王曉鑫，郭永波，高戰(zhàn)朋

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)(即攝像位移測(cè)量系統(tǒng))，是通過(guò)專用的測(cè)量攝像機(jī)，在不同位置和方向獲取被測(cè)工件的兩幅或者多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)志識(shí)別、圖像匹配、空間三角交會(huì)及光束法平差后得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的位移測(cè)量系統(tǒng)[1-2]。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 67.9A-2008中“3.1.9 試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器”要求：測(cè)試儀器應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行校準(zhǔn)/檢定，并在有效期內(nèi)使用[3]。對(duì)于新研制的非標(biāo)測(cè)量設(shè)備，首次使用前，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室精度校驗(yàn)，并在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自校驗(yàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)標(biāo)定方法。這是由于在系統(tǒng)中，攝像機(jī)參數(shù)、基準(zhǔn)尺、攝像機(jī)間距(攝影基線)、測(cè)量基站與被測(cè)物體距離(攝影距離)等因素都將影響攝影位移測(cè)量的精度，目前還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢定方法可以將各種誤差影響因子進(jìn)行整合[4-5]。因此，本文對(duì)大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)的標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，針對(duì)在設(shè)備研制、驗(yàn)收及使用過(guò)程中[6]，如何有效地對(duì)大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的問(wèn)題，提出了一種標(biāo)定方法。

2 大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)組成

大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)包括圖像采集儀(攝像機(jī))、圖像采集控制器、基準(zhǔn)尺、靶標(biāo)等，工作時(shí)通過(guò)圖像采集儀對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行攝影，再通過(guò)采集處理圖像、計(jì)算分析測(cè)量結(jié)果從而獲得被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)值。目前，該系統(tǒng)是由8臺(tái)攝像機(jī)組成的三維光學(xué)圖像測(cè)量系統(tǒng)，其基本測(cè)量單元是由2臺(tái)攝像機(jī)組成的測(cè)量分系統(tǒng)，即整個(gè)大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)由4套雙攝像機(jī)測(cè)量分系統(tǒng)組合而成。這4套測(cè)量分系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用，又可以組合使用，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3 大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)標(biāo)定總體思路

為了解決系統(tǒng)必須標(biāo)定的問(wèn)題，確定了系統(tǒng)標(biāo)定總體思路：

(1)對(duì)系統(tǒng)的主要部件(攝像機(jī)和基準(zhǔn)尺)進(jìn)行校準(zhǔn)；

(2)對(duì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要因素進(jìn)行理論分析，得到系統(tǒng)的誤差分布；

(3)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)視場(chǎng)空間范圍內(nèi)各典型位置的測(cè)量，得到全視場(chǎng)誤差分布；

(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室計(jì)量標(biāo)定，驗(yàn)證系統(tǒng)誤差分布的準(zhǔn)確性，確保系統(tǒng)的測(cè)量誤差總是在系統(tǒng)許可誤差之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定，使其滿足飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)的測(cè)量精度要求。

4 大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)標(biāo)定方法

4.1 圖像采集設(shè)備精度

(1)基準(zhǔn)尺校準(zhǔn)

基準(zhǔn)尺是照相位移測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)，基準(zhǔn)尺經(jīng)中國(guó)計(jì)量院進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度為誤差不大于0.01mm。

(2)圖像采集儀(相機(jī))參數(shù)校準(zhǔn)

相機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相機(jī)與鏡頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，在不發(fā)生損害的情況下，一般比較穩(wěn)定。通常一年標(biāo)定一次(相機(jī)內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)的整體誤差為0.35μm)。

4.2 系統(tǒng)誤差分析

由于大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)的基本測(cè)量單元為由2臺(tái)攝像機(jī)組成的測(cè)量分系統(tǒng)，因此整個(gè)大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差可以按照雙攝像機(jī)攝影測(cè)量來(lái)進(jìn)行。雙攝像機(jī)測(cè)量分系統(tǒng)的兩個(gè)攝像機(jī)的攝影方式可以近似為正直攝影，所以可以用正直攝影的公式來(lái)推導(dǎo)系統(tǒng)的一個(gè)理論精度[7]。雙攝像機(jī)前方交會(huì)示意圖如圖2所示。

