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一種智能（néng）化定位測量係統

2017-8-3 來源：中國（guó）飛行試驗研究院作者（zhě）：何紅麗

摘要：根據試驗測試需求（qiú），設計一種集（jí）點（diǎn）、線、麵為一體智能化高（gāo）精（jīng）度三維坐標定位測量（liàng）係統（tǒng）。該係統主要應用於飛機結構性能檢測以及工業現場標定中，具備測量仿真、在線校準、在線測量、快速處理、實時監控的功能，給（gěi）出係統構建思路、框架、組成，並對關鍵技術（shù）問題進行剖析；在實驗室利用全站儀、影（yǐng）像測量設備等搭建一個綜合測試平台，驗證了設備接（jiē）口信息互操作性、實時引導、坐標（biāo）轉換、平差處理等關鍵功能，其功能、性（xìng）能均滿足測試需求。係（xì）統的建成（chéng）將有力助推（tuī）飛行試驗智能化（huà）測（cè）試技術的發展，對提高測試精度、速（sù）度，節省人力、物（wù）力都具有非（fēi）常重要的（de）作（zuò）用。

關鍵詞：三維模型；智能測量（liàng）；係統設計（jì）；測量仿真

0.引（yǐn）言

飛行試（shì）驗空間（jiān）定位測量是在真實試驗環境下，對航空飛行器及附件等位（wèi）置參數進行測量[1]，其主要應用於飛機結構性能檢（jiǎn）測以及工業現場標定中。近幾年來隨著數字化測量技術進入製造領域，其在測量、檢測、裝配、校準等領域發揮的作用越來越重要（yào），尤其是對於尺寸大、產品結構複雜、製造工藝要求高、生產速度要求（qiú）快（kuài）的各類型航空武器係統。在航空武器係統的（de）測量中，既（jì）要測量飛機、武器本身的位姿信息，還要測（cè）量飛機與武器之間（jiān）的（de）相互關係；測量精度要求高（gāo），測量任（rèn）務多，測量頻度高，每年（nián）測量上百架次；測量由原來的靜態轉（zhuǎn）換為（wéi）動靜結合；且隨著（zhe）科學技術的發展，測試向著數字化（huà）、綜合化、集成化、標準化、在線化等（děng）智能化方（fāng）向快速發展[2]。

要快速實現上述測量需求，智能化測試係統的研製是必然選（xuǎn）擇。沒有有效的（de）測量手段就不可能實現在線（xiàn）自動化（huà）檢測，隻有通過（guò）智（zhì）能化測試係統的構建，才可提高試飛測試精度、速度（dù），節省人力（lì）、物力。本文主要（yào）針對空間（jiān）定位測量需求，跟蹤國內外智能化測試技術發展趨勢，設計滿足未來武器發展需求的高精度空間三維點、線、麵一體化（huà）智能測量係統。該係統需具備（bèi）仿真計算、在線校準、在線測量、快速處理、實時監控的功能，可實（shí）現飛機模型構建，武（wǔ）器係統在飛機上的安裝（zhuāng）過程在線檢測、複雜體的定位及試驗現場（chǎng）監（jiān）控，為（wéi）現場測試、決策（cè）提供依據。

1.係統架構設計

1.1 基本框架

依據（jù）飛行試驗所需，采用先進的數字化測量設備如全站儀、光學坐標（biāo）測量儀、三維掃描儀、激光（guāng）跟蹤儀等多測量設備聯合作業，以期解決飛機結構性（xìng）能檢測和（hé）工業現（xiàn）場標定問（wèn）題。構建思（sī）路是基於三維模型，通過計算機、自動控製等技術，實現對被測對象的一體化測量[3]；通過離線編程進行（háng）設備的布局與任務規劃（huá），係統建成後可（kě）在線檢（jiǎn）測、在現場進行數據處（chù）理，縮（suō）短處理周期，提高測量數據的有效性和準（zhǔn）確性。在測量平台（tái）構（gòu）建過程中充分（fèn）考慮係統的先進性，係統構建既要具（jù）有數據處理、操控功能，同時要能夠對測量設備布局進行優化，對（duì）測量任務軌跡（jì）線路進行規劃，在確保精度的情況下完成自動（dòng）化測量。係統框架如圖（tú） 1 所示。

