大型结构高次曲面外形精密测量技术研究与应用

崔深山 万 爽 张 涛

(中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076)

1 引 言

随着当代科学技术的进步，高次曲面外形测量在汽车、船舶、航天航空领域都显示出了极为重要的作用[1]。在实际应用中，常常需要对产品进行三维曲面测量，以获得操作对象准确的面形数据[2]。测量方法目前国内外主要分为接触式与非接触式。其中，光学非接触三维曲面测量技术得到了深入研究和广泛应用。

虽然非接触式测量方法发展了许多年、出现了许多不同的测量方案，技术日臻成熟，但其仍旧存在难以实现高精度、高效率测量的问题[3]。选用激光扫描与视觉手持测量相结合的方式采集结构高次曲面轮廓点云数据，提高了曲面测量精度与效率，促进了非接触式光学测量在工程中的应用。

2 测量原理

2.1 激光雷达扫描系统

激光雷达扫描[4]系统属于大尺寸非接触式激光扫描系统，可实现外形的高精度扫描测量，如图1所示。激光雷达扫描系统是个球形测量系统，采用类似于微波雷达测距原理方式进行距离测量，是一种非接触性的测距设备，其精度可与激光干涉仪相比。通过球形坐标系和笛卡尔坐标系的转换得出被测点的X、Y、Z坐标。

激光雷达扫描系统测量半径范围为1m～60m，角度范围水平方向±180°、垂直方向±25°；当激光扫描头的测量光线无法直接指向被测位置时需使用反射镜。反射镜作为雷达的辅助测量设备，可改变激光头测量光线的方向。对反射镜进行标定后，在对被测物在反射镜中的像进行测量，即可得到被测物的实际三维坐标。

2.2 视觉手持测量系统

手持测量系统包括坐标测量系统以及双目测量系统，坐标测量系统可用于大尺寸的测量坐标系建立，双目测量系统用于被测物三坐标数据获取，如图2所示。

坐标测量系统采用摄像原理对编码点及非编码点进行目标识别并记录所在位置信息。双目视觉测量系统结合了摄影测量和三角测量原理的精确度，同时带来了激光跟踪器和便携式三坐标的优点。

视觉手持测量系统最大的优点在于测量方式的便携性及灵活性，当测量坐标系建立完成后可实现视觉传感器与手持扫描仪的自由移动测量，可用于高效完成飞行器外形测量。

2.3 测量网络数据融合

2.3.1 激光雷达多站数据融合

激光雷达对于大尺寸被测物进行测量检测时需要多次转站才能够完成全部测量任务。为了减小激光雷达多次转站引入的误差，需在进行数据处理前采用激光雷达多站网络融合法，用来获得激光雷达各站位间最优的相对位置估计，从而保证最终的测量结果质量。

激光雷达在各个测站坐标系下对转站公共点进行测量，设测量网络的转站公共点共有n个，第i个转站公共点pi在Mj(j=1,2···,n)下转站公共点测量值的集合为Aj(j=1,2,···,n)，如图3所示。

不妨设A0为M0下所有转站公共点最优估计位置的集合，由于坐标转换属于刚性转换，所以求Mj(j=1,2···,m)在M0下的方位估计，即求公共目标点集合Aj(j=1,2,···,m)到A0对齐的坐标转换矩阵，如图4所示。

2.3.2 视觉手持测量系统测量数据融合

在大尺寸被测物四周布设目标检测(编码和非编码)和识别编码目标，其中非编码目标即高精度反射标记点，而编码目标采用“T”模式(用于方向)以及两个移动目标结合的形式，用于创建唯一代码。坐标系上同样存在三个编码目标，来标记坐标系的位置信息，同时刻度尺上也同样存在两个编码目标，用于模型的全局缩放，如图5所示。

基于视觉测量图像处理原理，通过图像识别编码目标点坐标进行图像拼接，建立大尺寸测量坐标系，如图6所示。

2.3.3 手持测量系统与激光雷达数据融合

数据融合公共点布设，在被测目标上布设激光雷达及手持测量系统均能识别的特制靶标，采用MAXSHOT建立测量坐标系，基于特制靶标对手持扫描仪与激光雷达进行数据融合，如图7所示。

手持测量系统是基于视觉测量原理，其合作目标为高反光的反射标记点，而激光雷达的测量合作目标为经过表面高精度处理的工具球。基于以上各测量系统的测量特征，设计特制靶标及靶座，保证各测量系统可以测量大尺寸空间某些特定位置坐标，进行坐标系对齐，保证手持测量系统与激光雷达/激光跟踪仪数据融合。

