角度測量慣性基準(zhǔn)研究范文
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《應(yīng)用光學(xué)雜志》2016年第3期
摘要：
隨著大型裝備制造工業(yè)飛速發(fā)展，其制造與裝配等過程對大尺寸空間幾何量的測量技術(shù)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(shù)的發(fā)展，在綜述5種傳統(tǒng)大尺寸空間角測量方法的基礎(chǔ)上，介紹了大尺寸空間角測量方面國內(nèi)外相關(guān)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(zhǔn)的大尺寸空間角測量方法，該方法將光電自準(zhǔn)直跟蹤技術(shù)與慣性測量技術(shù)有機(jī)結(jié)合，測量范圍更大、便攜性更強(qiáng)，特別適合外場條件下大尺寸空間角的快速測量。測試結(jié)果表明，目前其有效測量范圍可達(dá)10m，測量精度為0．5°，同時(shí)還針對系統(tǒng)測量范圍與測量精度的進(jìn)一步提高提出了改進(jìn)方案。
關(guān)鍵詞：
引言
飛機(jī)、艦船等大型裝備制造是事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)安全、國防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)。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(shù)提供精度保證。與常規(guī)測量不同，大尺寸測量的測量空間范圍大，尺寸可達(dá)十幾米甚至幾十米，測量系統(tǒng)必須在工業(yè)現(xiàn)場組建和標(biāo)定，測量結(jié)果易受現(xiàn)場的溫度、濕度以及振動(dòng)等各種復(fù)雜不良因素干擾［1－2］。此外，巨大的測量空間和復(fù)雜的測量環(huán)境對測量設(shè)備的便攜化、測量過程的自動(dòng)化也提出了更高的要求。因此，研究工業(yè)現(xiàn)場條件下高精度、高效率、高適應(yīng)性的大尺寸測量方法已經(jīng)成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)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(huì)遇到遠(yuǎn)距離大尺寸空間條件下兩條異面軸線夾角的現(xiàn)場測量問題。由于被測對象相距較遠(yuǎn)，測量的公共基準(zhǔn)難以建立，而且被測對象的體積和質(zhì)量都比較大，測量過程中不方便移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)場測量成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的關(guān)鍵技術(shù)。本文將在綜述傳統(tǒng)大尺寸空間角測量方法的基礎(chǔ)上，介紹當(dāng)前在大尺寸空間角測量方面國內(nèi)外新的研究成果，然后提出一種基于慣性基準(zhǔn)的大尺寸空間角測量方法，最后對大尺寸空間角測量技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1傳統(tǒng)大尺寸空間角測量方法
傳統(tǒng)的大尺寸空間角測量通常是基于空間特征點(diǎn)坐標(biāo)測量，通過被測軸線上若干特征點(diǎn)的坐標(biāo)來求解其空間夾角，其中包括坐標(biāo)測量機(jī)法、多經(jīng)緯儀法、激光跟蹤儀法、室內(nèi)定位法和視覺測量法等。
1．1坐標(biāo)測量機(jī)法
大型三坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)展比較成熟，產(chǎn)品種類也比較多，如美國Brown＆Sharp公司生產(chǎn)的LambdaSP型龍門式巨型坐標(biāo)測量機(jī)，如圖1（a）所示。其最大測量空間為3m×12m×2m，三維坐標(biāo)的測量精度為1μm［4］。根據(jù)誤差傳遞規(guī)律，其應(yīng)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(shè)備成本會(huì)隨著測量尺寸的增大而大幅增加，即便是國產(chǎn)精度較低的小型測量機(jī)也要幾十萬元，進(jìn)口高精度的大型測量機(jī)則需要幾百萬甚至上千萬元。為了提高坐標(biāo)測量機(jī)的測量效率，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，如圖1（b）所示。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)通過模擬人手臂的運(yùn)動(dòng)方式對空間不同位置待測點(diǎn)進(jìn)行接觸式測量。它由測量臂、碼盤、測頭等組成，各關(guān)節(jié)之間測量臂的長度是固定的，測量臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角可通過光柵編碼器實(shí)時(shí)得到，這樣即可計(jì)算出測頭所至位置的空間坐標(biāo)。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)精度的坐標(biāo)測量精度可達(dá)0．02mm，其應(yīng)用于空間角測量的測量精度為0．32°。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)移動(dòng)靈活，能夠測量傳統(tǒng)測量機(jī)難以測量的部位。其缺點(diǎn)是受到關(guān)節(jié)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(jīng)緯儀法