1.2 係統組成

針對飛行試驗（yàn）機庫特點，構建智能化（huà）高精度定位測量係統，實現特征點、線、麵數據的快速自動化采集、記錄、計算、結果報表生（shēng）成等功能。智能測（cè）量係統主要（yào）由5 個分係統組成：精確點測量分係統、影像測量分係統、三維（wéi）建模分係統、測（cè）控中心分（fèn）係統、測量仿真分係統。其中精（jīng）確（què）點測量分係統、三維建模分係統、影像測量分係統實現信息（xī）的采集與獲取；測控（kòng）中心（xīn）分（fèn）係統是（shì）整個（gè）係統的核（hé）心，負責數據處（chù）理、操控（kòng）、引導、分析、顯示等功能；測量仿真分係統主要完成測量設（shè）備的布局、組合以及測（cè）量路徑的規劃，是進行係統優（yōu）化配置的關鍵，同時（shí）也是自動化測（cè）量（liàng）的基礎。具體組成如下：

（1）精確點測量分（fèn）係（xì）統。由全站儀、光學坐標測（cè）量儀、激光跟蹤儀等設（shè）備組成，主要實現對被測對象特征點測量。

（2）影像測量分係統。由攝像（xiàng）機、鏡頭、解析軟件等組成，利用近景攝影原理對（duì）目標關鍵（jiàn）點進行測量，可以給出靜態（tài）或動態測量過程目標（biāo）點的測量結果。

（3）三維建模（mó）分係統。包含三維掃描儀，模型構建工具等，主要用於（yú）模型構建或者是目（mù）標的測量及姿態（tài）求取。

（4）測控（kòng）中心分係統。主要實現對係（xì）統中的相機、三維激光掃描儀以及全站儀等設備（bèi）的後台操作控製和信息（xī）實時（shí）采集、引導發送、處理、評估、顯示等，具備圖像處理、數據處理、參數解析以及平差計算等功（gōng）能。

（5）測量仿真分係統。根據測（cè）量任務的要（yào）求及現場環境知識建立（lì）仿真模型，對測量（liàng）特性進行（háng）仿真計算，通過仿真給出某個（gè）特定任務中參與測量的測量設備的（de）組（zǔ）合、布局、測量任務的規劃，是係統優（yōu）化配置的關鍵。主要用於（yú）任（rèn）務的準備，模擬測量現場，對設備布局，設備幹涉、測（cè）量軌（guǐ）跡路徑的模擬，對測量方案及計劃（huá）進行確認。

1.3 軟件（jiàn）規劃

對於一項測試，要進行智能化測量，任務部署規劃很重要。首先通過測量（liàng）仿真，獲取測（cè）量規劃，然後再（zài）依據規劃進行在線化測量及結果（guǒ）報表的生成（chéng）。軟件功能的部署如圖 2 所示。

2.關鍵（jiàn）技術

2.1 聯合靶標的（de）合理設計、布置和測量

一個由多測量設備構成的綜（zōng）合測量係統要獲取（qǔ）高精度的測量結果，首先（xiān）要根據觀測對象條件來確定聯合靶標設計及布局，以確保測量體係的統一。在這一過程（chéng）中，需要充分考（kǎo）慮多種（zhǒng）測量（liàng）設備對測量標誌的識別特點，考慮測量對象的尺寸規模、標誌點的結構特點。為此進行了聯合靶標（biāo）的設計，讓所有測量設備信息可以劃歸在統一（yī）測量體係。設計（jì）的聯合靶標如圖 3 所（suǒ）示，由反（fǎn）射棱鏡和圓形回光反（fǎn）射標誌點構成，其中（zhōng）反射棱鏡可以由激光跟蹤儀（yí）或全（quán）站儀識別（bié），而圓形回光反射標誌點可以由影像測量設備、三維掃描儀識別，然後通過解析算法，依據反射棱鏡的中心把所有的測量點劃歸在（zài）同一個（gè）參（cān）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。多樣性的觀測數據是（shì）其平差（chà）模型準確的基礎。在布控時考慮（lǜ）測量過程（chéng）中的盲區分布、光（guāng）學單（dān）元可（kě）利用的空間分布、光學測量係統的光源布置等。

