角度测量惯性基准研究范文

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《应用光学杂志》2016年第3期

摘要：

随着大型装备制造工业飞速发展，其制造与装配等过程对大尺寸空间几何量的测量技术要求越来越高。为了分析大尺寸空间几何量测量中的空间角测量技术的发展，在综述5种传统大尺寸空间角测量方法的基础上，介绍了大尺寸空间角测量方面国内外相关研究的3种新的代表性成果。着重阐述了一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法，该方法将光电自准直跟踪技术与惯性测量技术有机结合，测量范围更大、便携性更强，特别适合外场条件下大尺寸空间角的快速测量。测试结果表明，目前其有效测量范围可达10m，测量精度为0．5°，同时还针对系统测量范围与测量精度的进一步提高提出了改进方案。

关键词：

角度测量；大尺寸；自准直；惯性基准

引言

飞机、舰船等大型装备制造是事关国家经济安全、国防安全的战略性产业，是一个国家综合国力的重要体现。而大型装备的制造与装配均需要大尺寸空间几何量精密测量技术提供精度保证。与常规测量不同，大尺寸测量的测量空间范围大，尺寸可达十几米甚至几十米，测量系统必须在工业现场组建和标定，测量结果易受现场的温度、湿度以及振动等各种复杂不良因素干扰［1－2］。此外，巨大的测量空间和复杂的测量环境对测量设备的便携化、测量过程的自动化也提出了更高的要求。因此，研究工业现场条件下高精度、高效率、高适应性的大尺寸测量方法已经成为现代装备制造业中的关键技术之一。大尺寸空间角测量是大尺寸空间几何量测量中的重要组成部分，在大型装备的制造与装配过程中，往往会遇到远距离大尺寸空间条件下两条异面轴线夹角的现场测量问题。由于被测对象相距较远，测量的公共基准难以建立，而且被测对象的体积和质量都比较大，测量过程中不方便移动或旋转，测量难度较大［3］。因此，大尺寸空间条件下异面轴线夹角的现场测量成为当前国内外研究的关键技术。本文将在综述传统大尺寸空间角测量方法的基础上，介绍当前在大尺寸空间角测量方面国内外新的研究成果，然后提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法，最后对大尺寸空间角测量技术的发展方向进行了展望。

1传统大尺寸空间角测量方法

传统的大尺寸空间角测量通常是基于空间特征点坐标测量，通过被测轴线上若干特征点的坐标来求解其空间夹角，其中包括坐标测量机法、多经纬仪法、激光跟踪仪法、室内定位法和视觉测量法等。

1．1坐标测量机法

大型三坐标测量机的发展比较成熟，产品种类也比较多，如美国Brown＆Sharp公司生产的LambdaSP型龙门式巨型坐标测量机，如图1（a）所示。其最大测量空间为3m×12m×2m，三维坐标的测量精度为1μm［4］。根据误差传递规律，其应用于空间角测量的测量精度为0．01°。然而，此方法测量效率较低，并且设备成本会随着测量尺寸的增大而大幅增加，即便是国产精度较低的小型测量机也要几十万元，进口高精度的大型测量机则需要几百万甚至上千万元。为了提高坐标测量机的测量效率，关节式坐标测量机应运而生，如图1（b）所示。关节式坐标测量机通过模拟人手臂的运动方式对空间不同位置待测点进行接触式测量。它由测量臂、码盘、测头等组成，各关节之间测量臂的长度是固定的，测量臂之间的转动角可通过光栅编码器实时得到，这样即可计算出测头所至位置的空间坐标。关节式坐标测量机精度的坐标测量精度可达0．02mm，其应用于空间角测量的测量精度为0．32°。关节式坐标测量机移动灵活，能够测量传统测量机难以测量的部位。其缺点是受到关节臂长的约束，测量范围有限，不适合外场大空间范围的测量。

