崔深山 萬 爽 張 濤

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

1 引 言

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高次曲面外形測(cè)量在汽車、船舶、航天航空領(lǐng)域都顯示出了極為重要的作用[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維曲面測(cè)量，以獲得操作對(duì)象準(zhǔn)確的面形數(shù)據(jù)[2]。測(cè)量方法目前國(guó)內(nèi)外主要分為接觸式與非接觸式。其中，光學(xué)非接觸三維曲面測(cè)量技術(shù)得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。

雖然非接觸式測(cè)量方法發(fā)展了許多年、出現(xiàn)了許多不同的測(cè)量方案，技術(shù)日臻成熟，但其仍舊存在難以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率測(cè)量的問題[3]。選用激光掃描與視覺手持測(cè)量相結(jié)合的方式采集結(jié)構(gòu)高次曲面輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了曲面測(cè)量精度與效率，促進(jìn)了非接觸式光學(xué)測(cè)量在工程中的應(yīng)用。

2 測(cè)量原理

2.1 激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)

激光雷達(dá)掃描[4]系統(tǒng)屬于大尺寸非接觸式激光掃描系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)外形的高精度掃描測(cè)量，如圖1所示。激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)是個(gè)球形測(cè)量系統(tǒng)，采用類似于微波雷達(dá)測(cè)距原理方式進(jìn)行距離測(cè)量，是一種非接觸性的測(cè)距設(shè)備，其精度可與激光干涉儀相比。通過球形坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換得出被測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)。

激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)測(cè)量半徑范圍為1m～60m，角度范圍水平方向±180°、垂直方向±25°；當(dāng)激光掃描頭的測(cè)量光線無法直接指向被測(cè)位置時(shí)需使用反射鏡。反射鏡作為雷達(dá)的輔助測(cè)量設(shè)備，可改變激光頭測(cè)量光線的方向。對(duì)反射鏡進(jìn)行標(biāo)定后，在對(duì)被測(cè)物在反射鏡中的像進(jìn)行測(cè)量，即可得到被測(cè)物的實(shí)際三維坐標(biāo)。

2.2 視覺手持測(cè)量系統(tǒng)

手持測(cè)量系統(tǒng)包括坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)以及雙目測(cè)量系統(tǒng)，坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可用于大尺寸的測(cè)量坐標(biāo)系建立，雙目測(cè)量系統(tǒng)用于被測(cè)物三坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，如圖2所示。

坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)采用攝像原理對(duì)編碼點(diǎn)及非編碼點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并記錄所在位置信息。雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合了攝影測(cè)量和三角測(cè)量原理的精確度，同時(shí)帶來了激光跟蹤器和便攜式三坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。

視覺手持測(cè)量系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量方式的便攜性及靈活性，當(dāng)測(cè)量坐標(biāo)系建立完成后可實(shí)現(xiàn)視覺傳感器與手持掃描儀的自由移動(dòng)測(cè)量，可用于高效完成飛行器外形測(cè)量。

2.3 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

2.3.1 激光雷達(dá)多站數(shù)據(jù)融合

激光雷達(dá)對(duì)于大尺寸被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)時(shí)需要多次轉(zhuǎn)站才能夠完成全部測(cè)量任務(wù)。為了減小激光雷達(dá)多次轉(zhuǎn)站引入的誤差，需在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前采用激光雷達(dá)多站網(wǎng)絡(luò)融合法，用來獲得激光雷達(dá)各站位間最優(yōu)的相對(duì)位置估計(jì)，從而保證最終的測(cè)量結(jié)果質(zhì)量。

激光雷達(dá)在各個(gè)測(cè)站坐標(biāo)系下對(duì)轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)共有n個(gè)，第i個(gè)轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)pi在Mj(j=1,2···,n)下轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)測(cè)量值的集合為Aj(j=1,2,···,n)，如圖3所示。

不妨設(shè)A0為M0下所有轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)最優(yōu)估計(jì)位置的集合，由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換屬于剛性轉(zhuǎn)換，所以求Mj(j=1,2···,m)在M0下的方位估計(jì)，即求公共目標(biāo)點(diǎn)集合Aj(j=1,2,···,m)到A0對(duì)齊的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，如圖4所示。