2.2 基於模型的智能化測量流程設計

智能化測量流程設計是基於數字化三維仿真模型（xíng）[4 5]。首先對（duì）測量任務需求進行解（jiě）析。根據相關（guān）測試要求進行測量指令的生成，依據現場環境（jìng），通過測量仿真（zhēn）進（jìn）行測量設備的選取、組合與布局。根據仿真生成的測量（liàng）規（guī）劃進（jìn）行集成控製及自動化測量，在測控中心完成所有測量數據的（de）采集和計算，構建統一的坐標體係、數據解算，完成在線測量與分析，最終給出測量（liàng）結果。自動化測量流程（chéng）如圖 4 所（suǒ）示。

2.3 測量仿真

測量仿真是實現智能測量的首要條（tiáo）件，在複雜試（shì）驗現場環境下，建立合（hé）理的測量場模型是測量規劃與係統（tǒng）優化（huà）配置（zhì）的基礎和關鍵[6?7]。總體上，測量場模型要根據測量任務的要求及現（xiàn）場（chǎng）環境模型而建立，其中應包括工作空間、零部件、障礙物、測量目標、測量儀器、測量空間內的（de）環境因素等信息。對測量係統按照不同布局或（huò）配置方案組合（hé），通過仿真將形（xíng）成（chéng）不（bú）同的測量場（chǎng）結果，由此可以在現場實際測量實施之前評價測量係統（tǒng）的性能參數並得到（dào）優化的（de）結構參數，驗證測量場模型和試（shì）驗需求相符（fú）性，在仿真過程（chéng）中著重關注可視性與精度（dù）特（tè）性。測量仿真過程如圖 5 所（suǒ）示。

2.4 自動化測量過程

自動測量（liàng）用到的設備有跟（gēn）蹤設（shè）備（跟蹤儀，全（quán）站（zhàn）儀），采用“坐標（biāo）值轉換設備自動驅動自動找點數據采集”的（de）方式實（shí）現自動瞄（miáo）準測量[8]。首先（xiān）基於三（sān）維數/模獲取各測（cè）量點在設計坐標係下的理論位置，計算設計坐標係與測量坐（zuò）標係（xì）的轉換關係，獲得當（dāng）前實際狀（zhuàng）態下各個測點在（zài）測量坐標係下的理論坐標值，通過程序控製測（cè）量設備自動定位到要采集的測量點附近，使（shǐ）跟蹤儀自動精確（què）搜尋到靶球靶（bǎ）心，完（wán）成測量，然後進入下一個所需點的搜索並測量。

3.驗證

利用全站儀、影像測量（liàng）係統等組建了（le）一個綜合測量（liàng）平（píng）台，通（tōng）過該係統驗證（zhèng）了實時引導、坐標（biāo）轉換、平（píng）差處理等關鍵功能。利用開發的（de）軟件可穩定操控設備進（jìn）行測量、融合精度優於單獨設備精度（dù）；測量（liàng）範圍得（dé）到拓展。同時在多個型號測試驗證了（le）多測量設備組合自動化（huà）測量模式，實現了在線測量，提高工作效率與測量的可靠（kào）性。

4.結（jié）語

采用多測量（liàng）設備可以構建大（dà）尺寸智能化定位（wèi）測（cè）量（liàng）係統，該（gāi）係統（tǒng）建成之後（hòu），可以實現常規任務在線快速測量。智能化（huà）測量是一個係統工程（chéng），要達到（dào）智能化測試目標，需要統籌規劃、補點（diǎn）建線構麵、逐步實施。中國飛行（háng）試驗研（yán）究院按照此思路正在開展智能化測（cè）試工作的逐步推進，係統的建成（chéng）將有力（lì）助推飛行試驗智能化測試技（jì）術的（de）發展，對提高測試（shì）精（jīng）度和（hé）測量速（sù）度，節省人力（lì）、物（wù）力都具有非常重要（yào）的作用。

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