何紅麗

摘 要： 根據(jù)試驗(yàn)測試需求，設(shè)計一種集點(diǎn)、線、面為一體智能化高精度三維坐標(biāo)定位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測以及工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定中，具備測量仿真、在線校準(zhǔn)、在線測量、快速處理、實(shí)時監(jiān)控的功能，給出系統(tǒng)構(gòu)建思路、框架、組成，并對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行剖析；在實(shí)驗(yàn)室利用全站儀、影像測量設(shè)備等搭建一個綜合測試平臺，驗(yàn)證了設(shè)備接口信息互操作性、實(shí)時引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平差處理等關(guān)鍵功能，其功能、性能均滿足測試需求。系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗(yàn)智能化測試技術(shù)的發(fā)展，對提高測試精度、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； 智能測量； 系統(tǒng)設(shè)計； 測量仿真

中圖分類號： TN98?34； V217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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)空間定位測量是在真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下，對航空飛行器及附件等位置參數(shù)進(jìn)行測量[1]，其主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測以及工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定中。

近幾年來隨著數(shù)字化測量技術(shù)進(jìn)入制造領(lǐng)域，其在測量、檢測、裝配、校準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，尤其是對于尺寸大、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)的測量中，既要測量飛機(jī)、武器本身的位姿信息，還要測量飛機(jī)與武器之間的相互關(guān)系；測量精度要求高，測量任務(wù)多，測量頻度高，每年測量上百架次；測量由原來的靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動靜結(jié)合；且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測試向著數(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)上述測量需求，智能化測試系統(tǒng)的研制是必然選擇。沒有有效的測量手段就不可能實(shí)現(xiàn)在線自動化檢測，只有通過智能化測試系統(tǒng)的構(gòu)建，才可提高試飛測試精度、速度，節(jié)省人力、物力。

本文主要針對空間定位測量需求，跟蹤國內(nèi)外智能化測試技術(shù)發(fā)展趨勢，設(shè)計滿足未來武器發(fā)展需求的高精度空間三維點(diǎn)、線、面一體化智能測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備仿真計算、在線校準(zhǔn)、在線測量、快速處理、實(shí)時監(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、復(fù)雜體的定位及試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)控，為現(xiàn)場測試、決策提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 基本框架

依據(jù)飛行試驗(yàn)所需，采用先進(jìn)的數(shù)字化測量設(shè)備如全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、三維掃描儀、激光跟蹤儀等多測量設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以期解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測和工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定問題。構(gòu)建思路是基于三維模型，通過計算機(jī)、自動控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對被測對象的一體化測量[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、在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，縮短處理周期，提高測量數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。在測量平臺構(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，同時要能夠?qū)y量設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化，對測量任務(wù)軌跡線路進(jìn)行規(guī)劃，在確保精度的情況下完成自動化測量。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

針對飛行試驗(yàn)機(jī)庫特點(diǎn)，構(gòu)建智能化高精度定位測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的快速自動化采集、記錄、計算、結(jié)果報表生成等功能。智能測量系統(tǒng)主要由5個分系統(tǒng)組成：精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、測控中心分系統(tǒng)、測量仿真分系統(tǒng)。其中精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的采集與獲取；測控中心分系統(tǒng)是整個系統(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；測量仿真分系統(tǒng)主要完成測量設(shè)備的布局、組合以及測量路徑的規(guī)劃，是進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵，同時也是自動化測量的基礎(chǔ)。具體組成如下：

（1） 精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)。由全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、激光跟蹤儀等設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)對被測對象特征點(diǎn)測量。

（2） 影像測量分系統(tǒng)。由攝像機(jī)、鏡頭、解析軟件等組成，利用近景攝影原理對目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量，可以給出靜態(tài)或動態(tài)測量過程目標(biāo)點(diǎn)的測量結(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)的測量及姿態(tài)求取。

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

（5） 測量仿真分系統(tǒng)。根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境知識建立仿真模型，對測量特性進(jìn)行仿真計算，通過仿真給出某個特定任務(wù)中參與測量的測量設(shè)備的組合、布局、測量任務(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，模擬測量現(xiàn)場，對設(shè)備布局，設(shè)備干涉、測量軌跡路徑的模擬，對測量方案及計劃進(jìn)行確認(rèn)。

