近景测量技术研究及其在航空制造中的应用

赵博雅，张承阳，景喜双

近景测量技术研究及其在航空制造中的应用

赵博雅1，张承阳2，景喜双2

(1. 北京一零一中学，北京 100091；2. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083)

近景测量技术近年来在航空制造中得到了越来越广泛的应用，为此对近景测量技术及应用进行了研究。介绍了近景测量系统的组成及国内外各大公司生产的近景测量设备，分析了近景测量系统的相机校正、测量点识取、图像自动匹配、待测点坐标计算、系统误差控制等关键技术，总结了近景测量技术的特点以及其可能存在的问题，阐述了目前近景测量技术以其测量精度高、效率高、性能好、可以无接触测量的特点，在航空制造中零部件几何特征测量、全机水平测量、逆向反求测量、钣金变形分析等方面应用，并对近景测量技术发展提出展望。

近景测量；测量精度；相机校正；逆向反求；航空制造

随着数字工业的发展，人们对工业产品质量的要求越来越高，对其制造过程中测量的精度和效率提出了更高的要求。例如在航空制造过程中，对飞机零部件的测量通常要求精度高、范围大、效率高。近景测量系统作为一种数字测量系统，能够同时满足航空制造中的测量需求，即在保证测量精度的情况下，可以测量几十米范围内的待测物体，并且能够同时测量上万个点。因此，近年来近景测量系统在航空制造业得到了广泛的应用。

1 近景测量系统的组成与关键技术

1.1 近景测量系统测量原理与系统组成

近景测量系统主要由校正过镜头的相机、标志点和计算机等3部分组成。工作原理如图1所示。将标志点粘贴于物体的待测点处，使用校正过镜头的相机对待测物体从不同方向拍摄若干幅照片，生成二维数字图像。计算机通过图像识别技术，判断图像中标志点的位置，并基于共线方程和空间交会等数学模型求得标志点的坐标和相机位姿信息[1]。近景测量系统工作时，数据的处理过程如图2所示。

图1 近景测量系统测量原理

目前，世界上已有多家公司推出了自己的近景测量系统，如美国大地测量公司(GSI)推出了基于高分辨率、高精度的固态影像传感器的V-STARS摄影三坐标测量系统；德国GOM公司推出的TRITOP摄影三坐标测量系统；德国AICON 3D SYSTEMS GMBH公司推出的DPA-PRO单相机摄影测量系统；挪威迈卓诺公司(METRONOR)推出的METRONOR光电式坐标测量系统；比利时METRIS公司推出的METRIS K600联机摄影测量系统等[1-2]。各测量系统测量精度、测量范围和特点见表1。

图2 近景测量系统数据处理过程

表1 现有测量系统的基本信息

美国GSI公司的V-STARS系统，由于其系统精度较高、测量范围较大，使其在航空制造等领域得到了广泛的应用。V-STARS系统有双机联机测量系统V-STARS/DE、V-STARS/M8等型号，单机脱机测量系统V-STARS/E5、V-STARS/S8等型号，图3所示为V-STARS/S8型近景测量系统。各型号之间主要是相机硬件设备配置高低的不同，从而导致的测量精度和效率的不同[3]。高配置的单机测量系统，精度可达5 μm+5 μm/m，测量范围可达50 m。

MPS系统作为国产的近景测量系统，分为MPS/S单机测量和MPS/M双机测量两种型号。MPS系统采用高分辨率的LEICA或NIKON数字相机，可在–10 ℃~50 ℃的环境中测量，测量范围可达200 m，但测量精度与国外测量系统相比较低，MPS系统在5 m内的测量误差小于0.05 mm，因此国内的近景测量系统还有很大的改进和提升空间(图4)。

图3 V-STARS近景测量系统

1.2 近景测量系统关键技术

测量系统的关键，是将测量误差控制在最小范围内。从图2所示的近景测量系统数据处理过程可以看出，在坐标信息转换、识取和计算的过程中，均会产生误差。同时，系统硬件设备本身的系统误差，也会对测量结果的精度造成影响。如何控制并减少这些误差，是近景测量系统的关键所在。

图4 国产MPS近景测量系统

1.2.1 相机校正技术

相机校正技术主要是减少拍摄照片时，将三维坐标信息转换成二维图像时带来的误差，实际上是利用数学方法减少相机镜头畸变对测量结果的精度造成的影响。相机镜头畸变主要是制造过程中，由于加工装配等原因，造成各镜头之间不能达到完全的同轴，以致光线在穿过各镜头时产生折射现象，使得测量结果不能完全满足共线条件，即被测点、镜头中心和像点共线[4-5]。对于相机的畸变，人们通常采用数学模型对其进行补偿校正。目前国内外学者已提出多种相机补偿校对的数学模型，如10参数模型、多项式模型、有限元模型、人工神经网络等[2,6-8]。这些数学模型，主要根据相机镜头畸变大小以及畸变的规律强弱来建立不同的数学模型，以提高校正的精度。在利用校正过后的相机进行近景测量时，根据共线方程和空间交会算法等解算出待测点的空间坐标及相机的相对位姿等信息。