1．2多经纬仪法

多经纬仪法利用空间交汇测量原理，由两台或者多台经纬仪观测得到空间某一点相对于各经纬仪的角度值，由空间三角关系从纯几何意义上即可得到该点的三维坐标。由两台经纬仪组成的空间点三维测量系统的测量原理如图2所示。设左经纬仪坐标系O1x1y1z1与整个测量系统的测量坐标系Oxyz一致，右经纬仪坐标系为O2x2y2z2。假定2个经纬仪的投影平面到各自的观测中心的距离都为1，左经纬仪的投影平面坐标系为O′1x′1y′1，右经纬仪的投影平面坐标系为O′2x′2y′2。设空间点Pwi在左经纬仪和右经纬仪投影平面内的投影分别为p1i和p2i。根据经纬仪的透视模型可以得到p1i和p2i分别在左右2个经纬仪投影平面坐标系中的坐标，两经纬仪坐标系的相互变换关系可以通过现场标定获取，通过这些参数就可以获得空间点Pwi的三维坐标［5］。在获取被测两条轴线上相关点坐标的同时，两条轴线空间夹角也可求解。多经纬仪法是在大尺度测量领域中应用最早和最多的一种系统，其优点是测量范围大、精度高，整个交会测量系统在十几米范围内可达到0．05mm的坐标测量精度，其应用于空间角测量的测量精度为0．79°。其不足之处是采用目视瞄准、手动调节和逐点测量，测量速度慢，自动化程度不高。为了提高测量效率，天津大学提出一种基于视觉引导的激光经纬仪自动测量方法［6－7］。自动激光经纬仪测量系统由两台徕卡公司的TM5100a高精度激光马达经纬仪、高分辨率工业相机、可变焦镜头及二维精密转台构成，如图3所示。激光器安装于经纬仪上，其光轴与经纬仪视轴重合，经纬仪测量时激光束在被测物上形成光斑的质心位置即为经纬仪视轴瞄准位置。CCD相机固定在精密转台上，转台在计算机控制下可沿水平和垂直2个方向旋转，带动CCD相机对整个测量区域进行扫描。利用视觉跟踪的方法，使经纬仪激光点自动与目标点重合，有效地解决传统经纬仪坐标测量系统无法自动识别和测量目标的问题，提高了测量效率。目前，该系统在20m×20m空间范围内的坐标值测量误差维持在0．3mm以内，空间角测量的测量误差小于4．22°。

1．3激光跟踪仪法

激光跟踪仪是一种典型的球坐标测量系统,其测量原理如图4所示。系统实时跟踪目标靶标，采用干涉仪来测量距离，用2个高精度角度编码器确定垂直和水平角度，然后按球坐标测量原理即可得到空间点的三维坐标［8］。激光跟踪仪在有效测量范围内（一般＜70m）的空间角测量精度较高，通常可达到5×10－6。目前，生产商业化激光跟踪仪的有美国API公司、Faro公司和德国Leica公司，其技术指标基本相同。然而，与多经纬仪法类似，激光跟踪仪在空间角测量的应用中也需要提前布设测量站点并进行标定，测量效率较低，不便于外场条件下的快速测量。

1．4室内定位法

室内定位法在测量原理上属于基于角度交汇的空间坐标测量。室内定位系统借鉴全球定位系统的测量思想，在测量空间内配置多个激光旋转发射装置，由此组成测量参考网络，测量探头通过接收参考网络中不同基站的信号来确定自身位置坐标，进而获得被测点的空间坐标。与经纬仪、跟踪仪等测量设备不同，室内定位系统在发射站在工作时不负责解算接收器坐标，而是不断发射附有角度信息的红外激光信号，接收器接收红外激光信号来间接得到角度值，因而在测量过程中不再需要人眼去瞄准被测点。最早采用室内定位法进行大尺寸空间坐标测量的是ArcSecond公司开发的IndoorGPS系统，如图5所示。该系统利用多站交汇测量，在40m空间内坐标值测量精度为0．25mm，空间角测量的测量精度为3．66°。在国内，天津大学邾继贵教授等研发的wMPS测量系统在10m的测量空间内坐标值测量精度为0．20mm，空间角测量的测量精度为2．93°［9］。室内定位系统的前期组建、标定过程比较繁琐，主要应用于室内大型装备的装配测量，而难以用于外场条件下的空间角测量。

