引用本文

孟飙, 曲学军. 大尺寸复杂形状组合测量系统的全局标定与多视数据融合. 自动化学报, 2017, 43(11): 2051-2060. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160273

MENG Biao, QU Xue-Jun. Global Calibration and Multi-view Data Fusion for Combination Measurement System of Large Complicate Shapes. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(11): 2051-2060. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160273

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160273

关键词

组合测量，测量控制网，平差优化，全局标定，多视数据融合 

摘要

为解决大尺寸复杂形状全局测量与局部精度控制的矛盾，提出以大空间测量设备为全局控制手段，集成终端近距离测量设备的组合测量、全局标定与数据融合方法.在多站位下观测测量控制网以获取冗余观测数据，利用测量平差优化技术完成控制网的高精度标定.建立全局测量坐标系与测量控制网的物理关联，实现测量空间基准定义的唯一性.布设扫描仪观测目标并建立基准坐标系，为扫描仪位姿空间定位提供观测目标.建立扫描仪坐标映射模型，基于平差优化技术完成模型的高精度标定.测量过程中通过移动扫描仪获取多视角精密测量数据，利用激光跟踪仪完成局部视角位姿的动态跟踪，结合控制网的坐标观测实现局部视角测量数据的全局标定与数据融合.实验结果表明，所提出的组合测量与标定方法有效地拓展了测量空间并控制了全局测量误差，同时避免了额外标定设备与标定操作的介入对测量工作的干扰.

文章导读

作为柔性装配技术的核心问题, 大尺寸部件空间定位与精密测量从根本上决定了飞机装配精度.然而该型部件因其尺寸大和形状复杂, 致使量程与精度矛盾突出[1-2]; 一方面, 测量量程应具有足够的伸缩性以适应测量尺寸的变动; 另一方面, 要求在全量程内保证足够高的局部测量精度、测点密度和测量效率, 以适应法矢与曲率的显著变化.单一测量手段难以满足上述综合要求, 以大空间测量设备为基础建立覆盖全测量空间的高精度测量控制网, 为全测量过程提供全局坐标控制与约束, 再辅以多类型终端近距离测量设备, 构建多任务组合测量系统是解决该问题的有效途径[3].

组合测量中各测量设备的测量范围有限, 通过变换测量设备的站位以获取分区域局部测量数据是完成测量控制网的观测与获取完整形状数据的必要手段.相应地, 如何完成测量系统的全局标定, 进而实现局部测量数据的统一转换就称为组合测量的核心问题.此过程需要经过多次坐标变换与传递, 在保证可测性的前提下, 缩短坐标传递路线并控制转换精度, 实现复杂曲面的快速无干扰测量是提高全局测量精度与保证测量效率的根本途径[4-5].当前广泛应用的标记点粘贴法因其具有可任意拓展测量空间的优点已获得广泛应用, 然而大量标签点的粘贴严重影响了测量效率并干扰了被测物表面形貌[6].

针对以上问题, 本文提出集成多测量设备的组合测量与标定模型, 利用多种测量设备在多测站下完成各自观测任务.建立系统测量与标定模型, 采用测量平差优化技术完成模型的优化.基于全局控制的映射拼接完成局部测量数据的统一转换, 避免顺序拼接方法引起的误差累积, 实现测量数据的高精度转换与信息融合.

图 1  组合系统测量原理

图 2  控制网平差优化原理

图 3  基坐标系标定原理

1) 布设测量控制点以建立全局测量控制网, 通过控制网的多站位坐标观测以获取大量冗余观测数据, 采用控制网平差优化技术降低冗余数据间的内在矛盾可以显著提高全局测量控制点的定位精度.

2) 基于预设的全局控制点定义全局测量坐标系保证了测量基准空间定位的唯一性, 为全测量过程提供了可靠的全局约束, 并为实现测量数据与装配设计基准的几何关联提供了依据, 以及为实现不同阶段测量工作间数据比较, 进而为实现测量数据与CAD模型的比较检验及后续工程应用提供了便利.

3) 布设跟踪仪观测目标并据此建立扫描仪基坐标为扫描仪的动态位姿跟踪提供了观测基准.建立扫描仪坐标映射模型并采用测量平差优化方法可完成映射模型的高精度标定, 而基于冗余标定数据一致性的条件方程的构建及其与平差优化模型的结合则进一步提高了标定精度.

4) 测量过程中采用激光跟踪仪完成扫描仪位姿的实时定位, 结合跟踪仪对全局控制网的观测实现了局部视角测量数据的全局标定与数据融合, 避免了额外标定设备的介入与标定操作的干扰, 有效地提高了测量自动化与效率.

作者简介

孟飙

沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点实验室副教授.2015年获北京航空航天大学博士学位.主要研究方向为先进飞机制造工艺.E-mail:biao_m@aliyun.com

曲学军  

沈阳航空航天大学航空航天工程学部副教授.2014年获北京航空航天大学博士学位.主要研究方向为飞机数字化装配, 数字化测量与数据分析.本文通信作者.E-mail:quxuejunjiang@sohu.com