1.2.2 测量点识取技术

在近景测量技术中，在对贴有标志点的待测物体进行拍摄后，能够从数字图像中准确识取到标志点，是计算待测物体空间坐标的前提，测量点识取技术主要是减少识取标志点时的误差。近景测量系统拍摄出的数字图像都是黑白的，所以图像处理软件通过分析图像中各像素点的灰度值来判别标志点。因为标志点采用反光材料制成，在数字图像中亮度值比周围物体大，从而可以识别出图像中标志点的位置。国内外学者已经提出很多标志识别算法，例如Canny算子边缘检测法、定向行扫描法、递归填充法、形态学法等[9-11]。在识取到标志点位置后，还要计算标志点中心坐标，目前也有很多计算标志点中心的算法，常用的有椭圆拟合法、灰度加权质心法、模版匹配法等[9-13]，这些算法主要通过判断边界形状和标志点灰度值来计算中心点坐标，椭圆拟合法适合处理有噪点的图像，灰度加权质心法适合处理标志点半径较小的图像。

1.2.3 图像自动匹配技术

近景测量需要对待测物体从多个方位拍摄若干幅图像，图像处理软件会将不同图像中的同一标志点自动匹配到一起，以计算其空间坐标。为实现图像自动匹配，需要在待测物体或待测点周围粘贴编码点。编码点是经过设计的可以被图像处理软件识别的具有编号功能的图案点，在被拍摄出的所有数字图像中，相同编号的编码点会被图像处理软件自动匹配到一起，便可找到同一标志点在不同数字图像中的位置。在近景测量技术中，图像的自动匹配主要利用像点空间几何关系完成，常用带有核线约束条件及基于核线约束的匹配算法[9,14]。

1.2.4 待测点坐标计算技术

待测点坐标计算技术主要是减少坐标计算过程中产生的误差。在近景测量系统中，采用的最广泛的坐标计算算法是自检校光束法平差计算，该算法是以像点坐标为观测值，利用共线方程和平差方法，计算待测点和相机位姿的参数值。目前光束法平差有逐点法化消元法、整体法化消元法等多种计算方法[1]，针对不同的测量环境，选择合适的计算方法有利于减少计算过程带来的误差。

1.2.5 系统误差控制技术

相机的分辨率、噪点等因素都会对测量结果的精度造成影响。相机能够捕捉到的图像的细节度称为相机的分辨率，用像素来衡量。即图像中所包含的有效像素越多，相机的分辨率就越高[15]。在近景测量系统中，相对测量精度为像点坐标提取精度与图像分辨率的比值[16]。在像点坐标提取精度一定的情况下，相机的分辨率越高，相对测量精度越高。相机的CCD(CMOS)传感器在将光线作为信号接收并输出时所产生的图像中的粗糙部分叫做相机的噪点，通常是由电子干扰产生的。相机的噪点使得图像中产生额外的像素，即图像中原本没有的颜色会被显示出来。在识别待测点时，图像处理软件会根据反光标志的灰度分布来提取圆形标志的中心坐标。例如，在识别标志椭圆边界的拟合算法中，噪点会影响边界处的灰度值，从而降低了边界识别的精度，导致中心点坐标计算出现误差。因此，在近景测量系统中，通常选用信噪比较高的相机，以降低噪点对测量结果精度的影响。

同时，系统中的基准尺也会对测量结果的精度造成影响。在近景测量系统中，在待测物体周围通常放置一个或多个基准尺，基准尺的长度要求精确并且已知，以确保测量系统所测量的结果中测量坐标系的长度值十分精确。所以基准尺的制造误差、受热受力的变形等因素都会对测量精度造成影响。因此，为了减少基准尺所带来的误差，一般在基准尺的制造工程中，会选用不易变形的材料，基准尺的长度用精度较高的激光跟踪仪等测量。

2 近景测量技术的特点及其在航空制造中的应用

2.1 近景测量技术的特点

近景测量技术具有如下特点[17]：

(1) 测量精度高。近景测量单相机测量系统中，在配置较高的情况下，相对测量精度可以达到5 μm+5 μm/m。

(2) 测量效率高。系统可以在短时间内获得上万个待测数据点的信息。

(3) 稳定性能好。在测量环境较为恶劣的情况下，如振动、高低温、高低压、有毒有害等环境，依然可以实现高精度测量。

(4) 可以无接触测量。在测量时，利用PRO-SPORT投点器进行布点，可以实现无接触测量，对被测物体没有损坏。

与其他工业测量技术相比，近景测量技术在测量精度、测量范围、测量效率等方面均有特有的优势。表2为各工业测量系统优缺点对比。

2.2 近景测量技术在航空制造中的应用

由于近景测量技术相比其他测量技术而言，有诸多明显的优势，因此其在航空制造业得到了广泛的应用。近景测量技术测量精度高，测量范围大的特点，可以利用近景测量技术测量较大物体并能保证很高的测量精度，所以近景测量技术大多应用于飞机零部件几何特征测量与全机水平测量。