1.3 軟件規(guī)劃

對于一項(xiàng)測試，要進(jìn)行智能化測量，任務(wù)部署規(guī)劃很重要。首先通過測量仿真，獲取測量規(guī)劃，然后再依據(jù)規(guī)劃進(jìn)行在線化測量及結(jié)果報表的生成。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、布置和測量

一個由多測量設(shè)備構(gòu)成的綜合測量系統(tǒng)要獲取高精度的測量結(jié)果，首先要根據(jù)觀測對象條件來確定聯(lián)合靶標(biāo)設(shè)計及布局，以確保測量體系的統(tǒng)一。在這一過程中，需要充分考慮多種測量設(shè)備對測量標(biāo)志的識別特點(diǎn)，考慮測量對象的尺寸規(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，讓所有測量設(shè)備信息可以劃歸在統(tǒng)一測量體系。

設(shè)計的聯(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別，而圓形回光反射標(biāo)志點(diǎn)可以由影像測量設(shè)備、三維掃描儀識別，然后通過解析算法，依據(jù)反射棱鏡的中心把所有的測量點(diǎn)劃歸在同一個參考中心。

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

2.2 基于模型的智能化測量流程設(shè)計

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

2.3 測量仿真

測量仿真是實(shí)現(xiàn)智能測量的首要條件，在復(fù)雜試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境下，建立合理的測量場模型是測量規(guī)劃與系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和關(guān)鍵 [6?7]。總體上，測量場模型要根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境模型而建立，其中應(yīng)包括工作空間、零部件、障礙物、測量目標(biāo)、測量儀器、測量空間內(nèi)的環(huán)境因素等信息。對測量系統(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量場結(jié)果，由此可以在現(xiàn)場實(shí)際測量實(shí)施之前評價測量系統(tǒng)的性能參數(shù)并得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證測量場模型和試驗(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。測量仿真過程如圖5所示。

2.4 自動化測量過程

自動測量用到的設(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)備自動驅(qū)動?自動找點(diǎn)?數(shù)據(jù)采集”的方式實(shí)現(xiàn)自動瞄準(zhǔn)測量[8]。首先基于三維數(shù)/模獲取各測量點(diǎn)在設(shè)計坐標(biāo)系下的理論位置，計算設(shè)計坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)下各個測點(diǎn)在測量坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)值，通過程序控制測量設(shè)備自動定位到要采集的測量點(diǎn)附近，使跟蹤儀自動精確搜尋到靶球靶心，完成測量，然后進(jìn)入下一個所需點(diǎn)的搜索并測量。

3 驗(yàn) 證

利用全站儀、影像測量系統(tǒng)等組建了一個綜合測量平臺，通過該系統(tǒng)驗(yàn)證了實(shí)時引導(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)行測量、融合精度優(yōu)于單獨(dú)設(shè)備精度；測量范圍得到拓展。同時在多個型號 測試驗(yàn)證了多測量設(shè)備組合自動化測量模式， 實(shí)現(xiàn)了在線測量，提高工作效率與測量的可靠性。

4 結(jié) 語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 楊廷梧，張正中.航空飛行試驗(yàn)光電測量理論與方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：1?10.

[2] Maxham D.空間誤差補(bǔ)償技術(shù)在大型多軸機(jī)床標(biāo)定中實(shí)用方法[J].航空制造技術(shù)，2010（13）：46?49.

[3] 羅芳，周萬勇，侯志霞.部件自動對接過程中的運(yùn)動規(guī)劃及精度控制[J].航空制造技術(shù)，2014（21）：156?158.

[4] 李光麗，孟月梅，司守鈺.面向三維裝配工藝的數(shù)字化檢測規(guī)劃技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2015（21）：130?133.

[5] 夏平均，姚英學(xué)，李建廣，等.三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37（1）：36?39.

[6] 朱緒勝，鄭聯(lián)語.基于關(guān)鍵裝配特性的大型零部件最佳裝配位姿多目標(biāo)優(yōu)化算法[J].航空學(xué)報，2012（9）：1726?1736.

[7] 鄭聯(lián)語，邵建，朱緒勝.集成于CATIA的大尺寸測量軟件系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2012（11）：40?42.

[8] 鄭聯(lián)語，朱緒勝.大尺寸測量技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2013（7）：36?41.