王曉光 朱 浩 佟向鵬 劉 柯 郭力振 王光明
(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076;2.海軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍代表室,北京 100076)
數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)利用單臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)獲取被測(cè)物的多角度圖像,通過圖像處理獲取被測(cè)物的三維幾何量信息,具有測(cè)量范圍大、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn),在航天、航空、汽車等諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
一般來說,數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)需要一個(gè)已知長(zhǎng)度的基準(zhǔn)尺將空間尺寸信息賦予攝影測(cè)量系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)通過照片確定被測(cè)物的幾何參數(shù)。實(shí)際上,許多三維測(cè)量設(shè)備如激光跟蹤儀、激光掃描儀、經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)等都需要基準(zhǔn)尺對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
基準(zhǔn)尺作為長(zhǎng)度基準(zhǔn),它的測(cè)量精度對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果有直接影響。為保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,基準(zhǔn)尺通常由碳纖維、銦鋼等材料制成,在基準(zhǔn)尺的兩端裝有特征標(biāo)志點(diǎn),兩特征標(biāo)志點(diǎn)之間連線的長(zhǎng)度表征了基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度?;貧w反射球基準(zhǔn)尺的名義值由兩端回歸反射球球心連線確定?;貧w反射球是一種涂有玻璃微珠的球體。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是具有定向反射作用,即照射到反射球上的光線將會(huì)沿入射方向返回。利用這一特點(diǎn),在校準(zhǔn)攝影測(cè)量系統(tǒng)時(shí),配合主動(dòng)照明裝置,獲得的圖片中回歸反射球具有非常明亮的輪廓,可以很容易地從圖片中提取反射球輪廓并確定球心,實(shí)現(xiàn)對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。相比于平面標(biāo)志點(diǎn),回歸反射球在各個(gè)方向的投影都是圓形,因此在確定其球心時(shí)有更高的精度。
本文設(shè)計(jì)了一種回歸反射球基準(zhǔn)尺校準(zhǔn)系統(tǒng),建立了由三路激光干涉儀、高分辨率雙遠(yuǎn)心成像瞄準(zhǔn)模塊、高精度直線氣浮導(dǎo)軌等組成的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)名義值為500mm、1000mm、1500mm、2000mm的4種規(guī)格回歸反射球基準(zhǔn)尺進(jìn)行了長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
基準(zhǔn)尺校準(zhǔn)裝置總體結(jié)構(gòu)主要由回歸反光球光學(xué)中心瞄準(zhǔn)裝置、基準(zhǔn)尺方向調(diào)整機(jī)構(gòu)、激光干涉測(cè)長(zhǎng)裝置、精密氣浮平移臺(tái)組成,如圖1所示。工作時(shí),首先調(diào)整被?;鶞?zhǔn)尺的位姿。被?;鶞?zhǔn)尺放置在位姿調(diào)整模塊上,利用瞄準(zhǔn)模塊分別獲得兩個(gè)反射球球心的空間位置,位姿調(diào)整模塊沿Y、Z兩個(gè)方向平移調(diào)整基準(zhǔn)尺的位姿,使基準(zhǔn)尺的兩個(gè)回歸反射球球心連線與氣浮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向(X軸方向)平行。
圖1 基準(zhǔn)尺校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖
位姿調(diào)整完成后,進(jìn)行基準(zhǔn)尺的校準(zhǔn)。首先移動(dòng)氣浮平臺(tái)使基準(zhǔn)尺一端的回歸反射球進(jìn)入高分辨光學(xué)成像系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍內(nèi),并大致位于圖像中心位置。待系統(tǒng)穩(wěn)定后,通過圖像處理計(jì)算出球心坐標(biāo)作為參考點(diǎn),同時(shí)記錄激光干涉儀的讀數(shù)L
。然后移動(dòng)氣浮平臺(tái),使基準(zhǔn)尺另一端的回歸反射球進(jìn)入高分辨率成像系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi),實(shí)時(shí)計(jì)算回歸反射球的球心位置坐標(biāo)與參考坐標(biāo)之間的差異,并將這一差異反饋給氣浮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。精密調(diào)整氣浮平臺(tái)位置直至球心位置坐標(biāo)到達(dá)參考坐標(biāo),記錄此時(shí)激光干涉儀的讀數(shù)L
。這樣基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度L
為:L
=|L
-L
|(1)
回歸反射球瞄準(zhǔn)模塊如圖2所示。高分辨率光學(xué)相機(jī)由 1倍雙遠(yuǎn)心鏡頭和大靶面工業(yè)相機(jī)組成。工業(yè)相機(jī)像元尺寸為(5.5×5.5)μm,靶面像元數(shù)6576×4384,像面尺寸(36×24)mm。采用同軸光源對(duì)目標(biāo)照明,半反半透鏡將光路一分為二,配合平面反射鏡可分別對(duì)回歸反射球沿Z方向和Y方向進(jìn)行拍攝。為了避免圖像混疊,一個(gè)方向進(jìn)行拍攝時(shí),另一個(gè)方向要遮擋光路,保證圖像的對(duì)比度。
