數(shù)字化測量設備站位規(guī)劃研究進展

熊濤

摘 要：數(shù)字化測量設備因測量精度高、自動化水平高及測量速度快等優(yōu)點，在航空航天、機械制造及工程測量等領域被廣泛應用。在測量時，需要根據被測物體的外形特征與設備的測量特性等情況考慮測量設備的站位布設問題，文章闡述和總結了國內外數(shù)字化測量設備站位規(guī)劃的研究進展，為實際測量提供參考。

關鍵詞：數(shù)字化測量; 站位規(guī)劃; 研究進展

中圖分類號：TN249 G210 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-3315（2021）1-176-002

一、數(shù)字化測量設備概述

隨著測量技術的不斷進步，測量速度快、測量精度高與自動化程度高的數(shù)字化測量設備逐漸取代了以度量尺、卡板等模擬量測量工具，被大量應用于飛機裝配、零件制造、工程勘測等場合。數(shù)字化測量設備隨著數(shù)字化測量技術的不斷發(fā)展而不斷改進，目前比較流行的有激光跟蹤儀、激光雷達與iGPS等。在測量時，先用數(shù)字化測量設備測量物體表面特征點以獲取三維點云數(shù)據，再對數(shù)據進行降噪處理，剔除異常值，然后對三維點云的質量進行檢驗，當點云質量合格時，擬合點云數(shù)據便得到被測物體的三維測量模型[1]。

激光跟蹤儀（Laser Tracker）是一種大尺寸測量設備，不僅可以測量靜止的目標點，而且可以跟蹤運動著的目標并實時測量該目標的三維坐標數(shù)據。它具有測量精度高、測量效率高、實時跟蹤測量、使用方便等優(yōu)點，在測量大尺寸物體的場合是非常適用的。其組成部分包含角度測量部分、距離測量部分、跟蹤控制部分、激光跟蹤儀控制器部分及支撐部分等[2]。其工作原理為：在待測點放置一個靶球鏡，激光跟蹤儀光源發(fā)射的激光束入射靶球鏡，然后激光束被靶球鏡反射回跟蹤頭，檢測系統(tǒng)接收該反射光束以用于計算被測點的三維坐標，如果被測點是運動的，則激光跟蹤儀調整激光束的方向以實時跟蹤測量被測點的位置。

激光雷達（LIDAR）是一種非接觸式的測量設備，具有操作簡單、適用面廣、自動測量等優(yōu)點，被用于測量目標點的三維坐標值及外形特征[3]，主要包含激光發(fā)生器、激光接收器和激光信號處理系統(tǒng)等部分。其工作原理是：內部的激光發(fā)生器發(fā)出激光信號，激光信號在被測目標點處被反射，激光接收器接收反射信號，然后處理系統(tǒng)比較反射的激光信號與發(fā)射的激光信號以計算被測點的位置。

iGPS是在GPS技術的基礎上研發(fā)出來的一種數(shù)字化測量設備，主要包含紅外激光發(fā)射器、接收器、基準尺、坐標解算處理器及測量軟件等部分，在測量時，接收器接收多臺紅外激光發(fā)射器發(fā)出的信號，內部處理器再進行解算即得到目標點坐標值[4]。

二、測量站位規(guī)劃研究進展

在使用數(shù)字化測量設備測量物體外形時，需要將測量設備放置在合適的站位，當在一個站位下不能測量物體的全部外形特征時，則需要移動測量設備，使測量設備在新的站位下測量剩余的物體外形特征。目前許多工作人員在執(zhí)行測量任務時，憑借測量經驗與自身感覺布設測量設備，缺乏科學的理論依據指導，容易出現(xiàn)重復測量、漏測等情況，且測量效率低，測量所花時間和成本高，故相關科研工作者對數(shù)字化測量設備的站位規(guī)劃進行了大量研究。通過閱讀相關研究文獻，總結出數(shù)字化測量設備的站位規(guī)劃研究主要集中在以下五個大的方面：①被測物體的外形特征;②測量設備的測量特性;③測量設備的測量精度;④測量設備的激光可達性;⑤測量設備的站位數(shù)量。

