北方交通，2019（07）：70-74

[2]李廣云.LTD500激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J]測(cè)繪工程，2001（04）：3-8

[3]朱峻可，李麗娟，林雪竹.激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)規(guī)劃研究[J/OL]激光技術(shù)：1-13[2020-11-26]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20200109.1317.002.html

[4]康海東，范百興，李宗春，等.iGPS測(cè)量原理及其精度分析[J]測(cè)繪通報(bào)，2012（03）：12-15

[5]楊曉輝.面向飛機(jī)大部件的數(shù)字化測(cè)量站位規(guī)劃方法[D]南京航空航天大學(xué)，2016

[6]張陽(yáng).基于激光雷達(dá)的飛機(jī)大型構(gòu)件測(cè)量站位規(guī)劃研究[D]南京航空航天大學(xué)，2019

[7] Kong Zhenyu， Huang Wenzhen， Ceglarek Dariusz. Visibility Analysis for Assembly Fixture Calibration Using Screen Space Transformation[J]Journal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127（3）

[8]朱緒勝，蔡志為，鄭聯(lián)語(yǔ)，等.基于屏幕空間變換的大型裝配型架測(cè)量可視性分析[J]計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013，19（06）：1321-1328