2.3.2 視覺手持測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)融合

在大尺寸被測(cè)物四周布設(shè)目標(biāo)檢測(cè)(編碼和非編碼)和識(shí)別編碼目標(biāo)，其中非編碼目標(biāo)即高精度反射標(biāo)記點(diǎn)，而編碼目標(biāo)采用“T”模式(用于方向)以及兩個(gè)移動(dòng)目標(biāo)結(jié)合的形式，用于創(chuàng)建唯一代碼。坐標(biāo)系上同樣存在三個(gè)編碼目標(biāo)，來標(biāo)記坐標(biāo)系的位置信息，同時(shí)刻度尺上也同樣存在兩個(gè)編碼目標(biāo)，用于模型的全局縮放，如圖5所示。

基于視覺測(cè)量圖像處理原理，通過圖像識(shí)別編碼目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行圖像拼接，建立大尺寸測(cè)量坐標(biāo)系，如圖6所示。

2.3.3 手持測(cè)量系統(tǒng)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合公共點(diǎn)布設(shè)，在被測(cè)目標(biāo)上布設(shè)激光雷達(dá)及手持測(cè)量系統(tǒng)均能識(shí)別的特制靶標(biāo)，采用MAXSHOT建立測(cè)量坐標(biāo)系，基于特制靶標(biāo)對(duì)手持掃描儀與激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，如圖7所示。

手持測(cè)量系統(tǒng)是基于視覺測(cè)量原理，其合作目標(biāo)為高反光的反射標(biāo)記點(diǎn)，而激光雷達(dá)的測(cè)量合作目標(biāo)為經(jīng)過表面高精度處理的工具球?；谝陨细鳒y(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量特征，設(shè)計(jì)特制靶標(biāo)及靶座，保證各測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量大尺寸空間某些特定位置坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊，保證手持測(cè)量系統(tǒng)與激光雷達(dá)/激光跟蹤儀數(shù)據(jù)融合。

在測(cè)量場(chǎng)內(nèi)首先使用視覺手持測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量至少3個(gè)特制靶標(biāo)，該特制靶標(biāo)能夠采用視覺測(cè)量系統(tǒng)識(shí)別其靶標(biāo)中心，如圖8所示。

將特制靶標(biāo)換成激光雷達(dá)能夠識(shí)別的合作工具后進(jìn)行再次測(cè)量，可以得到中心坐標(biāo)，如圖9所示。

3 測(cè)量方案及實(shí)施

3.1 被測(cè)對(duì)象

作為被測(cè)對(duì)象的某飛行器測(cè)量狀態(tài)如圖10所示，其外形為高次曲面，不是簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體，給測(cè)量帶來了一定的困難。且需要對(duì)全飛行器進(jìn)行外形測(cè)量，測(cè)量范圍較大。

3.2 測(cè)量方案流程

a) 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行自檢，精度標(biāo)定，記錄系統(tǒng)標(biāo)定精度；

b) 在飛行器水平狀態(tài)下測(cè)量飛行器基準(zhǔn)特征，同時(shí)在飛行器曲面較為平滑處布設(shè)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換工具球，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下測(cè)量相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；

c) 將被測(cè)飛行器置于豎直測(cè)量工裝上，處于待測(cè)狀態(tài)；

d) 對(duì)各測(cè)量站位進(jìn)行規(guī)劃；

e) 布設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)站工具；

f) 按照規(guī)劃進(jìn)行飛行器外形掃描測(cè)量；

g) 外形數(shù)據(jù)獲取完畢后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理；

h) 偏差檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)數(shù)據(jù)處理，生成偏差檢測(cè)報(bào)告。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)搭建

主要是通過連接電纜將激光雷達(dá)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)預(yù)熱前需緊固掃描儀及腳架，確保掃描頭連在腳架上，所有配件連接位置正確。確保儀器及目標(biāo)處于穩(wěn)定的環(huán)境中。準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)熱。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，以確認(rèn)距離測(cè)量及信號(hào)處理是否符合技術(shù)規(guī)范。

手持測(cè)量系統(tǒng)集成了MaxSHOT 3D光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)、C-Track雙攝像頭傳感器、HandyPROBE測(cè)量探針和MetraSCAN手持掃描儀，對(duì)各部件進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。系統(tǒng)連接后完成相關(guān)精度檢測(cè)即可開始測(cè)量。

3.4 外形掃描測(cè)量

3.4.1 視覺手持測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量坐標(biāo)系建立與測(cè)量系統(tǒng)布局

