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

　　經(jīng)緯儀大尺寸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)近年來(lái)在航空、航天、天線、汽車、水利、機(jī)械和測(cè)繪等行業(yè)的研究與應(yīng)用已逐漸展開;隨著近年來(lái)我國(guó)航空、航天部門企業(yè)技術(shù)改造的進(jìn)行,已從國(guó)外引進(jìn)了近百套成熟的大尺寸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),其中以瑞士Leica公司的經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)ECDS3、MANCAT和Axyz STM/MTM居多,對(duì)于應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大而言,國(guó)內(nèi)的研究與開發(fā)則相對(duì)落后了;且以往的研究與應(yīng)用主要是針對(duì)兩臺(tái)傳感器的,由于受硬件條件的限制,對(duì)多臺(tái)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(shí)現(xiàn)比較少。本文著重解決的問(wèn)題則是對(duì)多臺(tái)儀器構(gòu)成混合測(cè)量系統(tǒng)的研究與開發(fā),本著立足現(xiàn)有設(shè)備,吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比最優(yōu)的原則,經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研、選擇比較、試驗(yàn),開發(fā)出了大尺寸柔性三坐標(biāo)測(cè)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(cè)、天線面形測(cè)量、三峽大壩機(jī)組座環(huán)檢測(cè)和大型閘門的安裝與檢測(cè)等項(xiàng)目中。

　　1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思想

　　經(jīng)緯儀大尺寸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)MetroIn是由多臺(tái)電子經(jīng)緯儀或全站儀構(gòu)成的混合測(cè)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(diǎn)的空間三維坐標(biāo),利用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理測(cè)量數(shù)據(jù),并可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)度、角度等幾何量計(jì)算與形位誤差的測(cè)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(tái)或多臺(tái)電子經(jīng)緯儀或全站儀(Leica、Topcon、Zeiss、Sokkia等)、486以上臺(tái)式或便攜機(jī)一臺(tái)(操作系統(tǒng)為Win95/98/2000)、多路串口轉(zhuǎn)換卡、LINK2一個(gè)、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(jī)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(gè)內(nèi)容:

　　(1)設(shè)備聯(lián)機(jī)

　　設(shè)備聯(lián)機(jī)包括計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制經(jīng)緯儀完成各項(xiàng)初始化參數(shù)的設(shè)置。

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

　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)的測(cè)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(duì)位置(相對(duì)定向)和絕對(duì)尺度(絕對(duì)定向),我們稱之為系統(tǒng)定向。

　　系統(tǒng)定向是通過(guò)測(cè)站(儀器)間進(jìn)行互瞄或觀測(cè)一定數(shù)量的物方點(diǎn)和基準(zhǔn)尺并進(jìn)行平差計(jì)算而建立系統(tǒng)統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系。系統(tǒng)定向完成后,各測(cè)站間的相互位置關(guān)系已確定,就可以對(duì)空間可視點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)機(jī)在線測(cè)量,并實(shí)時(shí)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(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的質(zhì)量。

　　(3)在線坐標(biāo)測(cè)量

　　系統(tǒng)定向完成后,即可進(jìn)行實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)測(cè)量。對(duì)于一般工件可事先用專用標(biāo)志標(biāo)出待測(cè)點(diǎn),然后通過(guò)逐點(diǎn)觀測(cè),確定各點(diǎn)的空間坐標(biāo)。對(duì)于不可接觸的工件或粘貼標(biāo)志有困難時(shí),可用激光束投影到工件上形成激光點(diǎn),利用激光點(diǎn)作為測(cè)量標(biāo)志。多臺(tái)經(jīng)緯儀的系統(tǒng)在定向完成后可以二臺(tái)或多臺(tái)間構(gòu)成多個(gè)測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)開展測(cè)量工作,測(cè)量坐標(biāo)均在統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系中,測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中,全站儀可單獨(dú)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù),亦可與經(jīng)緯儀一起交會(huì)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(kù)的主要列表,如工件、設(shè)站、基準(zhǔn)尺、反射片和參考庫(kù)、坐標(biāo)系等。右面是左面選中的具體數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表及其內(nèi)容顯示,如點(diǎn)坐標(biāo)、觀測(cè)值等。可編輯各數(shù)據(jù)記錄、添加一條新的記錄(如3維點(diǎn)坐標(biāo))、刪除記錄和對(duì)記錄進(jìn)行排序。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行的,每次操作即更改數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容,這點(diǎn)相當(dāng)于及時(shí)自動(dòng)存盤。對(duì)每一條記錄都可進(jìn)行編輯,但所有原始觀測(cè)值只可讀,不可更改。