1．5视觉测量法

视觉测量法可分为主动视觉测量和被动视觉测量两种。主动视觉测量通常由一对光学投射装置与图像传感器组成。使用光学投射装置向被测物体投射结构光，结构光受物体表面变化的调制产生形变，图像传感器记录下结构光的形变并通过数据处理还原出被测物体的三维几何尺寸［10］。由于主动视觉向被测物体投射了结构光，因此其抗干扰能力强，对工作环境的要求较低，其坐标测量精度在0．01mm左右，空间角测量精度在0．16°左右。但对于大型装备进行测量时，需要在被测对象上粘贴大量的标志点，非常耗时耗力。被动视觉测量是指不需要向被测物体投射结构光而仅仅通过观测被测物体在自然光照下的成像就可以实现对被测物体的三维尺寸测量［11］。被动视觉测量通常使用2个以上图像传感器或者使用单个图像传感器移动采集同一被测对象，如图6所示。通过匹配不同位置各个图像传感器所采集的图像公共部分中被测对象对应的角点、边缘、纹理等特征，直接获得被测对象的三维几何量［12］。美国GSI公司、挪威MEtronor公司以及德国AICON公司等相继推出了数字摄影测量系统。GSI生产的V－STARS系统测量精度在10m范围内最高可达0．03mm。视觉测量法在拥有较高测量精度的同时，整个仪器体积小、质量轻、便于携带，适合现场使用。然而，视觉测量法的测量范围受相机参数制约，对于有遮挡或不在同一视场中的被测对象较难应用。如表1所示，以上5种传统测量方法很难同时满足测量范围大、测量精度高、测量效率高、便携性好以及成本低等方面的要求，只能根据实际测量需求选择最合适的测量方法。

2新型大尺寸空间角测量方法

如上文所述，传统的大尺寸空间角测量方法在实际使用中都有一定的局限性，经过国内外相关学者的不断研究，近年来发展了一些具有特色的测量方法和装置。

2．1基于公共光学基准的大尺寸空间角测量

为了在相距甚远的若干个被测几何元素之间建立一个精度高、易于实现、能适应多种现场环境的测量基准，天津大学的裘祖荣团队提出在大尺寸空间内建立公共光学基准，并以此为基础进行测量［13－14］。在一个大型轴类的工件上，有相距较远的分别与主轴垂直的2个小轴，它们的轴线在空间中是异面的，要求测量两轴的空间夹角，如图7所示。以激光器发出的一个垂直于主轴平面C的线结构激光平面作为公共光学基准，并同时投射在2小轴上形成2个激光光条。采用2个光轴均垂直于平面C的CCD摄像机分别对2小轴及其激光光条进行拍摄，通过图像处理，就分别在两CCD的图像上得到了小轴1轴线与激光光条Ⅰ之间的角度α0、小轴2轴线与激光光条Ⅱ之间的角度β0。由于在CCD1和CCD2图像平面上的激光光条是由同一个线结构激光平面得到的，彼此平行，因此就得到了2小轴在垂直于主轴的平面C上投影之间的夹角γ0＝180°－α0－β0。据参考文献可知，目前该方法在相距7m的空间范围内空间角测量精度为0．02°。相对其他测量方法，公共基准的巧妙建立是这种测量方法最具特色的创新点。借助公共光学基准的桥梁和纽带作用，把大尺寸空间的2个小轴夹角测量问题，简化为常规空间内每个小轴与公共基准的夹角测量问题。

