角度測量慣性基準研究范文

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《應用光學雜志》2016年第3期

摘要：

隨著大型裝備制造工業飛速發展，其制造與裝配等過程對大尺寸空間幾何量的測量技術要求越來越高。為了分析大尺寸空間幾何量測量中的空間角測量技術的發展，在綜述5種傳統大尺寸空間角測量方法的基礎上，介紹了大尺寸空間角測量方面國內外相關研究的3種新的代表性成果。著重闡述了一種基于慣性基準的大尺寸空間角測量方法，該方法將光電自準直跟蹤技術與慣性測量技術有機結合，測量范圍更大、便攜性更強，特別適合外場條件下大尺寸空間角的快速測量。測試結果表明，目前其有效測量范圍可達10m，測量精度為0．5°，同時還針對系統測量范圍與測量精度的進一步提高提出了改進方案。

關鍵詞：

角度測量；大尺寸；自準直；慣性基準

引言

飛機、艦船等大型裝備制造是事關國家經濟安全、國防安全的戰略性產業，是一個國家綜合國力的重要體現。而大型裝備的制造與裝配均需要大尺寸空間幾何量精密測量技術提供精度保證。與常規測量不同，大尺寸測量的測量空間范圍大，尺寸可達十幾米甚至幾十米，測量系統必須在工業現場組建和標定，測量結果易受現場的溫度、濕度以及振動等各種復雜不良因素干擾［1－2］。此外，巨大的測量空間和復雜的測量環境對測量設備的便攜化、測量過程的自動化也提出了更高的要求。因此，研究工業現場條件下高精度、高效率、高適應性的大尺寸測量方法已經成為現代裝備制造業中的關鍵技術之一。大尺寸空間角測量是大尺寸空間幾何量測量中的重要組成部分，在大型裝備的制造與裝配過程中，往往會遇到遠距離大尺寸空間條件下兩條異面軸線夾角的現場測量問題。由于被測對象相距較遠，測量的公共基準難以建立，而且被測對象的體積和質量都比較大，測量過程中不方便移動或旋轉，測量難度較大［3］。因此，大尺寸空間條件下異面軸線夾角的現場測量成為當前國內外研究的關鍵技術。本文將在綜述傳統大尺寸空間角測量方法的基礎上，介紹當前在大尺寸空間角測量方面國內外新的研究成果，然后提出一種基于慣性基準的大尺寸空間角測量方法，最后對大尺寸空間角測量技術的發展方向進行了展望。

1傳統大尺寸空間角測量方法

傳統的大尺寸空間角測量通常是基于空間特征點坐標測量，通過被測軸線上若干特征點的坐標來求解其空間夾角，其中包括坐標測量機法、多經緯儀法、激光跟蹤儀法、室內定位法和視覺測量法等。

1．1坐標測量機法

大型三坐標測量機的發展比較成熟，產品種類也比較多，如美國Brown＆Sharp公司生產的LambdaSP型龍門式巨型坐標測量機，如圖1（a）所示。其最大測量空間為3m×12m×2m，三維坐標的測量精度為1μm［4］。根據誤差傳遞規律，其應用于空間角測量的測量精度為0．01°。然而，此方法測量效率較低，并且設備成本會隨著測量尺寸的增大而大幅增加，即便是國產精度較低的小型測量機也要幾十萬元，進口高精度的大型測量機則需要幾百萬甚至上千萬元。為了提高坐標測量機的測量效率，關節式坐標測量機應運而生，如圖1（b）所示。關節式坐標測量機通過模擬人手臂的運動方式對空間不同位置待測點進行接觸式測量。它由測量臂、碼盤、測頭等組成，各關節之間測量臂的長度是固定的，測量臂之間的轉動角可通過光柵編碼器實時得到，這樣即可計算出測頭所至位置的空間坐標。關節式坐標測量機精度的坐標測量精度可達0．02mm，其應用于空間角測量的測量精度為0．32°。關節式坐標測量機移動靈活，能夠測量傳統測量機難以測量的部位。其缺點是受到關節臂長的約束，測量范圍有限，不適合外場大空間范圍的測量。

