现场超大尺寸动态系统综述

严宇迪++李伦++刘慧++董孟嘉

摘 要：随着技术的发展，超大尺寸测量系统无论在科研前沿、国防工业还是在国民生产领域都有着广泛的应用和需求。大尺寸测量具有显著特点：测量空间大、测量环境复杂、干扰因素多的特点。本文主要比较了现存的八种大尺寸测量系统，分析了可能的现场超大尺寸测量系统的动态性能。重点介绍了IGPS和数字摄影技术应用于现场动态测量系统缺点。

关键词：现场超大尺寸测量；iGPS；数字摄影；组合测量

中图分类号：P205 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0181-02

Abstract：With the development of technology， super large-dimension measurement system in the forefront of scientific research， defence industry is also in the national production has a broad range of applications and needs. Size measurement with notable features： measuring space， measuring environment， interference factors much more complex features. This paper analyses and compares the existing eight large size measurement system analysis may be applied to in-situ super large-dimension measurement technology. Introduces the IGPS and digital photographic technique applied to large sizes measuring strengths and weaknesses.

Key words：super large-dimension measurement； iGPS； digital photography； combination measurement

技术的发展历史方向都是由常规向极端发展，随着测量技术的发展，测量范围也向极大极小尺寸发展。在小尺度上已经成功开辟了微纳测量研究领域，比较而言，现场超大尺寸测量的研究投入不足，尚未形成系统的理论和方法，对现场超大尺寸坐标测量技术及其相关理论体系的研究有待进一步深化。

和常规测量相比较，现场超大尺寸测量具有显著特点：测量空间大、测量环境复杂、干扰因素多，测量设备和测量系统必须在测量现场进行组建、校准和量值传递，精度保证困难；此外，极高的相对测量精度、被测对象多样性、测量效率低等也是大尺寸测量领域亟待解决的问题。现代大尺寸精密坐标测量技术是一门集电子、光学、图像、传感器、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科。

在重大技术装备涉及的关键技术中，大尺寸精密坐标测量技术是其中的基础支撑技术之一。国内发展势头最好的几个重装技术及应用领域，如大型飞机制造、电力能源设备制造及安装、船舶壳体装配等，都对超大尺寸精密测量技术提出了迫切需求。

1 超大尺寸测量

超大尺寸测量则是指在测量对象从十米到几百米尺寸范圍内的测量，而通常测量精度要求为1～10ppm。测量类型分类见表1。

超大尺寸坐标测量技术的需求和应用主要包括以下几个方面：（1）航空航天；（2）船舶工程与海洋工程；（3）电力电网行业；（4）大型建筑结构。（5）轨道交通。此外，大尺寸测量系统还应用于科学研究领域，如天体望远镜、粒子加速器等设备外形尺寸的研制，自动化生产设备（如机械手臂等）的运动参数分析中。超大尺寸测量系统无论在科研前沿、国防工业还是在国民生产领域都有着广泛的应用和需求，开展对超大尺寸测量系统相关理论和设备的研究具有广阔的应用前景。

2 技术比较

现存的大尺寸的测量方法主要有八种，表2对国际领先的八种典型大尺寸测量系统进行了比较。从表中可以看出关节臂测量机和三坐标测量虽然精度很高，但是由于其测量范围限制，并不能适用于超大尺寸的测量。对于经纬仪测量系统和全站仪测量系统而言，其自动化程度低，动态测量能力差，并不能满足现场实时测量的要求。激光跟踪和激光扫描测量系统对超大尺寸测量全场时间花费长，且对工作的环境要求很高，抗干扰能力差，不适合进行现场超大尺寸测量。

数字摄影测量系统在微米到几百米的尺度上都能进行较高精度的测量，便携及非接触测量的特点使得其能在恶劣和极端环境正常工作。可方便与其他测量系统形成组合兼容，是一种很有前景的现场超大尺寸测量技术。典型系统是美国GSI公司的V-STARS。V-STARS精度非常高，精度可达5μm+5μm/m。缺点是对软件数据处理能力要求很高，目前国内的软件处理离达到V-STARS的精度还有一定距离。

iGPS（indoorGPS）测量系统其原理跟GPS一样，利用三角测量原理建立坐标系，不同的是iGPS采用红外激光代替了卫星信号，它利用发射器发出红外信号。测量一个点所需要的最少发射器是2个，发射器越多，测量越精确，测量范围越大。理论上只要增加发射器数量，iGPS拥有无限扩展的能力，是最有前景的现场超大尺寸测量技术。iGPS目前主要应用于飞机制造业，典型产品是美国ArcSecond公司的iGPS系统，如今该公司已被Nikon公司收购。在40m以内时测量精度较高，单点测点精度0.2mm。

3 结语

本文分析比较了八种大尺寸测量系统的特点，总结了在现场超大尺寸测量的应用前景。目前并没有适用全部情况的大尺寸测量系统，一般都是根据不同测量系统的优缺点，将几种测量系统组合的组合测量系统。

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