　　(5)坐標(biāo)系的生成與轉(zhuǎn)換

　　通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放可生成一個(gè)新的坐標(biāo)系。此外還有兩種方法,即軸對(duì)準(zhǔn)法和最小二乘轉(zhuǎn)換法。如用不在一直線上的3個(gè)點(diǎn)軸對(duì)準(zhǔn)生成一坐標(biāo)系。其中,第一點(diǎn)確定坐標(biāo)系原點(diǎn),第二點(diǎn)定x軸,第三點(diǎn)定z軸。利用公共點(diǎn)最小二乘轉(zhuǎn)換法可以將測(cè)量數(shù)據(jù)與工件的設(shè)計(jì)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(duì)不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

　　(6)測(cè)量數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

　　依據(jù)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行各種點(diǎn)、線、面的分析、計(jì)算。如點(diǎn)、線、面之間的距離;線線、線面之間的角度計(jì)算,點(diǎn)線、點(diǎn)面、線線、線面等之間的平行、垂直及平分關(guān)系的分析與計(jì)算;利用測(cè)量數(shù)據(jù)擬合生成標(biāo)準(zhǔn)形狀,并對(duì)直線、平面和圓等形狀誤差進(jìn)行檢測(cè);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(kù)中。

　　(7)參考數(shù)據(jù)的放樣與測(cè)量

　　將理論的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到參考庫(kù)中,通過(guò)測(cè)量恢復(fù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系后,將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度信息,并在實(shí)地指示出來(lái)。

　　(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)。可將外部數(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(diǎn)坐標(biāo)及其觀測(cè)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(jī)或脫機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)可以三維可視化顯示,其中包括離散的單點(diǎn)顯示、擬合計(jì)算的基本幾何形狀(如直線、平面、圓柱、球等)顯示,并可對(duì)視圖進(jìn)行任意視角觀察,使得我們對(duì)測(cè)量結(jié)果有個(gè)直觀的感覺(jué)。

　　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(cè)量是基于角度前方交會(huì)的三角測(cè)量原理,而對(duì)多臺(tái)儀器構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng),由于“甬余”數(shù)據(jù)的存在,對(duì)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(cè)站三維網(wǎng)平差的方法;另一種是建立在攝影測(cè)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(tái)儀器的系統(tǒng)定向也就是確定儀器各設(shè)站點(diǎn)的相互位置關(guān)系,其實(shí)也就是測(cè)站點(diǎn)三維控制網(wǎng)的解算。經(jīng)緯儀三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)三維控制網(wǎng)中的觀測(cè)值僅為水平方向值和天頂距(或垂直角),再加上必要的相對(duì)控制條件(如基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度)即可完成網(wǎng)的平差解算。

　　在測(cè)站三維控制網(wǎng)中,加入基準(zhǔn)尺的測(cè)量是為了給網(wǎng)提供一個(gè)尺度控制條件。基準(zhǔn)尺兩端點(diǎn)間的長(zhǎng)度已知,基準(zhǔn)尺的測(cè)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(xiàng)可參見文獻(xiàn)6。測(cè)站三維控制網(wǎng)引入相對(duì)控制(距離)條件后,平差處理可分為兩種類型。一是把相對(duì)控制視為確定值,作為條件方程與角度觀測(cè)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(duì)控制為觀測(cè)值,將條件方程化為虛擬觀測(cè)值誤差方程,并賦以一定的權(quán),同角度觀測(cè)值一并按間接平差進(jìn)行處理。

　　把相對(duì)控制看成是虛擬觀測(cè)值,則可得間接平差模型:

　　4.2　在線測(cè)量

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