多經(jīng)緯儀法利用空間交匯測量原理，由兩臺(tái)或者多臺(tái)經(jīng)緯儀觀測得到空間某一點(diǎn)相對于各經(jīng)緯儀的角度值，由空間三角關(guān)系從純幾何意義上即可得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由兩臺(tái)經(jīng)緯儀組成的空間點(diǎn)三維測量系統(tǒng)的測量原理如圖2所示。設(shè)左經(jīng)緯儀坐標(biāo)系O1x1y1z1與整個(gè)測量系統(tǒng)的測量坐標(biāo)系Oxyz一致，右經(jīng)緯儀坐標(biāo)系為O2x2y2z2。假定2個(gè)經(jīng)緯儀的投影平面到各自的觀測中心的距離都為1，左經(jīng)緯儀的投影平面坐標(biāo)系為O′1x′1y′1，右經(jīng)緯儀的投影平面坐標(biāo)系為O′2x′2y′2。設(shè)空間點(diǎn)Pwi在左經(jīng)緯儀和右經(jīng)緯儀投影平面內(nèi)的投影分別為p1i和p2i。根據(jù)經(jīng)緯儀的透視模型可以得到p1i和p2i分別在左右2個(gè)經(jīng)緯儀投影平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，兩經(jīng)緯儀坐標(biāo)系的相互變換關(guān)系可以通過現(xiàn)場標(biāo)定獲取，通過這些參數(shù)就可以獲得空間點(diǎn)Pwi的三維坐標(biāo)［5］。在獲取被測兩條軸線上相關(guān)點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)，兩條軸線空間夾角也可求解。多經(jīng)緯儀法是在大尺度測量領(lǐng)域中應(yīng)用最早和最多的一種系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是測量范圍大、精度高，整個(gè)交會(huì)測量系統(tǒng)在十幾米范圍內(nèi)可達(dá)到0．05mm的坐標(biāo)測量精度，其應(yīng)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(zhǔn)、手動(dòng)調(diào)節(jié)和逐點(diǎn)測量，測量速度慢，自動(dòng)化程度不高。為了提高測量效率，天津大學(xué)提出一種基于視覺引導(dǎo)的激光經(jīng)緯儀自動(dòng)測量方法［6－7］。自動(dòng)激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)由兩臺(tái)徠卡公司的TM5100a高精度激光馬達(dá)經(jīng)緯儀、高分辨率工業(yè)相機(jī)、可變焦鏡頭及二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，如圖3所示。激光器安裝于經(jīng)緯儀上，其光軸與經(jīng)緯儀視軸重合，經(jīng)緯儀測量時(shí)激光束在被測物上形成光斑的質(zhì)心位置即為經(jīng)緯儀視軸瞄準(zhǔn)位置。CCD相機(jī)固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)在計(jì)算機(jī)控制下可沿水平和垂直2個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)CCD相機(jī)對整個(gè)測量區(qū)域進(jìn)行掃描。利用視覺跟蹤的方法，使經(jīng)緯儀激光點(diǎn)自動(dòng)與目標(biāo)點(diǎn)重合，有效地解決傳統(tǒng)經(jīng)緯儀坐標(biāo)測量系統(tǒng)無法自動(dòng)識(shí)別和測量目標(biāo)的問題，提高了測量效率。目前，該系統(tǒng)在20m×20m空間范圍內(nèi)的坐標(biāo)值測量誤差維持在0．3mm以內(nèi)，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(biāo)測量系統(tǒng),其測量原理如圖4所示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)靶標(biāo)，采用干涉儀來測量距離，用2個(gè)高精度角度編碼器確定垂直和水平角度，然后按球坐標(biāo)測量原理即可得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)［8］。激光跟蹤儀在有效測量范圍內(nèi)（一般＜70m）的空間角測量精度較高，通常可達(dá)到5×10－6。目前，生產(chǎn)商業(yè)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(shù)指標(biāo)基本相同。然而，與多經(jīng)緯儀法類似，激光跟蹤儀在空間角測量的應(yīng)用中也需要提前布設(shè)測量站點(diǎn)并進(jìn)行標(biāo)定，測量效率較低，不便于外場條件下的快速測量。
1．4室內(nèi)定位法