圖2 回歸反射球瞄準(zhǔn)裝置
光學(xué)相機(jī)獲取回歸反射球圖像后,通過圖像處理與特征提取,獲得球心的位置信息。在圖像質(zhì)量理想的情況下,球心解算誤差Δ
可達(dá)到0.1個(gè)像素,因此物方測(cè)量誤差Δ
為:(2)
其中:β
——相機(jī)的放大倍率。X
方向)存在偏差,實(shí)際測(cè)量得到的L
為基準(zhǔn)尺在X
方向的投影長(zhǎng)度。δD
、δP
分別為位姿調(diào)整誤差,由球心瞄準(zhǔn)精度和電動(dòng)平移臺(tái)調(diào)整精度共同決定。圖3 基準(zhǔn)尺位姿調(diào)整誤差示意圖
瞄準(zhǔn)模塊將采集到的反射球位置信息返回給位姿調(diào)整模塊,形成閉環(huán)控制。位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)采用精密電動(dòng)位移平臺(tái)帶動(dòng)基準(zhǔn)尺沿Y、Z方向移動(dòng)。電機(jī)通過細(xì)分控制,分辨率可以達(dá)到0.15μm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)δD
=δP
=1μm。對(duì)于標(biāo)稱長(zhǎng)度500mm以上的基準(zhǔn)尺,|L
-L
|<0.01μm,滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。采用精密氣浮導(dǎo)軌能降低運(yùn)行過程中的直線度誤差,但在精密測(cè)量領(lǐng)域仍然需要對(duì)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
導(dǎo)軌直線度誤差包含水平和垂直兩個(gè)方向,直線度誤差補(bǔ)償技術(shù)原理如圖4所示。沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向架設(shè)三路激光干涉儀靶鏡,其中兩路水平布置,第三路垂直水平布置連線中心。被測(cè)基準(zhǔn)尺置于氣浮滑臺(tái)上。M
與M
水平距離為L
,M
與M
M
連線垂直距離為L
,球桿中心與M
水平距離為L
,與M
垂直距離為L
,將模型進(jìn)行歸一化處理,以M
測(cè)量值為參考,M
1~M
3干涉儀的位移測(cè)量值分別為D
~D
,通過阿貝誤差補(bǔ)償后,該誤差分量很小,基準(zhǔn)尺實(shí)際測(cè)量值為:圖4 阿貝誤差補(bǔ)償示意圖
(3)
采用美國(guó)安捷倫公司HP5519型雙頻激光干涉儀作為精密位移測(cè)量機(jī)構(gòu),對(duì)自制名義值為500mm,1000mm,1500mm,2000mm四種規(guī)格的回歸反射球基準(zhǔn)尺進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),每種規(guī)格各測(cè)量10次。實(shí)驗(yàn)室條件和測(cè)量結(jié)果分別記錄在表1中。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
u
采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定方法評(píng)定。在重復(fù)性測(cè)量條件下,對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差,則重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表2。表2 測(cè)量重復(fù)性
U
=(0.2+0.2×10L)μm,k
=2。由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量可用B類評(píng)定方法按公式(4)計(jì)算。u
=U/
2=(0.
1+0.
1×10L
)μm(4)
設(shè)基準(zhǔn)尺溫度測(cè)量?jī)x器MPE值為:±0.1℃,按均勻分布考慮,基準(zhǔn)尺線膨脹系數(shù)為0.3×10℃,則有:
(5)
基準(zhǔn)尺線膨脹系數(shù)的允許誤差為0.1×10℃,按等概率分布,基準(zhǔn)尺溫度與參考溫度20℃之差按1℃估計(jì)。則有:
(6)
各不確定度分量相互獨(dú)立不相關(guān),因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式(7)計(jì)算:
(7)
對(duì)于回歸反射球基準(zhǔn)尺,有:
U
(l
)按公式(8)計(jì)算。U
(l
)=ku
(l
),k
=2(8)
式中:k
——包含因子。對(duì)于回歸反射球基準(zhǔn)尺,有:
L
=500mm時(shí):U
(l
)=ku
(l
)=2.
4μmL
=1000mm時(shí):U
(l
)=ku
(l
)=2.
4μmL
=1500mm時(shí):U
(l
)=ku
(l
)=2.
8μmL
=2000mm時(shí):U
(l
)=ku
(l
)=2.
8μm針對(duì)回歸反射球基準(zhǔn)尺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制了基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度校準(zhǔn)裝置。采用高分辨率雙遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)對(duì)反射球進(jìn)行瞄準(zhǔn)定位,高精度直線氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)基準(zhǔn)尺移動(dòng),三路激光干涉儀消除阿貝誤差測(cè)長(zhǎng)。對(duì)名義值為500mm、1000mm、1500mm、2000mm的4種規(guī)格回歸反射球基準(zhǔn)尺進(jìn)行了長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)及不確定度評(píng)定。結(jié)果表明該方法可以有效地解決攝影測(cè)量用的回歸反射球基準(zhǔn)尺尺長(zhǎng)校準(zhǔn)難題。