一種智能化定位測量系統(tǒng)
2017-8-3 來源：中國飛行試驗研究院 作者：何紅麗
摘要：根據(jù)試驗測試需求，設(shè)計一種集點、線、面為一體智能化高精度三維坐標(biāo)定位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)性能檢測以及工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定中，具備測量仿真、在線校準(zhǔn)、在線測量、快速處理、實時監(jiān)控的功能，給出系統(tǒng)構(gòu)建思路、框架、組成，并對關(guān)鍵技術(shù)問題進行剖析；在實驗室利用全站儀、影像測量設(shè)備等搭建一個綜合測試平臺，驗證了設(shè)備接口信息互操作性、實時引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平差處理等關(guān)鍵功能，其功能、性能均滿足測試需求。系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗智能化測試技術(shù)的發(fā)展，對提高測試精度、速度，節(jié)省人力、物力都具有非常重要的作用。
關(guān)鍵詞：三維模型；智能測量；系統(tǒng)設(shè)計；測量仿真
0.引言
飛行試驗空間定位測量是在真實試驗環(huán)境下，對航空飛行器及附件等位置參數(shù)進行測量[1]，其主要應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)性能檢測以及工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定中。近幾年來隨著數(shù)字化測量技術(shù)進入制造領(lǐng)域，其在測量、檢測、裝配、校準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，尤其是對于尺寸大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝要求高、生產(chǎn)速度要求快的各類型航空武器系統(tǒng)。在航空武器系統(tǒng)的測量中，既要測量飛機、武器本身的位姿信息，還要測量飛機與武器之間的相互關(guān)系；測量精度要求高，測量任務(wù)多，測量頻度高，每年測量上百架次；測量由原來的靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動靜結(jié)合；且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測試向著數(shù)字化、綜合化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、在線化等智能化方向快速發(fā)展[2]。
要快速實現(xiàn)上述測量需求，智能化測試系統(tǒng)的研制是必然選擇。沒有有效的測量手段就不可能實現(xiàn)在線自動化檢測，只有通過智能化測試系統(tǒng)的構(gòu)建，才可提高試飛測試精度、速度，節(jié)省人力、物力。本文主要針對空間定位測量需求，跟蹤國內(nèi)外智能化測試技術(shù)發(fā)展趨勢，設(shè)計滿足未來武器發(fā)展需求的高精度空間三維點、線、面一體化智能測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備仿真計算、在線校準(zhǔn)、在線測量、快速處理、實時監(jiān)控的功能，可實現(xiàn)飛機模型構(gòu)建，武器系統(tǒng)在飛機上的安裝過程在線檢測、復(fù)雜體的定位及試驗現(xiàn)場監(jiān)控，為現(xiàn)場測試、決策提供依據(jù)。
1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
1.1 基本框架
依據(jù)飛行試驗所需，采用先進的數(shù)字化測量設(shè)備如全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、三維掃描儀、激光跟蹤儀等多測量設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以期解決飛機結(jié)構(gòu)性能檢測和工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定問題。構(gòu)建思路是基于三維模型，通過計算機、自動控制等技術(shù)，實現(xiàn)對被測對象的一體化測量[3]；通過離線編程進行設(shè)備的布局與任務(wù)規(guī)劃，系統(tǒng)建成后可在線檢測、在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)處理，縮短處理周期，提高測量數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。在測量平臺構(gòu)建過程中充分考慮系統(tǒng)的先進性，系統(tǒng)構(gòu)建既要具有數(shù)據(jù)處理、操控功能，同時要能夠?qū)y量設(shè)備布局進行優(yōu)化，對測量任務(wù)軌跡線路進行規(guī)劃，在確保精度的情況下完成自動化測量。系統(tǒng)框架如圖 1 所示。
1.2 系統(tǒng)組成
針對飛行試驗機庫特點，構(gòu)建智能化高精度定位測量系統(tǒng)，實現(xiàn)特征點、線、面數(shù)據(jù)的快速自動化采集、記錄、計算、結(jié)果報表生成等功能。智能測量系統(tǒng)主要由5 個分系統(tǒng)組成：精確點測量分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、測控中心分系統(tǒng)、測量仿真分系統(tǒng)。其中精確點測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)實現(xiàn)信息的采集與獲??；測控中心分系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、操控、引導(dǎo)、分析、顯示等功能；測量仿真分系統(tǒng)主要完成測量設(shè)備的布局、組合以及測量路徑的規(guī)劃，是進行系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵，同時也是自動化測量的基礎(chǔ)。具體組成如下：
（1）精確點測量分系統(tǒng)。由全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、激光跟蹤儀等設(shè)備組成，主要實現(xiàn)對被測對象特征點測量。
（2）影像測量分系統(tǒng)。由攝像機、鏡頭、解析軟件等組成，利用近景攝影原理對目標(biāo)關(guān)鍵點進行測量，可以給出靜態(tài)或動態(tài)測量過程目標(biāo)點的測量結(jié)果。
（3）三維建模分系統(tǒng)。包含三維掃描儀，模型構(gòu)建工具等，主要用于模型構(gòu)建或者是目標(biāo)的測量及姿態(tài)求取。