2．2移动空间坐标测量系统

移动空间坐标测量系统是由意大利都灵理工大学工业测量与质量工程实验室针对室内大中尺寸空间坐标测量问题开发的测量系统。如图8所示，MScMS主要由3部分构成：分布在测量空间的超声波装置网络、测量探头和控制系统。测量探头是一个可移动的系统，它由2个超声波装置以及探针组成。分布在测量空间的超声波装置网络经过标定后可以利用超声波测距的定位原理为测量探头提供空间位置参考，当探针接触到被测对象时会产生一个触发信号，该触发信号将探针当前的坐标通过蓝牙发送至控制系统，这样就可以获取被测对象上任意一点的空间坐标［15－17］。MScMS采用超声波三边测距的定位原理，由于超声波在空气中的传播容易受到环境温度、反射和衍射等因素的影响，所以MScMS的测量范围和精度较差。MScMS的测量范围在10m左右，空间角测量精度为4．25°。在MScMS的基础上又开发了新的移动空间坐标测量系统———MScMS－Ⅱ。MScMS－Ⅱ系统的测量探头由2个红外反射球以及探针组成，传感器网络的各基站由红外摄像头和红外LED光源组成。红外LED光源发射出的红外光线照射在测量探头上2个反射球上，然后反射回红外摄像头。传感器网络中各站的红外摄像头可以实时采集测量探头上2个反射球的图像，而传感器网络中各站的位置是已经标定好的，这样利用2个反射球在各站图像中的不同位置根据摄影测量学原理即可求解出测量探头的位置［18－19］。与上一代MScMS采用超声波三边测距的定位原理不同，MScMS－Ⅱ采用光学三角测量的定位原理，测量速度从每秒2点提高至每秒100点，测量效率得到了大大的提高，而且受环境中不利因素影响较小，空间角测量精度也提高到1．53°。MScMS与indoorGPS方法很相似，它们都是利用各种设备的分布网络为测量探头的定位提供参考，然而MScMS与indoorGPS的组成结构和工作原理都不相同。虽然MScMS的测量精度比indoorGPS低一些，但其测量成本要比indoorGPS低50倍［20］。2．3基于自准直仪与测距机的测量方法为了实现大尺寸空间内方向和位置的精确测量，清华大学的YuheLi等人提出一种新的方向位置测量方法，并设计了测量系统。该测量系统由自准直仪、激光测距机、摄像头和4个运动平台构成，如图9所示［21］。立方棱镜安装于被测对象上指示被测目标，被测对象固定于可360°旋转的平台上。垂直平台安装于直线平台上，可以水平移动。倾斜平台安装于垂直平台上，可以俯仰运动。自准直仪和激光测距机组成自准直测距机，是测量方向和位置的关键部件。摄像头安装于CR上，用来监视测量点，也可以指引激光测距机出射光点指向目标靶中心，以实现快速自准直。其测量过程分为3步：首先调整测量设备在直线平台上的位置以及CR的俯仰角度，使其保持自准直；然后绕zR轴旋转被测对象至一新位置，重新调整测量设备在直线平台上的位置以及CR的俯仰角度，使其重新自准直，记录此时测量设备在直线平台上移动的距离、CR的俯仰角度的变化量以及激光测距机测得CR到目标的距离变化量；最后将这些参数代入测量模型中即可求解出目标的方向和位置。根据已发表的文献可知，目前该系统的测量范围受测距机的限制为10m，距离测量精度为1．1mm，角度测量精度为89．6″。

3基于惯性基准的大尺寸空间角测量

通过上述分析可知，目前室内条件下的大尺寸空间角测量技术比较成熟，已经有许多成型的产品，而能够直接应用于外场环境中的大尺寸空间角测量技术还有待进一步发展。相对用于大型装备制造装配的专用总装车间，还有许多大型复杂装备的测量是在使用现场进行装配和检测的。外场环境中的测量要求测量系统在保证有效测量精度前提下还要具备便携性和较强的抗干扰能力。本文提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法。该方法在惯性空间内建立坐标系并以此作为测量基准，将各被测轴当作惯性空间内的若干单位向量，然后利用测量单元分别测量各被测轴在惯性坐标系中的向量坐标，最后利用向量坐标即可计算各被测轴之间的空间角，其测量过程如图10所示。测量单元是一个便携的、手持测量装置，其通过自准直原理捕获被测轴方向，利用二维振镜对测量单元2个轴向（绕光轴自身轴向除外）的角运动进行补偿，从而保持测量单元能够实时处于自准直状态，免受外界扰动的影响，这样就可以保证被测轴与测量单元的光轴平行。然后，通过陀螺仪以及二维振镜内的编码器的测量值即可计算得出被测轴的单位向量坐标。最后，根据向量坐标进而可以求出被测轴线空间角，其工作原理如图11所示。该测量方法将自准直跟踪技术与惯性测量技术有机结合，其测量精度在理论上可以达到角秒级，而且在测量范围、测量效率以及便携性等方面得到了显著的提升，具体表现如下：