室內(nèi)定位法在測量原理上屬于基于角度交匯的空間坐標(biāo)測量。室內(nèi)定位系統(tǒng)借鑒全球定位系統(tǒng)的測量思想，在測量空間內(nèi)配置多個(gè)激光旋轉(zhuǎn)發(fā)射裝置，由此組成測量參考網(wǎng)絡(luò)，測量探頭通過接收參考網(wǎng)絡(luò)中不同基站的信號(hào)來確定自身位置坐標(biāo)，進(jìn)而獲得被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)。與經(jīng)緯儀、跟蹤儀等測量設(shè)備不同，室內(nèi)定位系統(tǒng)在發(fā)射站在工作時(shí)不負(fù)責(zé)解算接收器坐標(biāo)，而是不斷發(fā)射附有角度信息的紅外激光信號(hào)，接收器接收紅外激光信號(hào)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(zhǔn)被測點(diǎn)。最早采用室內(nèi)定位法進(jìn)行大尺寸空間坐標(biāo)測量的是ArcSecond公司開發(fā)的IndoorGPS系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)利用多站交匯測量，在40m空間內(nèi)坐標(biāo)值測量精度為0．25mm，空間角測量的測量精度為3．66°。在國內(nèi)，天津大學(xué)邾繼貴教授等研發(fā)的wMPS測量系統(tǒng)在10m的測量空間內(nèi)坐標(biāo)值測量精度為0．20mm，空間角測量的測量精度為2．93°［9］。室內(nèi)定位系統(tǒng)的前期組建、標(biāo)定過程比較繁瑣，主要應(yīng)用于室內(nèi)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(dòng)視覺測量和被動(dòng)視覺測量兩種。主動(dòng)視覺測量通常由一對光學(xué)投射裝置與圖像傳感器組成。使用光學(xué)投射裝置向被測物體投射結(jié)構(gòu)光，結(jié)構(gòu)光受物體表面變化的調(diào)制產(chǎn)生形變，圖像傳感器記錄下結(jié)構(gòu)光的形變并通過數(shù)據(jù)處理還原出被測物體的三維幾何尺寸［10］。由于主動(dòng)視覺向被測物體投射了結(jié)構(gòu)光，因此其抗干擾能力強(qiáng)，對工作環(huán)境的要求較低，其坐標(biāo)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(jìn)行測量時(shí)，需要在被測對象上粘貼大量的標(biāo)志點(diǎn)，非常耗時(shí)耗力。被動(dòng)視覺測量是指不需要向被測物體投射結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對被測物體的三維尺寸測量［11］。被動(dòng)視覺測量通常使用2個(gè)以上圖像傳感器或者使用單個(gè)圖像傳感器移動(dòng)采集同一被測對象，如圖6所示。通過匹配不同位置各個(gè)圖像傳感器所采集的圖像公共部分中被測對象對應(yīng)的角點(diǎn)、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(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。GSI生產(chǎn)的V－STARS系統(tǒng)測量精度在10m范圍內(nèi)最高可達(dá)0．03mm。視覺測量法在擁有較高測量精度的同時(shí)，整個(gè)儀器體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶，適合現(xiàn)場使用。然而，視覺測量法的測量范圍受相機(jī)參數(shù)制約，對于有遮擋或不在同一視場中的被測對象較難應(yīng)用。如表1所示，以上5種傳統(tǒng)測量方法很難同時(shí)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(jù)實(shí)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(tǒng)的大尺寸空間角測量方法在實(shí)際使用中都有一定的局限性，經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的不斷研究，近年來發(fā)展了一些具有特色的測量方法和裝置。
2．1基于公共光學(xué)基準(zhǔn)的大尺寸空間角測量
為了在相距甚遠(yuǎn)的若干個(gè)被測幾何元素之間建立一個(gè)精度高、易于實(shí)現(xiàn)、能適應(yīng)多種現(xiàn)場環(huán)境的測量基準(zhǔn)，天津大學(xué)的裘祖榮團(tuán)隊(duì)提出在大尺寸空間內(nèi)建立公共光學(xué)基準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行測量［13－14］。在一個(gè)大型軸類的工件上，有相距較遠(yuǎn)的分別與主軸垂直的2個(gè)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(fā)出的一個(gè)垂直于主軸平面C的線結(jié)構(gòu)激光平面作為公共光學(xué)基準(zhǔn)，并同時(shí)投射在2小軸上形成2個(gè)激光光條。采用2個(gè)光軸均垂直于平面C的CCD攝像機(jī)分別對2小軸及其激光光條進(jìn)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(gè)線結(jié)構(gòu)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(jù)參考文獻(xiàn)可知，目前該方法在相距7m的空間范圍內(nèi)空間角測量精度為0．02°。相對其他測量方法，公共基準(zhǔn)的巧妙建立是這種測量方法最具特色的創(chuàng)新點(diǎn)。借助公共光學(xué)基準(zhǔn)的橋梁和紐帶作用，把大尺寸空間的2個(gè)小軸夾角測量問題，簡化為常規(guī)空間內(nèi)每個(gè)小軸與公共基準(zhǔn)的夾角測量問題。
2．2移動(dòng)空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)