1．2多經緯儀法

多經緯儀法利用空間交匯測量原理，由兩臺或者多臺經緯儀觀測得到空間某一點相對于各經緯儀的角度值，由空間三角關系從純幾何意義上即可得到該點的三維坐標。由兩臺經緯儀組成的空間點三維測量系統的測量原理如圖2所示。設左經緯儀坐標系O1x1y1z1與整個測量系統的測量坐標系Oxyz一致，右經緯儀坐標系為O2x2y2z2。假定2個經緯儀的投影平面到各自的觀測中心的距離都為1，左經緯儀的投影平面坐標系為O′1x′1y′1，右經緯儀的投影平面坐標系為O′2x′2y′2。設空間點Pwi在左經緯儀和右經緯儀投影平面內的投影分別為p1i和p2i。根據經緯儀的透視模型可以得到p1i和p2i分別在左右2個經緯儀投影平面坐標系中的坐標，兩經緯儀坐標系的相互變換關系可以通過現場標定獲取，通過這些參數就可以獲得空間點Pwi的三維坐標［5］。在獲取被測兩條軸線上相關點坐標的同時，兩條軸線空間夾角也可求解。多經緯儀法是在大尺度測量領域中應用最早和最多的一種系統，其優點是測量范圍大、精度高，整個交會測量系統在十幾米范圍內可達到0．05mm的坐標測量精度，其應用于空間角測量的測量精度為0．79°。其不足之處是采用目視瞄準、手動調節和逐點測量，測量速度慢，自動化程度不高。為了提高測量效率，天津大學提出一種基于視覺引導的激光經緯儀自動測量方法［6－7］。自動激光經緯儀測量系統由兩臺徠卡公司的TM5100a高精度激光馬達經緯儀、高分辨率工業相機、可變焦鏡頭及二維精密轉臺構成，如圖3所示。激光器安裝于經緯儀上，其光軸與經緯儀視軸重合，經緯儀測量時激光束在被測物上形成光斑的質心位置即為經緯儀視軸瞄準位置。CCD相機固定在精密轉臺上，轉臺在計算機控制下可沿水平和垂直2個方向旋轉，帶動CCD相機對整個測量區域進行掃描。利用視覺跟蹤的方法，使經緯儀激光點自動與目標點重合，有效地解決傳統經緯儀坐標測量系統無法自動識別和測量目標的問題，提高了測量效率。目前，該系統在20m×20m空間范圍內的坐標值測量誤差維持在0．3mm以內，空間角測量的測量誤差小于4．22°。

1．3激光跟蹤儀法

激光跟蹤儀是一種典型的球坐標測量系統,其測量原理如圖4所示。系統實時跟蹤目標靶標，采用干涉儀來測量距離，用2個高精度角度編碼器確定垂直和水平角度，然后按球坐標測量原理即可得到空間點的三維坐標［8］。激光跟蹤儀在有效測量范圍內（一般＜70m）的空間角測量精度較高，通?？蛇_到5×10－6。目前，生產商業化激光跟蹤儀的有美國API公司、Faro公司和德國Leica公司，其技術指標基本相同。然而，與多經緯儀法類似，激光跟蹤儀在空間角測量的應用中也需要提前布設測量站點并進行標定，測量效率較低，不便于外場條件下的快速測量。

1．4室內定位法

室內定位法在測量原理上屬于基于角度交匯的空間坐標測量。室內定位系統借鑒全球定位系統的測量思想，在測量空間內配置多個激光旋轉發射裝置，由此組成測量參考網絡，測量探頭通過接收參考網絡中不同基站的信號來確定自身位置坐標，進而獲得被測點的空間坐標。與經緯儀、跟蹤儀等測量設備不同，室內定位系統在發射站在工作時不負責解算接收器坐標，而是不斷發射附有角度信息的紅外激光信號，接收器接收紅外激光信號來間接得到角度值，因而在測量過程中不再需要人眼去瞄準被測點。最早采用室內定位法進行大尺寸空間坐標測量的是ArcSecond公司開發的IndoorGPS系統，如圖5所示。該系統利用多站交匯測量，在40m空間內坐標值測量精度為0．25mm，空間角測量的測量精度為3．66°。在國內，天津大學邾繼貴教授等研發的wMPS測量系統在10m的測量空間內坐標值測量精度為0．20mm，空間角測量的測量精度為2．93°［9］。室內定位系統的前期組建、標定過程比較繁瑣，主要應用于室內大型裝備的裝配測量，而難以用于外場條件下的空間角測量。