根據(jù)飛行器的水平測(cè)量狀態(tài)，首先采用MAXSHOT建立測(cè)量坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系與其中一刻度尺放置于飛行器后端，另一刻度尺放置于飛行器前端以保證測(cè)量坐標(biāo)系的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

同時(shí)飛行器四周布設(shè)目標(biāo)檢測(cè)(編碼和非編碼)和識(shí)別編碼目標(biāo)。其中十個(gè)非編碼目標(biāo)采用特制靶標(biāo)分布在飛行器背面及側(cè)緣用來完成視覺手持測(cè)量系統(tǒng)和激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，如圖11所示。

3.4.2 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系建立與系統(tǒng)布局

將MAXSHOT建立測(cè)量坐標(biāo)系時(shí)所采用的坐標(biāo)系和編碼點(diǎn)清除后，將特制靶標(biāo)替換成與激光雷達(dá)配合使用的工具球用來完成激光雷達(dá)多站數(shù)據(jù)融合以及和手持測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合。在飛行器前端和后端2m左右兩處安放激光雷達(dá)，同時(shí)保證10個(gè)工具球在激光雷可測(cè)范圍內(nèi)，飛行器水平狀態(tài)下激光雷達(dá)站位如圖12所示。

飛行器外形面測(cè)量時(shí)，選擇飛行器在豎直狀態(tài)下運(yùn)用視覺手持測(cè)量系統(tǒng)來完成測(cè)量任務(wù)，由于測(cè)量系統(tǒng)的視覺限制需要將系統(tǒng)升高進(jìn)行手持掃描儀的測(cè)量，測(cè)量布局如圖13所示。

3.5 數(shù)據(jù)處理

3.5.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的剔除與修補(bǔ)

在曲面的數(shù)字化測(cè)量中獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于存在各種干擾因素會(huì)不可避免的產(chǎn)生各種誤差點(diǎn)。如要建立較好質(zhì)量的重構(gòu)曲面就需要必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除與修補(bǔ)。

3.5.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過濾

曲面數(shù)字化處理后將獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)量十分龐大的時(shí)候，必須要在保證精度的前提下減少數(shù)據(jù)量。

3.5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

將測(cè)量的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與處理，得到多邊形三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。要正確的建立數(shù)據(jù)點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，生成三角平面是網(wǎng)格關(guān)鍵。同時(shí)曲率的大小對(duì)三角網(wǎng)格也有影響，當(dāng)曲率變化較大時(shí)要合理增加三角面片數(shù)，曲率變化小時(shí)要適當(dāng)減少三角面片數(shù)量，如圖14所示。

4 測(cè)量結(jié)果及分析

4.1 測(cè)量結(jié)果

最佳擬合對(duì)齊后對(duì)飛行器面形進(jìn)行偏差檢測(cè)，偏差結(jié)果顯示分析采用整體偏差檢測(cè)方式，檢測(cè)結(jié)果如圖15所示。整體偏差分布情況如圖16所示，其中縱軸為各偏差值區(qū)間內(nèi)曲面面積占總面積的百分比，由圖可直觀看出該飛行器外形偏差主要在±1mm以內(nèi)。

4.2 結(jié)果分析

測(cè)量結(jié)果表明，飛行器實(shí)物外形與理論數(shù)模符合較好，偏差值絕大部分位于±1mm范圍內(nèi)。采用

激光掃描與視覺手持測(cè)量相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)構(gòu)曲面進(jìn)行全輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取具有高度自動(dòng)化、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)。采用本次測(cè)量的結(jié)果作為輸入，后續(xù)裝配工作取得了圓滿的成功，這以實(shí)踐的方式驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的精確性與可靠性。

5 結(jié)束語

針對(duì)大型結(jié)構(gòu)高次曲面外形精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究，制定了測(cè)量流程，突破了雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)掃描與視覺手持測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合，大幅提高了高次曲面測(cè)量精度與測(cè)量效率。完成某飛行器高次外形曲面實(shí)物測(cè)量應(yīng)用驗(yàn)證，推進(jìn)了非接觸式測(cè)量在工程中的應(yīng)用。

[1] 余程，李思坤，王向朝.基于并行小波變換的快速三維面形測(cè)量技術(shù)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(5):1～8.

[2] 張啟燦，蘇顯渝.動(dòng)態(tài)三維面形測(cè)量的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013,01(1):1～14.

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