三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的開發(fā)及其在航天器檢測中的應(yīng)用

　　經(jīng)緯儀大尺寸三坐標(biāo)測量系統(tǒng)近年來在航空、航天、天線、汽車、水利、機械和測繪等行業(yè)的研究與應(yīng)用已逐漸展開;隨著近年來我國航空、航天部門企業(yè)技術(shù)改造的進(jìn)行,已從國外引進(jìn)了近百套成熟的大尺寸三坐標(biāo)測量系統(tǒng),其中以瑞士Leica公司的經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)ECDS3、MANCAT和Axyz STM/MTM居多,對于應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域的迅速擴大而言,國內(nèi)的研究與開發(fā)則相對落后了;且以往的研究與應(yīng)用主要是針對兩臺傳感器的,由于受硬件條件的限制,對多臺傳感器以及既有角度又有距離的混合傳感器構(gòu)成系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)比較少。本文著重解決的問題則是對多臺儀器構(gòu)成混合測量系統(tǒng)的研究與開發(fā),本著立足現(xiàn)有設(shè)備,吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),使整個系統(tǒng)的性能價格比最優(yōu)的原則,經(jīng)過充分的調(diào)研、選擇比較、試驗,開發(fā)出了大尺寸柔性三坐標(biāo)測量系統(tǒng)MetroIn,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在航天器推進(jìn)艙圓度檢測、天線面形測量、三峽大壩機組座環(huán)檢測和大型閘門的安裝與檢測等項目中。

　　1　系統(tǒng)設(shè)計基本思想

　　經(jīng)緯儀大尺寸三坐標(biāo)測量系統(tǒng)MetroIn是由多臺電子經(jīng)緯儀或全站儀構(gòu)成的混合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以經(jīng)緯儀或全站儀為傳感器,最終獲取目標(biāo)點的空間三維坐標(biāo),利用數(shù)據(jù)庫來管理測量數(shù)據(jù),并可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行長度、角度等幾何量計算與形位誤差的測量分析。系統(tǒng)的基本流程如圖1所示。

　　2　系統(tǒng)基本配置

　　MetroIn的基本配置,硬件主要為兩臺或多臺電子經(jīng)緯儀或全站儀(Leica、Topcon、Zeiss、Sokkia等)、486以上臺式或便攜機一臺(操作系統(tǒng)為Win95/98/2000)、多路串口轉(zhuǎn)換卡、LINK2一個、基準(zhǔn)尺一根、激光目鏡及照準(zhǔn)標(biāo)志、與電子經(jīng)緯儀相配套的高穩(wěn)定度腳架、聯(lián)機電纜等構(gòu)成。

　　3　系統(tǒng)軟件

　　3.1　功能介紹

　　系統(tǒng)軟件功能主要包括以下幾個內(nèi)容:

　　(1)設(shè)備聯(lián)機

　　設(shè)備聯(lián)機包括計算機與經(jīng)緯儀的聯(lián)接和經(jīng)緯儀內(nèi)置參數(shù)的初始化。采用鍵盤模擬技術(shù),由計算機控制經(jīng)緯儀完成各項初始化參數(shù)的設(shè)置。

　　(2)系統(tǒng)定向(建立經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系)

　　要實現(xiàn)對空間點的三維坐標(biāo)的測量,首先必須建立系統(tǒng)坐標(biāo)系,即要確定傳感器之間的相對位置(相對定向)和絕對尺度(絕對定向),我們稱之為系統(tǒng)定向。

　　系統(tǒng)定向是通過測站(儀器)間進(jìn)行互瞄或觀測一定數(shù)量的物方點和基準(zhǔn)尺并進(jìn)行平差計算而建立系統(tǒng)統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系。系統(tǒng)定向完成后,各測站間的相互位置關(guān)系已確定,就可以對空間可視點進(jìn)行聯(lián)機在線測量,并實時解算出其三維坐標(biāo)。

　　系統(tǒng)定向是最為關(guān)鍵的步驟,定向的好壞直接影響著后續(xù)點坐標(biāo)測量的質(zhì)量。

　　(3)在線坐標(biāo)測量

　　系統(tǒng)定向完成后,即可進(jìn)行實時三維坐標(biāo)測量。對于一般工件可事先用專用標(biāo)志標(biāo)出待測點,然后通過逐點觀測,確定各點的空間坐標(biāo)。對于不可接觸的工件或粘貼標(biāo)志有困難時,可用激光束投影到工件上形成激光點,利用激光點作為測量標(biāo)志。多臺經(jīng)緯儀的系統(tǒng)在定向完成后可以二臺或多臺間構(gòu)成多個測量系統(tǒng)同時開展測量工作,測量坐標(biāo)均在統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系中,測量數(shù)據(jù)顯示在屏幕的不同窗口中。全站儀和經(jīng)緯儀的組合測量系統(tǒng)中,全站儀可單獨采集坐標(biāo)數(shù)據(jù),亦可與經(jīng)緯儀一起交會采集坐標(biāo)。