①被測物體的外形特征。物體的表面是由無數(shù)個待測特征點組成的，在測量時，需要根據待測特征點的分布情況來布設測量設備的合適站位。楊曉輝[5]在Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境下，基于CAA開發(fā)測量仿真軟件，將待測物體的三維模型導入該軟件，提取并離散待測曲面特征，再基于K-Means聚類算法實現(xiàn)待測特征點的聚類劃分，以此將待測物體的表面劃分為若干個測量區(qū)域，在測量時，每個測量區(qū)域對應一個測量站位，使用測量設備測完一個區(qū)域便轉站去測另一個區(qū)域，因此該站位規(guī)劃方法使得重復測量與漏測等情況的出現(xiàn)概率大大降低，提高了測量效率，規(guī)范了測量過程。

②測量設備的測量特性。每臺數(shù)字化測量設備都有自身的可測量范圍，超過該范圍時便不能進行測量。楊曉輝[5]以型號為Leica AT901-MR的激光跟蹤儀為研究對象，根據激光跟蹤儀的最遠測量距離、垂直方向測量范圍、水平方向測量范圍及靶球反射鏡的可入射范圍構建了激光跟蹤儀測量單元模型，在實際測量時，所布設的激光跟蹤儀站位要滿足該模型，否則便不能實現(xiàn)對目標點的測量。

③測量設備的測量精度。數(shù)字化測量設備都是有一定測量誤差的。在實際測量中，往往要求所測數(shù)據在所規(guī)定的誤差范圍內，因此測量設備必須放置在滿足測量精度的站位下。以激光雷達為例，其測量精度受到測量入射角與測量距離的影響。對此，張陽[6]提出了采用控制變量法分別研究入射角與距離對激光雷達測量精度的影響的實驗方案，并根據所提方案開展測量實驗，在實驗中，他利用型號為MV260的激光雷達去測量平面實驗件，然后處理測量數(shù)據并建立測量精度數(shù)學模型，最后將該數(shù)學模型應用于后續(xù)的飛機襟翼測量實例中，檢測出了不滿足測量精度的站位。

④測量設備的激光可達性。對于以激光來測量物體外形的數(shù)字化測量設備而言，所發(fā)出的激光束在到達待測目標點之前不可以被障礙物擋住，否則便不能測量目標點的位置。目前激光可達性的檢測方法主要有兩種：一是干涉求交法，二是屏幕空間變換法。楊曉輝[5]在規(guī)劃仿真軟件中，以細長圓柱代替激光束，利用布爾運算使細長圓柱與可能的障礙物進行干涉求交，以此來判斷激光束是否被遮擋。Kong Zhenyu[7]等提出屏幕空間變換法，朱緒勝[8]等采用該方法，將立體空間的干涉求交問題轉換成平面空間的求交問題，然后通過二次開發(fā)，在CATIA中編寫算法并實現(xiàn)了可視性分析，最后以某實驗裝配型架為例驗證了算法的可行性與有效性。

⑤測量設備的站位數(shù)量。在使用數(shù)字化測量設備測量物體外形時，應使測量設備在一個站位下能夠測量盡量多的特征點，以減少所布設的站位數(shù)量、減少轉站次數(shù)與提高測量效率。

三、結束語

合理規(guī)劃數(shù)字化測量設備的站位，有助于提高測量效率、規(guī)范測量過程、降低多測與少測情況的出現(xiàn)概率、以及節(jié)約時間與成本，國內外研究者對此開展了相應的研究并取得了不錯的成果，對于實際測量有不錯的參考價值與指導意義。

參考文獻：

[1]何延松，王麗芬.機載激光雷達測量技術及應用[J]北方交通，2019（07）：70-74

[2]李廣云.LTD500激光跟蹤測量系統(tǒng)原理及應用[J]測繪工程，2001（04）：3-8

[3]朱峻可，李麗娟，林雪竹.激光雷達測量系統(tǒng)的測量場規(guī)劃研究[J/OL]激光技術：1-13[2020-11-26]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20200109.1317.002.html

[4]康海東，范百興，李宗春，等.iGPS測量原理及其精度分析[J]測繪通報，2012（03）：12-15

[5]楊曉輝.面向飛機大部件的數(shù)字化測量站位規(guī)劃方法[D]南京航空航天大學，2016

[6]張陽.基于激光雷達的飛機大型構件測量站位規(guī)劃研究[D]南京航空航天大學，2019

[7] Kong Zhenyu， Huang Wenzhen， Ceglarek Dariusz. Visibility Analysis for Assembly Fixture Calibration Using Screen Space Transformation[J]Journal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127（3）

[8]朱緒勝，蔡志為，鄭聯(lián)語，等.基于屏幕空間變換的大型裝配型架測量可視性分析[J]計算機集成制造系統(tǒng)，2013，19（06）：1321-1328