移動(dòng)空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)是由意大利都靈理工大學(xué)工業(yè)測量與質(zhì)量工程實(shí)驗(yàn)室針對室內(nèi)大中尺寸空間坐標(biāo)測量問題開發(fā)的測量系統(tǒng)。如圖8所示，MScMS主要由3部分構(gòu)成：分布在測量空間的超聲波裝置網(wǎng)絡(luò)、測量探頭和控制系統(tǒng)。測量探頭是一個(gè)可移動(dòng)的系統(tǒng)，它由2個(gè)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(wǎng)絡(luò)經(jīng)過標(biāo)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(dāng)探針接觸到被測對象時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，該觸發(fā)信號(hào)將探針當(dāng)前的坐標(biāo)通過藍(lán)牙發(fā)送至控制系統(tǒng)，這樣就可以獲取被測對象上任意一點(diǎn)的空間坐標(biāo)［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(huán)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(chǔ)上又開發(fā)了新的移動(dòng)空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)———MScMS－Ⅱ。MScMS－Ⅱ系統(tǒng)的測量探頭由2個(gè)紅外反射球以及探針組成，傳感器網(wǎng)絡(luò)的各基站由紅外攝像頭和紅外LED光源組成。紅外LED光源發(fā)射出的紅外光線照射在測量探頭上2個(gè)反射球上，然后反射回紅外攝像頭。傳感器網(wǎng)絡(luò)中各站的紅外攝像頭可以實(shí)時(shí)采集測量探頭上2個(gè)反射球的圖像，而傳感器網(wǎng)絡(luò)中各站的位置是已經(jīng)標(biāo)定好的，這樣利用2個(gè)反射球在各站圖像中的不同位置根據(jù)攝影測量學(xué)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(xué)三角測量的定位原理，測量速度從每秒2點(diǎn)提高至每秒100點(diǎn)，測量效率得到了大大的提高，而且受環(huán)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(shè)備的分布網(wǎng)絡(luò)為測量探頭的定位提供參考，然而MScMS與indoorGPS的組成結(jié)構(gòu)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(zhǔn)直儀與測距機(jī)的測量方法為了實(shí)現(xiàn)大尺寸空間內(nèi)方向和位置的精確測量，清華大學(xué)的YuheLi等人提出一種新的方向位置測量方法，并設(shè)計(jì)了測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)由自準(zhǔn)直儀、激光測距機(jī)、攝像頭和4個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)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(biāo)，被測對象固定于可360°旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上。垂直平臺(tái)安裝于直線平臺(tái)上，可以水平移動(dòng)。傾斜平臺(tái)安裝于垂直平臺(tái)上，可以俯仰運(yùn)動(dòng)。自準(zhǔn)直儀和激光測距機(jī)組成自準(zhǔn)直測距機(jī)，是測量方向和位置的關(guān)鍵部件。攝像頭安裝于CR上，用來監(jiān)視測量點(diǎn)，也可以指引激光測距機(jī)出射光點(diǎn)指向目標(biāo)靶中心，以實(shí)現(xiàn)快速自準(zhǔn)直。其測量過程分為3步：首先調(diào)整測量設(shè)備在直線平臺(tái)上的位置以及CR的俯仰角度，使其保持自準(zhǔn)直；然后繞zR軸旋轉(zhuǎn)被測對象至一新位置，重新調(diào)整測量設(shè)備在直線平臺(tái)上的位置以及CR的俯仰角度，使其重新自準(zhǔn)直，記錄此時(shí)測量設(shè)備在直線平臺(tái)上移動(dòng)的距離、CR的俯仰角度的變化量以及激光測距機(jī)測得CR到目標(biāo)的距離變化量；最后將這些參數(shù)代入測量模型中即可求解出目標(biāo)的方向和位置。根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)可知，目前該系統(tǒng)的測量范圍受測距機(jī)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(zhǔn)的大尺寸空間角測量