1）测量范围大。将惯性空间作为测量基准可以有效地解决大尺寸空间角测量中测量基准的传递问题，从理论来讲其测量范围可达百米；

2）测量效率高。该方法采用移动测量的方式，测量系统自动瞄准被测对象，可以避免设备架设、标定等繁琐的工作；

3）便携性好。测量系统的体积质量很小，可以由测量人员单手携带，非常适用于外场测量。目前该测量系统刚刚完成原理样机的设计和搭建，还处于实验室试验和调试阶段，测试结果表明，其有效测量空间范围为10m，测量精度为0．5°。下一步还需要在提高测量范围以及测量精度方面做以下改进：硬件方面。测量系统的测量精度受目前所选用陀螺仪精度的制约还不高，如果选择精度更高的陀螺仪即可显著提高系统测量精度，根据已公布的研究成果来看，原子陀螺的测量精度早已达到亚秒级。软件方面。受到陀螺仪累积误差的影响，测量系统的测量误差会随着工作时间的增加而增大；另外目前测量系统是在像素级上对被测对象进行自准直跟踪。因此在陀螺仪噪声滤波和亚像素跟踪算法等软件方面还有很大的改进空间。

4结束语

近年来，大型装备的加工制造技术飞速发展，其制造与装配等工艺要求也越来越高，从而对现场大尺寸空间几何量测量技术提出更高的要求。大尺寸空间角测量是几何量测量中的重要组成部分，也面临着测量范围大、精度要求高、测量环境复杂等难题。随着各种新技术的不断发展，大尺寸空间角测量的方法也在不断完善。通过上述对大尺寸空间角测量技术进展的分析可知，目前在室内等专门测量空间中的大尺寸测量技术发展相对比较快，已经出现了许多成熟产品，而应用于外场条件下的大尺寸空间角测量技术则还有待进一步发展。鉴于此，我们认为，大尺寸空间角测量技术将朝着以下5个方向发展：

1）测量空间越来越大。大尺寸空间角测量所面临的测量尺度空间大致处于十几米至上百米范围，例如大型飞机装配测量、大型风力发电设备吊装检测或大型天线反射面型测量等。

2）测量精度越来越高。大尺寸测量往往会带来较大的测量误差，测量范围与测量精度的矛盾必然存在。然而，大型复杂对象的测量对测量精度要求却越来越高，例如，某型飞机的测量空间约为几十米的范围，而其距离测量精度要求控制在毫米级，角度测量精度要求控制在秒级。

3）便携性越来越好。目前大尺寸空间角测量大都需要搭建专门的测量空间，测量设备比较复杂，体积和质量比较大，在外场条件下进行测量几乎不大可能。所以，测量设备必须具备较好的便携性以满足日益增长的外场测量需求。

4）测量效率越来越高。大尺寸空间角测量正朝着自动化、智能化方向发展，要求测量快速、高效。当前大尺寸空间角测量方法效率一般较低，因此，测量效率的保证对于大尺寸空间角测量也是一个不小的挑战。

5）抗干扰能力越来越强。相对一般精密测量的专用测量环境，大尺寸空间角测量大都是在制造、装配或使用现场条件下进行的，测量环境复杂、可控性差，这就要求大尺寸空间角测量具有良好的抗干扰能力。

参考文献：

［3］邾继贵，王大为，王鑫，等．光学坐标测量系统中的关键技术［J］．红外与激光工程，2007，36（3）296－299．

［4］钟凯．组合式大尺寸测量系统研究［D］．武汉：华中科技大学，2009

［5］周富强，张广军，江洁．现场双经纬仪三维坐标测量系统［J］．机械工程学报，2004，40（1）：165－169． 

［6］张滋黎．基于视觉引导的大尺度空间坐标测量方法［D］．天津：天津大学，2010．

［7］张滋黎，邾继贵，周虎，等．一种基于视觉引导的激光经纬仪自动测量系统［J］．光电子•激光，2011，22（1）：115－119.

［8］张滋黎，朱涵，周维虎．激光跟踪仪转镜倾斜误差的标定及修正［J］．光学精密工程，2015，23（5）：1205－1212．

［9］薛彬，邾继贵，杨凌辉，等．wMPS系统在飞机水平测量中的应用［J］．光电工程，2014，41（8）：22－26．

［12］杨剑．大尺寸视觉测量精度的理论和实验研究［D］．北京：北京邮电大学，2010．

［14］胡文川，裘祖荣，张国雄．大尺寸空间异面直线夹角的检测［J］．光学精密工程，2012，20（7）：1427－1433．

作者：陈志斌 肖文健 马东玺 刘先红 肖程 秦梦泽 单位：军械工程学院 军械技术研究所