大型結構高次曲面外形精密測量技術研究與應用

崔深山 萬 爽 張 濤

(中國運載火箭技術研究院 研究發展中心，北京 100076)

1 引 言

隨著當代科學技術的進步，高次曲面外形測量在汽車、船舶、航天航空領域都顯示出了極為重要的作用[1]。在實際應用中，常常需要對產品進行三維曲面測量，以獲得操作對象準確的面形數據[2]。測量方法目前國內外主要分為接觸式與非接觸式。其中，光學非接觸三維曲面測量技術得到了深入研究和廣泛應用。

雖然非接觸式測量方法發展了許多年、出現了許多不同的測量方案，技術日臻成熟，但其仍舊存在難以實現高精度、高效率測量的問題[3]。選用激光掃描與視覺手持測量相結合的方式采集結構高次曲面輪廓點云數據，提高了曲面測量精度與效率，促進了非接觸式光學測量在工程中的應用。

2 測量原理

2.1 激光雷達掃描系統

激光雷達掃描[4]系統屬于大尺寸非接觸式激光掃描系統，可實現外形的高精度掃描測量，如圖1所示。激光雷達掃描系統是個球形測量系統，采用類似于微波雷達測距原理方式進行距離測量，是一種非接觸性的測距設備，其精度可與激光干涉儀相比。通過球形坐標系和笛卡爾坐標系的轉換得出被測點的X、Y、Z坐標。

激光雷達掃描系統測量半徑范圍為1m～60m，角度范圍水平方向±180°、垂直方向±25°；當激光掃描頭的測量光線無法直接指向被測位置時需使用反射鏡。反射鏡作為雷達的輔助測量設備，可改變激光頭測量光線的方向。對反射鏡進行標定后，在對被測物在反射鏡中的像進行測量，即可得到被測物的實際三維坐標。

2.2 視覺手持測量系統

手持測量系統包括坐標測量系統以及雙目測量系統，坐標測量系統可用于大尺寸的測量坐標系建立，雙目測量系統用于被測物三坐標數據獲取，如圖2所示。

坐標測量系統采用攝像原理對編碼點及非編碼點進行目標識別并記錄所在位置信息。雙目視覺測量系統結合了攝影測量和三角測量原理的精確度，同時帶來了激光跟蹤器和便攜式三坐標的優點。

視覺手持測量系統最大的優點在于測量方式的便攜性及靈活性，當測量坐標系建立完成后可實現視覺傳感器與手持掃描儀的自由移動測量，可用于高效完成飛行器外形測量。

2.3 測量網絡數據融合

2.3.1 激光雷達多站數據融合

激光雷達對于大尺寸被測物進行測量檢測時需要多次轉站才能夠完成全部測量任務。為了減小激光雷達多次轉站引入的誤差，需在進行數據處理前采用激光雷達多站網絡融合法，用來獲得激光雷達各站位間最優的相對位置估計，從而保證最終的測量結果質量。

激光雷達在各個測站坐標系下對轉站公共點進行測量，設測量網絡的轉站公共點共有n個，第i個轉站公共點pi在Mj(j=1,2···,n)下轉站公共點測量值的集合為Aj(j=1,2,···,n)，如圖3所示。

不妨設A0為M0下所有轉站公共點最優估計位置的集合，由于坐標轉換屬于剛性轉換，所以求Mj(j=1,2···,m)在M0下的方位估計，即求公共目標點集合Aj(j=1,2,···,m)到A0對齊的坐標轉換矩陣，如圖4所示。

2.3.2 視覺手持測量系統測量數據融合

在大尺寸被測物四周布設目標檢測(編碼和非編碼)和識別編碼目標，其中非編碼目標即高精度反射標記點，而編碼目標采用“T”模式(用于方向)以及兩個移動目標結合的形式，用于創建唯一代碼。坐標系上同樣存在三個編碼目標，來標記坐標系的位置信息，同時刻度尺上也同樣存在兩個編碼目標，用于模型的全局縮放，如圖5所示。

基于視覺測量圖像處理原理，通過圖像識別編碼目標點坐標進行圖像拼接，建立大尺寸測量坐標系，如圖6所示。

2.3.3 手持測量系統與激光雷達數據融合

數據融合公共點布設，在被測目標上布設激光雷達及手持測量系統均能識別的特制靶標，采用MAXSHOT建立測量坐標系，基于特制靶標對手持掃描儀與激光雷達進行數據融合，如圖7所示。

手持測量系統是基于視覺測量原理，其合作目標為高反光的反射標記點，而激光雷達的測量合作目標為經過表面高精度處理的工具球。基于以上各測量系統的測量特征，設計特制靶標及靶座，保證各測量系統可以測量大尺寸空間某些特定位置坐標，進行坐標系對齊，保證手持測量系統與激光雷達/激光跟蹤儀數據融合。