　　(4)數(shù)據(jù)管理及編輯

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)管理器窗口界面類似于Windows的資源管理器,其左面是一樹形結(jié)構(gòu),為數(shù)據(jù)庫的主要列表,如工件、設(shè)站、基準(zhǔn)尺、反射片和參考庫、坐標(biāo)系等。右面是左面選中的具體數(shù)據(jù)庫的各個數(shù)據(jù)庫表及其內(nèi)容顯示,如點坐標(biāo)、觀測值等?？删庉嫺鲾?shù)據(jù)記錄、添加一條新的記錄(如3維點坐標(biāo))、刪除記錄和對記錄進(jìn)行排序。對數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)可選中或復(fù)合選中某些行進(jìn)行編輯處理。操作是直接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的,每次操作即更改數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容,這點相當(dāng)于及時自動存盤。對每一條記錄都可進(jìn)行編輯,但所有原始觀測值只可讀,不可更改。

　　(5)坐標(biāo)系的生成與轉(zhuǎn)換

　　通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放可生成一個新的坐標(biāo)系。此外還有兩種方法,即軸對準(zhǔn)法和最小二乘轉(zhuǎn)換法。如用不在一直線上的3個點軸對準(zhǔn)生成一坐標(biāo)系。其中,第一點確定坐標(biāo)系原點,第二點定x軸,第三點定z軸。利用公共點最小二乘轉(zhuǎn)換法可以將測量數(shù)據(jù)與工件的設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中進(jìn)行比較。有了坐標(biāo)系的生成與轉(zhuǎn)換功能,就可以很方便地對不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

　　(6)測量數(shù)據(jù)分析與計算

　　依據(jù)坐標(biāo)測量結(jié)果可進(jìn)行各種點、線、面的分析、計算。如點、線、面之間的距離;線線、線面之間的角度計算,點線、點面、線線、線面等之間的平行、垂直及平分關(guān)系的分析與計算;利用測量數(shù)據(jù)擬合生成標(biāo)準(zhǔn)形狀,并對直線、平面和圓等形狀誤差進(jìn)行檢測;擬合生成的各種幾何形狀可以存入數(shù)據(jù)管理器的形狀庫中。

　　(7)參考數(shù)據(jù)的放樣與測量

　　將理論的設(shè)計數(shù)據(jù)輸入到參考庫中,通過測量恢復(fù)設(shè)計坐標(biāo)系后,將設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度信息,并在實地指示出來。

　　(8)數(shù)據(jù)的輸入、輸出

　　MetroIn系統(tǒng)不僅使用它本身的數(shù)據(jù),也能兼容外部數(shù)據(jù)?？蓪⑼獠繑?shù)據(jù)直接輸入到某指定工件并轉(zhuǎn)換到特定坐標(biāo)系中;點坐標(biāo)及其觀測值可以輸出到相應(yīng)格式的文件中;定向的結(jié)果可以進(jìn)行打印輸出。

　　(9)三維圖形顯示

　　聯(lián)機或脫機測量數(shù)據(jù)可以三維可視化顯示,其中包括離散的單點顯示、擬合計算的基本幾何形狀(如直線、平面、圓柱、球等)顯示,并可對視圖進(jìn)行任意視角觀察,使得我們對測量結(jié)果有個直觀的感覺。

　　4　系統(tǒng)的主要數(shù)學(xué)原理

　　4.1　系統(tǒng)定向

　　經(jīng)緯儀三坐標(biāo)測量是基于角度前方交會的三角測量原理,而對多臺儀器構(gòu)成的測量系統(tǒng),由于“甬余”數(shù)據(jù)的存在,對定向和坐標(biāo)解算算法有兩種方法:一種是基于儀器精確整平的測站三維網(wǎng)平差的方法;另一種是建立在攝影測量學(xué)共線方程基礎(chǔ)上的光束法平差法。下面主要介紹前一種方法的數(shù)學(xué)原理。多臺儀器的系統(tǒng)定向也就是確定儀器各設(shè)站點的相互位置關(guān)系,其實也就是測站點三維控制網(wǎng)的解算。經(jīng)緯儀三坐標(biāo)測量系統(tǒng)三維控制網(wǎng)中的觀測值僅為水平方向值和天頂距(或垂直角),再加上必要的相對控制條件(如基準(zhǔn)尺的長度)即可完成網(wǎng)的平差解算。

　　在測站三維控制網(wǎng)中,加入基準(zhǔn)尺的測量是為了給網(wǎng)提供一個尺度控制條件。基準(zhǔn)尺兩端點間的長度已知,基準(zhǔn)尺的測量即構(gòu)成距離條件。

　　以上各誤差方程的系數(shù)和常數(shù)項可參見文獻(xiàn)6。測站三維控制網(wǎng)引入相對控制(距離)條件后,平差處理可分為兩種類型。一是把相對控制視為確定值,作為條件方程與角度觀測方程構(gòu)成附有條件的間接平差模型進(jìn)行處理;二是視相對控制為觀測值,將條件方程化為虛擬觀測值誤差方程,并賦以一定的權(quán),同角度觀測值一并按間接平差進(jìn)行處理。

　　把相對控制看成是虛擬觀測值,則可得間接平差模型:

　　4.2　在線測量

　　系統(tǒng)定向完成后,各測站間的相互位置關(guān)系已確定,就可以對空間可視點進(jìn)行在線點測量。所謂混合測量系統(tǒng)就是指既有經(jīng)緯儀也有全站儀組成的測量系統(tǒng),對物方點的測量既有角度觀測信息,也有距離觀測信息。