1．5視覺測量法

視覺測量法可分為主動視覺測量和被動視覺測量兩種。主動視覺測量通常由一對光學投射裝置與圖像傳感器組成。使用光學投射裝置向被測物體投射結構光，結構光受物體表面變化的調制產生形變，圖像傳感器記錄下結構光的形變并通過數據處理還原出被測物體的三維幾何尺寸［10］。由于主動視覺向被測物體投射了結構光，因此其抗干擾能力強，對工作環境的要求較低，其坐標測量精度在0．01mm左右，空間角測量精度在0．16°左右。但對于大型裝備進行測量時，需要在被測對象上粘貼大量的標志點，非常耗時耗力。被動視覺測量是指不需要向被測物體投射結構光而僅僅通過觀測被測物體在自然光照下的成像就可以實現對被測物體的三維尺寸測量［11］。被動視覺測量通常使用2個以上圖像傳感器或者使用單個圖像傳感器移動采集同一被測對象，如圖6所示。通過匹配不同位置各個圖像傳感器所采集的圖像公共部分中被測對象對應的角點、邊緣、紋理等特征，直接獲得被測對象的三維幾何量［12］。美國GSI公司、挪威MEtronor公司以及德國AICON公司等相繼推出了數字攝影測量系統。GSI生產的V－STARS系統測量精度在10m范圍內最高可達0．03mm。視覺測量法在擁有較高測量精度的同時，整個儀器體積小、質量輕、便于攜帶，適合現場使用。然而，視覺測量法的測量范圍受相機參數制約，對于有遮擋或不在同一視場中的被測對象較難應用。如表1所示，以上5種傳統測量方法很難同時滿足測量范圍大、測量精度高、測量效率高、便攜性好以及成本低等方面的要求，只能根據實際測量需求選擇最合適的測量方法。

2新型大尺寸空間角測量方法

如上文所述，傳統的大尺寸空間角測量方法在實際使用中都有一定的局限性，經過國內外相關學者的不斷研究，近年來發展了一些具有特色的測量方法和裝置。

2．1基于公共光學基準的大尺寸空間角測量

為了在相距甚遠的若干個被測幾何元素之間建立一個精度高、易于實現、能適應多種現場環境的測量基準，天津大學的裘祖榮團隊提出在大尺寸空間內建立公共光學基準，并以此為基礎進行測量［13－14］。在一個大型軸類的工件上，有相距較遠的分別與主軸垂直的2個小軸，它們的軸線在空間中是異面的，要求測量兩軸的空間夾角，如圖7所示。以激光器發出的一個垂直于主軸平面C的線結構激光平面作為公共光學基準，并同時投射在2小軸上形成2個激光光條。采用2個光軸均垂直于平面C的CCD攝像機分別對2小軸及其激光光條進行拍攝，通過圖像處理，就分別在兩CCD的圖像上得到了小軸1軸線與激光光條Ⅰ之間的角度α0、小軸2軸線與激光光條Ⅱ之間的角度β0。由于在CCD1和CCD2圖像平面上的激光光條是由同一個線結構激光平面得到的，彼此平行，因此就得到了2小軸在垂直于主軸的平面C上投影之間的夾角γ0＝180°－α0－β0。據參考文獻可知，目前該方法在相距7m的空間范圍內空間角測量精度為0．02°。相對其他測量方法，公共基準的巧妙建立是這種測量方法最具特色的創新點。借助公共光學基準的橋梁和紐帶作用，把大尺寸空間的2個小軸夾角測量問題，簡化為常規空間內每個小軸與公共基準的夾角測量問題。