（4）測控中心分系統(tǒng)。主要實現(xiàn)對系統(tǒng)中的相機、三維激光掃描儀以及全站儀等設(shè)備的后臺操作控制和信息實時采集、引導(dǎo)發(fā)送、處理、評估、顯示等，具備圖像處理、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)解析以及平差計算等功能。
（5）測量仿真分系統(tǒng)。根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境知識建立仿真模型，對測量特性進行仿真計算，通過仿真給出某個特定任務(wù)中參與測量的測量設(shè)備的組合、布局、測量任務(wù)的規(guī)劃，是系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵。主要用于任務(wù)的準(zhǔn)備，模擬測量現(xiàn)場，對設(shè)備布局，設(shè)備干涉、測量軌跡路徑的模擬，對測量方案及計劃進行確認(rèn)。
1.3 軟件規(guī)劃
對于一項測試，要進行智能化測量，任務(wù)部署規(guī)劃很重要。首先通過測量仿真，獲取測量規(guī)劃，然后再依據(jù)規(guī)劃進行在線化測量及結(jié)果報表的生成。軟件功能的部署如圖 2 所示。
2.關(guān)鍵技術(shù)
2.1 聯(lián)合靶標(biāo)的合理設(shè)計、布置和測量
一個由多測量設(shè)備構(gòu)成的綜合測量系統(tǒng)要獲取高精度的測量結(jié)果，首先要根據(jù)觀測對象條件來確定聯(lián)合靶標(biāo)設(shè)計及布局，以確保測量體系的統(tǒng)一。在這一過程中，需要充分考慮多種測量設(shè)備對測量標(biāo)志的識別特點，考慮測量對象的尺寸規(guī)模、標(biāo)志點的結(jié)構(gòu)特點。為此進行了聯(lián)合靶標(biāo)的設(shè)計，讓所有測量設(shè)備信息可以劃歸在統(tǒng)一測量體系。設(shè)計的聯(lián)合靶標(biāo)如圖 3 所示，由反射棱鏡和圓形回光反射標(biāo)志點構(gòu)成，其中反射棱鏡可以由激光跟蹤儀或全站儀識別，而圓形回光反射標(biāo)志點可以由影像測量設(shè)備、三維掃描儀識別，然后通過解析算法，依據(jù)反射棱鏡的中心把所有的測量點劃歸在同一個參考中心。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(jù)。多樣性的觀測數(shù)據(jù)是其平差模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。在布控時考慮測量過程中的盲區(qū)分布、光學(xué)單元可利用的空間分布、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源布置等。
2.2 基于模型的智能化測量流程設(shè)計
智能化測量流程設(shè)計是基于數(shù)字化三維仿真模型[4 5]。首先對測量任務(wù)需求進行解析。根據(jù)相關(guān)測試要求進行測量指令的生成，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，通過測量仿真進行測量設(shè)備的選取、組合與布局。根據(jù)仿真生成的測量規(guī)劃進行集成控制及自動化測量，在測控中心完成所有測量數(shù)據(jù)的采集和計算，構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)體系、數(shù)據(jù)解算，完成在線測量與分析，最終給出測量結(jié)果。自動化測量流程如圖 4 所示。
2.3 測量仿真
測量仿真是實現(xiàn)智能測量的首要條件，在復(fù)雜試驗現(xiàn)場環(huán)境下，建立合理的測量場模型是測量規(guī)劃與系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[6?7]。總體上，測量場模型要根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境模型而建立，其中應(yīng)包括工作空間、零部件、障礙物、測量目標(biāo)、測量儀器、測量空間內(nèi)的環(huán)境因素等信息。對測量系統(tǒng)按照不同布局或配置方案組合，通過仿真將形成不同的測量場結(jié)果，由此可以在現(xiàn)場實際測量實施之前評價測量系統(tǒng)的性能參數(shù)并得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗證測量場模型和試驗需求相符性，在仿真過程中著重關(guān)注可視性與精度特性。測量仿真過程如圖 5 所示。
2.4 自動化測量過程
自動測量用到的設(shè)備有跟蹤設(shè)備（跟蹤儀，全站儀），采用“坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換設(shè)備自動驅(qū)動自動找點數(shù)據(jù)采集”的方式實現(xiàn)自動瞄準(zhǔn)測量[8]。首先基于三維數(shù)/模獲取各測量點在設(shè)計坐標(biāo)系下的理論位置，計算設(shè)計坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得當(dāng)前實際狀態(tài)下各個測點在測量坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)值，通過程序控制測量設(shè)備自動定位到要采集的測量點附近，使跟蹤儀自動精確搜尋到靶球靶心，完成測量，然后進入下一個所需點的搜索并測量。
3.驗證
利用全站儀、影像測量系統(tǒng)等組建了一個綜合測量平臺，通過該系統(tǒng)驗證了實時引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換 、平 差 處 理 等 關(guān) 鍵 功 能 。 利 用 開 發(fā) 的 軟件可穩(wěn)定操控設(shè)備進行測量、融合精度優(yōu)于單獨設(shè)備精度；測量范圍得到拓展。同時在多個型號測試驗證了多測量設(shè)備組合自動化測量模式，實現(xiàn)了在線測量，提高工作效率與測量的可靠性。
4.結(jié)語
采用多測量設(shè)備可以構(gòu)建大尺寸智能化定位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)建成之后，可以實現(xiàn)常規(guī)任務(wù)在線快速測量。智能化測量是一個系統(tǒng)工程，要達到智能化測試目標(biāo)，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、補點建線構(gòu)面、逐步實施。中國飛行試驗研究院按照此思路正在開展智能化測試工作的逐步推進，系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗智能化測試技術(shù)的發(fā)展，對提高測試精度和測量速度，節(jié)省人力、物力都具有非常重要的作用。
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