通過上述分析可知，目前室內(nèi)條件下的大尺寸空間角測量技術(shù)比較成熟，已經(jīng)有許多成型的產(chǎn)品，而能夠直接應(yīng)用于外場環(huán)境中的大尺寸空間角測量技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)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(fù)雜裝備的測量是在使用現(xiàn)場進(jìn)行裝配和檢測的。外場環(huán)境中的測量要求測量系統(tǒng)在保證有效測量精度前提下還要具備便攜性和較強(qiáng)的抗干擾能力。本文提出一種基于慣性基準(zhǔn)的大尺寸空間角測量方法。該方法在慣性空間內(nèi)建立坐標(biāo)系并以此作為測量基準(zhǔn)，將各被測軸當(dāng)作慣性空間內(nèi)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(biāo)系中的向量坐標(biāo)，最后利用向量坐標(biāo)即可計(jì)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(gè)便攜的、手持測量裝置，其通過自準(zhǔn)直原理捕獲被測軸方向，利用二維振鏡對測量單元2個(gè)軸向（繞光軸自身軸向除外）的角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而保持測量單元能夠?qū)崟r(shí)處于自準(zhǔn)直狀態(tài)，免受外界擾動(dòng)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(nèi)的編碼器的測量值即可計(jì)算得出被測軸的單位向量坐標(biāo)。最后，根據(jù)向量坐標(biāo)進(jìn)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(zhǔn)直跟蹤技術(shù)與慣性測量技術(shù)有機(jī)結(jié)合，其測量精度在理論上可以達(dá)到角秒級(jí)，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(xiàn)如下：
1）測量范圍大。將慣性空間作為測量基準(zhǔn)可以有效地解決大尺寸空間角測量中測量基準(zhǔn)的傳遞問題，從理論來講其測量范圍可達(dá)百米；
2）測量效率高。該方法采用移動(dòng)測量的方式，測量系統(tǒng)自動(dòng)瞄準(zhǔn)被測對象，可以避免設(shè)備架設(shè)、標(biāo)定等繁瑣的工作；
3）便攜性好。測量系統(tǒng)的體積質(zhì)量很小，可以由測量人員單手?jǐn)y帶，非常適用于外場測量。目前該測量系統(tǒng)剛剛完成原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和搭建，還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和調(diào)試階段，測試結(jié)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(jìn)：硬件方面。測量系統(tǒng)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(tǒng)測量精度，根據(jù)已公布的研究成果來看，原子陀螺的測量精度早已達(dá)到亞秒級(jí)。軟件方面。受到陀螺儀累積誤差的影響，測量系統(tǒng)的測量誤差會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而增大；另外目前測量系統(tǒng)是在像素級(jí)上對被測對象進(jìn)行自準(zhǔn)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(jìn)空間。
4結(jié)束語
近年來，大型裝備的加工制造技術(shù)飛速發(fā)展，其制造與裝配等工藝要求也越來越高，從而對現(xiàn)場大尺寸空間幾何量測量技術(shù)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(huán)境復(fù)雜等難題。隨著各種新技術(shù)的不斷發(fā)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(shù)進(jìn)展的分析可知，目前在室內(nèi)等專門測量空間中的大尺寸測量技術(shù)發(fā)展相對比較快，已經(jīng)出現(xiàn)了許多成熟產(chǎn)品，而應(yīng)用于外場條件下的大尺寸空間角測量技術(shù)則還有待進(jìn)一步發(fā)展。鑒于此，我們認(rèn)為，大尺寸空間角測量技術(shù)將朝著以下5個(gè)方向發(fā)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(jī)裝配測量、大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)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(huì)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(fù)雜對象的測量對測量精度要求卻越來越高，例如，某型飛機(jī)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(jí)，角度測量精度要求控制在秒級(jí)。
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(shè)備比較復(fù)雜，體積和質(zhì)量比較大，在外場條件下進(jìn)行測量幾乎不大可能。所以，測量設(shè)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(dòng)化、智能化方向發(fā)展，要求測量快速、高效。當(dāng)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(gè)不小的挑戰(zhàn)。
5）抗干擾能力越來越強(qiáng)。相對一般精密測量的專用測量環(huán)境，大尺寸空間角測量大都是在制造、裝配或使用現(xiàn)場條件下進(jìn)行的，測量環(huán)境復(fù)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(xué)院 軍械技術(shù)研究所