2．2移動空間坐標測量系統

移動空間坐標測量系統是由意大利都靈理工大學工業測量與質量工程實驗室針對室內大中尺寸空間坐標測量問題開發的測量系統。如圖8所示，MScMS主要由3部分構成：分布在測量空間的超聲波裝置網絡、測量探頭和控制系統。測量探頭是一個可移動的系統，它由2個超聲波裝置以及探針組成。分布在測量空間的超聲波裝置網絡經過標定后可以利用超聲波測距的定位原理為測量探頭提供空間位置參考，當探針接觸到被測對象時會產生一個觸發信號，該觸發信號將探針當前的坐標通過藍牙發送至控制系統，這樣就可以獲取被測對象上任意一點的空間坐標［15－17］。MScMS采用超聲波三邊測距的定位原理，由于超聲波在空氣中的傳播容易受到環境溫度、反射和衍射等因素的影響，所以MScMS的測量范圍和精度較差。MScMS的測量范圍在10m左右，空間角測量精度為4．25°。在MScMS的基礎上又開發了新的移動空間坐標測量系統———MScMS－Ⅱ。MScMS－Ⅱ系統的測量探頭由2個紅外反射球以及探針組成，傳感器網絡的各基站由紅外攝像頭和紅外LED光源組成。紅外LED光源發射出的紅外光線照射在測量探頭上2個反射球上，然后反射回紅外攝像頭。傳感器網絡中各站的紅外攝像頭可以實時采集測量探頭上2個反射球的圖像，而傳感器網絡中各站的位置是已經標定好的，這樣利用2個反射球在各站圖像中的不同位置根據攝影測量學原理即可求解出測量探頭的位置［18－19］。與上一代MScMS采用超聲波三邊測距的定位原理不同，MScMS－Ⅱ采用光學三角測量的定位原理，測量速度從每秒2點提高至每秒100點，測量效率得到了大大的提高，而且受環境中不利因素影響較小，空間角測量精度也提高到1．53°。MScMS與indoorGPS方法很相似，它們都是利用各種設備的分布網絡為測量探頭的定位提供參考，然而MScMS與indoorGPS的組成結構和工作原理都不相同。雖然MScMS的測量精度比indoorGPS低一些，但其測量成本要比indoorGPS低50倍［20］。2．3基于自準直儀與測距機的測量方法為了實現大尺寸空間內方向和位置的精確測量，清華大學的YuheLi等人提出一種新的方向位置測量方法，并設計了測量系統。該測量系統由自準直儀、激光測距機、攝像頭和4個運動平臺構成，如圖9所示［21］。立方棱鏡安裝于被測對象上指示被測目標，被測對象固定于可360°旋轉的平臺上。垂直平臺安裝于直線平臺上，可以水平移動。傾斜平臺安裝于垂直平臺上，可以俯仰運動。自準直儀和激光測距機組成自準直測距機，是測量方向和位置的關鍵部件。攝像頭安裝于CR上，用來監視測量點，也可以指引激光測距機出射光點指向目標靶中心，以實現快速自準直。其測量過程分為3步：首先調整測量設備在直線平臺上的位置以及CR的俯仰角度，使其保持自準直；然后繞zR軸旋轉被測對象至一新位置，重新調整測量設備在直線平臺上的位置以及CR的俯仰角度，使其重新自準直，記錄此時測量設備在直線平臺上移動的距離、CR的俯仰角度的變化量以及激光測距機測得CR到目標的距離變化量；最后將這些參數代入測量模型中即可求解出目標的方向和位置。根據已發表的文獻可知，目前該系統的測量范圍受測距機的限制為10m，距離測量精度為1．1mm，角度測量精度為89．6″。

3基于慣性基準的大尺寸空間角測量

通過上述分析可知，目前室內條件下的大尺寸空間角測量技術比較成熟，已經有許多成型的產品，而能夠直接應用于外場環境中的大尺寸空間角測量技術還有待進一步發展。相對用于大型裝備制造裝配的專用總裝車間，還有許多大型復雜裝備的測量是在使用現場進行裝配和檢測的。外場環境中的測量要求測量系統在保證有效測量精度前提下還要具備便攜性和較強的抗干擾能力。本文提出一種基于慣性基準的大尺寸空間角測量方法。該方法在慣性空間內建立坐標系并以此作為測量基準，將各被測軸當作慣性空間內的若干單位向量，然后利用測量單元分別測量各被測軸在慣性坐標系中的向量坐標，最后利用向量坐標即可計算各被測軸之間的空間角，其測量過程如圖10所示。測量單元是一個便攜的、手持測量裝置，其通過自準直原理捕獲被測軸方向，利用二維振鏡對測量單元2個軸向（繞光軸自身軸向除外）的角運動進行補償，從而保持測量單元能夠實時處于自準直狀態，免受外界擾動的影響，這樣就可以保證被測軸與測量單元的光軸平行。然后，通過陀螺儀以及二維振鏡內的編碼器的測量值即可計算得出被測軸的單位向量坐標。最后，根據向量坐標進而可以求出被測軸線空間角，其工作原理如圖11所示。該測量方法將自準直跟蹤技術與慣性測量技術有機結合，其測量精度在理論上可以達到角秒級，而且在測量范圍、測量效率以及便攜性等方面得到了顯著的提升，具體表現如下：