在測量場內首先使用視覺手持測量系統測量至少3個特制靶標，該特制靶標能夠采用視覺測量系統識別其靶標中心，如圖8所示。

將特制靶標換成激光雷達能夠識別的合作工具后進行再次測量，可以得到中心坐標，如圖9所示。

3 測量方案及實施

3.1 被測對象

作為被測對象的某飛行器測量狀態如圖10所示，其外形為高次曲面，不是簡單的回轉體，給測量帶來了一定的困難。且需要對全飛行器進行外形測量，測量范圍較大。

3.2 測量方案流程

a) 對測量系統進行自檢，精度標定，記錄系統標定精度；

b) 在飛行器水平狀態下測量飛行器基準特征，同時在飛行器曲面較為平滑處布設基準轉換工具球，在統一坐標系下測量相對位置關系進行基準轉換；

c) 將被測飛行器置于豎直測量工裝上，處于待測狀態；

d) 對各測量站位進行規劃；

e) 布設系統轉站工具；

f) 按照規劃進行飛行器外形掃描測量；

g) 外形數據獲取完畢后，對點云數據預處理；

h) 偏差檢測數據處理、曲面重構數據處理，生成偏差檢測報告。

3.3 測量系統搭建

主要是通過連接電纜將激光雷達與計算機系統進行連接。系統預熱前需緊固掃描儀及腳架，確保掃描頭連在腳架上，所有配件連接位置正確。確保儀器及目標處于穩定的環境中。準備就緒后，進行系統預熱。然后對系統進行自檢，以確認距離測量及信號處理是否符合技術規范。

手持測量系統集成了MaxSHOT 3D光學坐標測量系統、C-Track雙攝像頭傳感器、HandyPROBE測量探針和MetraSCAN手持掃描儀，對各部件進行組合以實現測量功能。系統連接后完成相關精度檢測即可開始測量。

3.4 外形掃描測量

3.4.1 視覺手持測量系統測量坐標系建立與測量系統布局

根據飛行器的水平測量狀態，首先采用MAXSHOT建立測量坐標系，將坐標系與其中一刻度尺放置于飛行器后端，另一刻度尺放置于飛行器前端以保證測量坐標系的穩定性與準確性。

同時飛行器四周布設目標檢測(編碼和非編碼)和識別編碼目標。其中十個非編碼目標采用特制靶標分布在飛行器背面及側緣用來完成視覺手持測量系統和激光雷達測量系統的數據融合，如圖11所示。

3.4.2 激光雷達測量系統坐標系建立與系統布局

將MAXSHOT建立測量坐標系時所采用的坐標系和編碼點清除后，將特制靶標替換成與激光雷達配合使用的工具球用來完成激光雷達多站數據融合以及和手持測量系統的數據融合。在飛行器前端和后端2m左右兩處安放激光雷達，同時保證10個工具球在激光雷可測范圍內，飛行器水平狀態下激光雷達站位如圖12所示。

飛行器外形面測量時，選擇飛行器在豎直狀態下運用視覺手持測量系統來完成測量任務，由于測量系統的視覺限制需要將系統升高進行手持掃描儀的測量，測量布局如圖13所示。

3.5 數據處理

3.5.1 測量數據的剔除與修補

在曲面的數字化測量中獲得的點云數據，由于存在各種干擾因素會不可避免的產生各種誤差點。如要建立較好質量的重構曲面就需要必須對數據進行剔除與修補。

3.5.2 點云數據的過濾

曲面數字化處理后將獲得大量的點云數據，當點云數量十分龐大的時候，必須要在保證精度的前提下減少數據量。

3.5.3 點云數據網格化

將測量的原始點云數據進行計算與處理，得到多邊形三角網格數據。要正確的建立數據點云中點與點之間的拓撲關系，生成三角平面是網格關鍵。同時曲率的大小對三角網格也有影響，當曲率變化較大時要合理增加三角面片數，曲率變化小時要適當減少三角面片數量，如圖14所示。

4 測量結果及分析

4.1 測量結果

最佳擬合對齊后對飛行器面形進行偏差檢測，偏差結果顯示分析采用整體偏差檢測方式，檢測結果如圖15所示。整體偏差分布情況如圖16所示，其中縱軸為各偏差值區間內曲面面積占總面積的百分比，由圖可直觀看出該飛行器外形偏差主要在±1mm以內。

4.2 結果分析

測量結果表明，飛行器實物外形與理論數模符合較好，偏差值絕大部分位于±1mm范圍內。采用

激光掃描與視覺手持測量相結合的方式對結構曲面進行全輪廓點云數據提取具有高度自動化、測量效率高等優點。采用本次測量的結果作為輸入，后續裝配工作取得了圓滿的成功，這以實踐的方式驗證了測量結果的精確性與可靠性。

5 結束語

針對大型結構高次曲面外形精密測量技術進行了研究，制定了測量流程，突破了雙系統數據融合關鍵技術，實現了激光雷達掃描與視覺手持測量系統的數據融合，大幅提高了高次曲面測量精度與測量效率。完成某飛行器高次外形曲面實物測量應用驗證，推進了非接觸式測量在工程中的應用。

[1] 余程，李思坤，王向朝.基于并行小波變換的快速三維面形測量技術[J].光學學報，2014,34(5):1～8.

[2] 張啟燦，蘇顯渝.動態三維面形測量的研究進展[J].激光與光電子學進展，2013,01(1):1～14.

[3] 朱勇建，潘衛清.非球面面形測量技術[J].激光與光電子學進展，2010,12(2):1～10.

[4] 賀燕，劉勇，王東偉等. 激光雷達掃描儀在網狀天線測量中的應用[J].宇航計測技術，2013,33(2):16～21.