圖2 雙攝像機(jī)前方交會(huì)示意圖

由圖可知，系統(tǒng)的誤差與攝影基線B和攝影距離D有關(guān)。由于在不同的測(cè)量環(huán)境，兩者都會(huì)發(fā)生變化，所以系統(tǒng)的誤差不是一個(gè)固定的值。在使用過(guò)程中，測(cè)量的三維坐標(biāo)也不一定都平行于正向和縱深方向。因此，將系統(tǒng)的精度用最大誤差的概念來(lái)表達(dá)，保證系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)都在最大誤差的允許范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)中所使用攝像機(jī)(Vieworks VH-4MG)的具體參數(shù)見表1。

表1 攝像機(jī)具體參數(shù)

若取系統(tǒng)測(cè)量的邊界條件，被測(cè)對(duì)象范圍為5m，攝影距離為10m。用最大的誤差來(lái)表征系統(tǒng)的測(cè)量精度，在測(cè)量最差的情況下系統(tǒng)的最大絕對(duì)誤差為1.3mm。

4.3 大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法

大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，是將標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)量接入被標(biāo)定系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)中相同點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量并輸出相關(guān)的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，最終將系統(tǒng)輸出的位移數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)給出數(shù)據(jù)比對(duì)分析，實(shí)現(xiàn)此類系統(tǒng)標(biāo)定。標(biāo)定原理方框圖如圖3所示，主要分為3個(gè)部分：標(biāo)準(zhǔn)器單元、大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理輸出。標(biāo)準(zhǔn)器單元包含基準(zhǔn)尺和光柵尺，經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量院進(jìn)行校準(zhǔn)。大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)完成圖像的采集、控制和計(jì)算。最終將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖3 大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定原理方框圖

4.3.1 大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法

分別使用大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)和經(jīng)過(guò)計(jì)量校準(zhǔn)的激光跟蹤儀(全站儀或其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及配套儀器)，同時(shí)測(cè)量各靶標(biāo)的三維坐標(biāo)，以激光跟蹤儀(全站儀或其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及配套儀器)的測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)比兩套系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，給出系統(tǒng)誤差。

4.3.2 大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法遵循的幾項(xiàng)原則

(1)圖像采集儀遵循的原則：在系統(tǒng)所有配置的圖像采集儀中，第一次每?jī)蓚€(gè)進(jìn)行配對(duì)，共分4組，進(jìn)行校準(zhǔn)，確保每個(gè)圖像采集儀被抽到一次。在第二次抽取過(guò)程中，4組圖像采集儀中任意抽取第一次抽取時(shí)不在同一組的兩個(gè)圖像采集儀進(jìn)行組合校準(zhǔn)。

(2)標(biāo)定點(diǎn)選取原則：根據(jù)攝影測(cè)量誤差分布原則，在正向偏離攝像機(jī)視場(chǎng)中心越遠(yuǎn)，在徑向離攝像機(jī)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差越大。因此，標(biāo)定點(diǎn)選取以系統(tǒng)視區(qū)最遠(yuǎn)位置為標(biāo)定平面，在盡量處于攝像機(jī)視場(chǎng)邊緣的有效量程范圍內(nèi)，通過(guò)徑向(前、中、后)、正向(左、中、右)、垂向(下、中、上)，選擇不少于18個(gè)標(biāo)定點(diǎn)設(shè)置靶標(biāo)(含零點(diǎn)，各方向上6個(gè)，需均勻分布)。

4.3.3 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算

對(duì)比各標(biāo)定點(diǎn)處兩套系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，分別求出各點(diǎn)的測(cè)量誤差，以其中最大值作為圖像采集儀的測(cè)量誤差；以所有抽檢圖像采集儀中測(cè)量誤差最大值作為系統(tǒng)測(cè)量誤差。

(1)計(jì)算系統(tǒng)測(cè)量誤差

對(duì)各測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)的誤差分別進(jìn)行計(jì)算，以采集數(shù)據(jù)值X為例，計(jì)算公式如下：