1）測量范圍大。將慣性空間作為測量基準可以有效地解決大尺寸空間角測量中測量基準的傳遞問題，從理論來講其測量范圍可達百米；

2）測量效率高。該方法采用移動測量的方式，測量系統自動瞄準被測對象，可以避免設備架設、標定等繁瑣的工作；

3）便攜性好。測量系統的體積質量很小，可以由測量人員單手攜帶，非常適用于外場測量。目前該測量系統剛剛完成原理樣機的設計和搭建，還處于實驗室試驗和調試階段，測試結果表明，其有效測量空間范圍為10m，測量精度為0．5°。下一步還需要在提高測量范圍以及測量精度方面做以下改進：硬件方面。測量系統的測量精度受目前所選用陀螺儀精度的制約還不高，如果選擇精度更高的陀螺儀即可顯著提高系統測量精度，根據已公布的研究成果來看，原子陀螺的測量精度早已達到亞秒級。軟件方面。受到陀螺儀累積誤差的影響，測量系統的測量誤差會隨著工作時間的增加而增大；另外目前測量系統是在像素級上對被測對象進行自準直跟蹤。因此在陀螺儀噪聲濾波和亞像素跟蹤算法等軟件方面還有很大的改進空間。

4結束語

近年來，大型裝備的加工制造技術飛速發展，其制造與裝配等工藝要求也越來越高，從而對現場大尺寸空間幾何量測量技術提出更高的要求。大尺寸空間角測量是幾何量測量中的重要組成部分，也面臨著測量范圍大、精度要求高、測量環境復雜等難題。隨著各種新技術的不斷發展，大尺寸空間角測量的方法也在不斷完善。通過上述對大尺寸空間角測量技術進展的分析可知，目前在室內等專門測量空間中的大尺寸測量技術發展相對比較快，已經出現了許多成熟產品，而應用于外場條件下的大尺寸空間角測量技術則還有待進一步發展。鑒于此，我們認為，大尺寸空間角測量技術將朝著以下5個方向發展：

1）測量空間越來越大。大尺寸空間角測量所面臨的測量尺度空間大致處于十幾米至上百米范圍，例如大型飛機裝配測量、大型風力發電設備吊裝檢測或大型天線反射面型測量等。

2）測量精度越來越高。大尺寸測量往往會帶來較大的測量誤差，測量范圍與測量精度的矛盾必然存在。然而，大型復雜對象的測量對測量精度要求卻越來越高，例如，某型飛機的測量空間約為幾十米的范圍，而其距離測量精度要求控制在毫米級，角度測量精度要求控制在秒級。

3）便攜性越來越好。目前大尺寸空間角測量大都需要搭建專門的測量空間，測量設備比較復雜，體積和質量比較大，在外場條件下進行測量幾乎不大可能。所以，測量設備必須具備較好的便攜性以滿足日益增長的外場測量需求。

4）測量效率越來越高。大尺寸空間角測量正朝著自動化、智能化方向發展，要求測量快速、高效。當前大尺寸空間角測量方法效率一般較低，因此，測量效率的保證對于大尺寸空間角測量也是一個不小的挑戰。

5）抗干擾能力越來越強。相對一般精密測量的專用測量環境，大尺寸空間角測量大都是在制造、裝配或使用現場條件下進行的，測量環境復雜、可控性差，這就要求大尺寸空間角測量具有良好的抗干擾能力。

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作者：陳志斌 肖文健 馬東璽 劉先紅 肖程 秦夢澤 單位：軍械工程學院 軍械技術研究所