在测量场内首先使用视觉手持测量系统测量至少3个特制靶标，该特制靶标能够采用视觉测量系统识别其靶标中心，如图8所示。

将特制靶标换成激光雷达能够识别的合作工具后进行再次测量，可以得到中心坐标，如图9所示。

3 测量方案及实施

3.1 被测对象

作为被测对象的某飞行器测量状态如图10所示，其外形为高次曲面，不是简单的回转体，给测量带来了一定的困难。且需要对全飞行器进行外形测量，测量范围较大。

3.2 测量方案流程

a) 对测量系统进行自检，精度标定，记录系统标定精度；

b) 在飞行器水平状态下测量飞行器基准特征，同时在飞行器曲面较为平滑处布设基准转换工具球，在统一坐标系下测量相对位置关系进行基准转换；

c) 将被测飞行器置于竖直测量工装上，处于待测状态；

d) 对各测量站位进行规划；

e) 布设系统转站工具；

f) 按照规划进行飞行器外形扫描测量；

g) 外形数据获取完毕后，对点云数据预处理；

h) 偏差检测数据处理、曲面重构数据处理，生成偏差检测报告。

3.3 测量系统搭建

主要是通过连接电缆将激光雷达与计算机系统进行连接。系统预热前需紧固扫描仪及脚架，确保扫描头连在脚架上，所有配件连接位置正确。确保仪器及目标处于稳定的环境中。准备就绪后，进行系统预热。然后对系统进行自检，以确认距离测量及信号处理是否符合技术规范。

手持测量系统集成了MaxSHOT 3D光学坐标测量系统、C-Track双摄像头传感器、HandyPROBE测量探针和MetraSCAN手持扫描仪，对各部件进行组合以实现测量功能。系统连接后完成相关精度检测即可开始测量。

3.4 外形扫描测量

3.4.1 视觉手持测量系统测量坐标系建立与测量系统布局

根据飞行器的水平测量状态，首先采用MAXSHOT建立测量坐标系，将坐标系与其中一刻度尺放置于飞行器后端，另一刻度尺放置于飞行器前端以保证测量坐标系的稳定性与准确性。

同时飞行器四周布设目标检测(编码和非编码)和识别编码目标。其中十个非编码目标采用特制靶标分布在飞行器背面及侧缘用来完成视觉手持测量系统和激光雷达测量系统的数据融合，如图11所示。

3.4.2 激光雷达测量系统坐标系建立与系统布局

将MAXSHOT建立测量坐标系时所采用的坐标系和编码点清除后，将特制靶标替换成与激光雷达配合使用的工具球用来完成激光雷达多站数据融合以及和手持测量系统的数据融合。在飞行器前端和后端2m左右两处安放激光雷达，同时保证10个工具球在激光雷可测范围内，飞行器水平状态下激光雷达站位如图12所示。

飞行器外形面测量时，选择飞行器在竖直状态下运用视觉手持测量系统来完成测量任务，由于测量系统的视觉限制需要将系统升高进行手持扫描仪的测量，测量布局如图13所示。

3.5 数据处理

3.5.1 测量数据的剔除与修补

在曲面的数字化测量中获得的点云数据，由于存在各种干扰因素会不可避免的产生各种误差点。如要建立较好质量的重构曲面就需要必须对数据进行剔除与修补。

3.5.2 点云数据的过滤

曲面数字化处理后将获得大量的点云数据，当点云数量十分庞大的时候，必须要在保证精度的前提下减少数据量。

3.5.3 点云数据网格化

将测量的原始点云数据进行计算与处理，得到多边形三角网格数据。要正确的建立数据点云中点与点之间的拓扑关系，生成三角平面是网格关键。同时曲率的大小对三角网格也有影响，当曲率变化较大时要合理增加三角面片数，曲率变化小时要适当减少三角面片数量，如图14所示。

4 测量结果及分析

4.1 测量结果

最佳拟合对齐后对飞行器面形进行偏差检测，偏差结果显示分析采用整体偏差检测方式，检测结果如图15所示。整体偏差分布情况如图16所示，其中纵轴为各偏差值区间内曲面面积占总面积的百分比，由图可直观看出该飞行器外形偏差主要在±1mm以内。

4.2 结果分析

测量结果表明，飞行器实物外形与理论数模符合较好，偏差值绝大部分位于±1mm范围内。采用

激光扫描与视觉手持测量相结合的方式对结构曲面进行全轮廓点云数据提取具有高度自动化、测量效率高等优点。采用本次测量的结果作为输入，后续装配工作取得了圆满的成功，这以实践的方式验证了测量结果的精确性与可靠性。

5 结束语

针对大型结构高次曲面外形精密测量技术进行了研究，制定了测量流程，突破了双系统数据融合关键技术，实现了激光雷达扫描与视觉手持测量系统的数据融合，大幅提高了高次曲面测量精度与测量效率。完成某飞行器高次外形曲面实物测量应用验证，推进了非接触式测量在工程中的应用。

[1] 余程，李思坤，王向朝.基于并行小波变换的快速三维面形测量技术[J].光学学报，2014,34(5):1～8.

[2] 张启灿，苏显渝.动态三维面形测量的研究进展[J].激光与光电子学进展，2013,01(1):1～14.

[3] 朱勇建，潘卫清.非球面面形测量技术[J].激光与光电子学进展，2010,12(2):1～10.

[4] 贺燕，刘勇，王东伟等. 激光雷达扫描仪在网状天线测量中的应用[J].宇航计测技术，2013,33(2):16～21.