(1)

其中：

(2)

(3)

按公式分別求出各點(diǎn)的測(cè)量誤差，以其中最大值作為圖像采集儀的測(cè)量誤差；以所有抽檢圖像采集儀中測(cè)量誤差最大值作為系統(tǒng)測(cè)量誤差。

(2)系統(tǒng)線性度計(jì)算

按照端基直線法，沿正向、垂向、徑向3個(gè)方向通過(guò)激光側(cè)距儀給出6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性坐標(biāo)值，通過(guò)以下原理對(duì)各方向上的線性度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

(4)

按公式分別求出各點(diǎn)的線性度，以其中最大值作為該組圖像采集儀的線性度；以所有抽檢組圖像采集儀線性度最大值作為系統(tǒng)線性度。

(3)零漂的計(jì)算

(5)

其中，最大零漂誤差為圖像采集儀零點(diǎn)每次記錄值與第一次記錄值之差絕對(duì)值的最大值；按公式分別求出各通道的零漂誤差，以其中最大值作為系統(tǒng)零漂誤差。

4.4 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法

由于三維空間標(biāo)定比較困難，將三維坐標(biāo)分解為正面方向的平面內(nèi)變化和縱深方向的變化，分別從正面方向和縱深方向來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。

4.4.1 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定環(huán)境

將兩個(gè)相機(jī)擺放到距離標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)B1的位置，相機(jī)之間距離D1。定位相機(jī)的相對(duì)位置和姿態(tài)，使相機(jī)連線與滑塊移動(dòng)方向平行，進(jìn)行正面方向標(biāo)定。將兩個(gè)攝像機(jī)擺放到距離標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)末端B2的位置，攝像機(jī)間距離D2，定位相機(jī)的相對(duì)位置和姿態(tài)，使相機(jī)連線與滑塊移動(dòng)方向垂直，進(jìn)行縱深方向標(biāo)定。標(biāo)定環(huán)境見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定環(huán)境圖

在測(cè)量起始位置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(WCX-3000位移傳感器校準(zhǔn)裝置，測(cè)量精度：≤0.02%FS，最小位移分辨率：0.005 mm)和大尺寸位移測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)清零后，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量范圍內(nèi)移動(dòng)滑塊，產(chǎn)生相對(duì)位移，對(duì)比系統(tǒng)的測(cè)量值，計(jì)算誤差。

4.4.2 標(biāo)定結(jié)果

對(duì)大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備滿量程(3m)處最大測(cè)量誤差為0.98mm，系統(tǒng)精度優(yōu)于0.05%。

表2 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù) 單位：mm

4.5 標(biāo)定方法誤差分析

本方法是在正直攝影條件下得到的理論誤差分析結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定方法研究，對(duì)大位移測(cè)量系統(tǒng)誤差進(jìn)行評(píng)估，影響攝影測(cè)量的誤差主要由長(zhǎng)度誤差、形面誤差及坐標(biāo)誤差組成，非正直攝影條件下的系統(tǒng)測(cè)量誤差分布情況是否與正直攝影條件下誤差分布一致，需要進(jìn)一步深入研究。研究表明，在近似正直攝影條件下對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，對(duì)待標(biāo)定攝影測(cè)量系統(tǒng)誤差進(jìn)行表征，是客觀可行的。

5 總 結(jié)

該標(biāo)定方法在大尺寸位移測(cè)量分析系統(tǒng)標(biāo)定中得到應(yīng)用，通過(guò)進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析，確定了影響系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素，誤差產(chǎn)生的原因，并對(duì)誤差公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。標(biāo)定結(jié)果標(biāo)明，標(biāo)定結(jié)果符合誤差分析，驗(yàn)證了誤差公式的準(zhǔn)確性。該標(biāo)定方法為該類型系統(tǒng)的標(biāo)定提供了新的理論和方法，同時(shí)完善了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法，提高了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的可操作性，填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)的技術(shù)空缺，可以作為統(tǒng)一的規(guī)范或要求進(jìn)行推廣。