表2 各工业测量系统优缺点

2.2.1 零部件几何特征测量

航空制造领域对于零部件加工和装配的精度要求很高，并且零部件几何特征较为复杂。对已经加工或是装配好的零部件进行近景测量，以确认零部件的几何特征是否符合质量检测的要求。图5是波音公司利用V-STARS测量系统对波音777副翼夹具进行了测量。测量了副翼夹具上关键点的坐标信息，检测了夹具上槽、轮廓等部分的位置信息以及副翼夹具的其他特性。近景测量系统还适用于装配对接零部件的测量，测量零部件接口部分的几何信息，以保证两个零部件能够完整对接。

图5 波音777副翼夹具测量

2.2.2 全机水平测量

近景测量技术还可以用于飞机的全机水平测量。操作人员用来检查飞机成品整体的外形结构、重要部件的尺寸大小、以及飞机试飞前后关键点的变形情况等，从而达到实现对飞机成品的质量检测。利用近景测量系统可以高精度、快速地测量飞机外形，操作者只需几十分钟，便可完成整机测量，相比传统方法大大提高了测量效率，同时也将测量精度提高到μm级。图6为国产大飞机研制过程中，使用V-STARS近景测量系统对飞机外形进行测量。

图6 国产大飞机利用近景测量系统测量外形

近景测量技术由于其测量效率高，同时可以测量成千上万个数据点，所以可以应用于逆向反求测量中。

2.2.3 逆向反求测量

在航空制造领域中，可以利用近景测量系统对一个已经制造好的零部件进行逆向反求测量，采集零部件表面密集的众多点的坐标信息，建立其数字模型。通过在待测物体上粘贴较密集的若干标志点或是利用投点器向待测物体表面投点，近景测量系统可以快速准确地获得待测物体表面若干密集点的空间坐标信息，从而为数模的建立提供数据。图7为澳大利亚空军对C130战机进行的逆向反求测量。

图7 C130逆向反求测量

当近景测量系统使用投点器进行测量时，可以省去在待测物体上粘贴标志点的过程，使近景测量实现无接触测量，可以在对待测物体没有影响的情况下，对形状变化中的物体进行动态测量。同时由于近景测量技术优异的稳定性，使得该技术在较为恶劣的环境中依然可以保持高精度测量，所以该技术也被应用于风洞实验中的测量。

2.2.4 钣金变形分析

在飞机零部件加工过程中，常涉及钣金结构变形等问题，利用近景测量双相机联机测量系统进行动态测量，测出钣金在加工过程中的形状变化，从而为受力分析等提供数据[18]。同时，在风洞试验中，使用近景测量系统，可以实时检测出实验过程中飞机零部件的性能和形状变化等信息[19]。

3 近景测量技术展望

3.1 近景测量技术的不足之处

近景测量技术相比其他测量技术，具有高精度、高效率、稳定性强等特点，使得其在航空制造中得到了广泛的应用。当然，该技术也存在以下不足之处：

(1) 自动化程度低。近景测量技术在单机脱机测量时，因其需要事先在待测物体上粘贴标志点和编码点，待测物体越大，粘贴点的数量就越多，人工工作量大，降低了测量的效率。同时，拍照过程需要人工进行，自动化程度低。

(2) 无法测量空间狭小的测量点。近景测量技术通常需要相机与待测物体间保持1 m以上的距离，以保证测量结果可以达到最佳精度。对于空间较为狭小的待测点而言，会因没有足够的测量空间，而无法进行测量。

3.2 近景测量技术在航空制造中的展望

近景测量技术自上世纪30年代问世，到现在已经经过了几十年的发展。几十年来，近景测量技术无论从硬件设备还是软件算法都推陈出新，发生着日新月异的变化[20]。近年来，国内各高校、企业也不断引进国外先进技术，并逐步研发国产近景测量技术[21-23]。未来近景测量技术在航空制造中的发展可以概括为如下几个方面：

(1) 在飞机部件对接过程中的应用。利用近景测量系统可以实现动态测量的特点，可以对飞机部件对接过程进行监控，通过测量飞机部件当前位置的坐标信息并与最终对接位置进行比对，计算部件还需移动的方向和距离，从而确保对接的精确性。

(2) 在飞机自动钻铆机器人中的应用。使用近景测量系统可以实时输出待加工点的坐标并指导飞机自动钻铆机器人完成钻铆工作。利用近景测量系统测量出机器人需要移动的轨迹，并引导其自动移动到指定位置。同时，可以监控机器人加工刀具中心点位置坐标，从而保证机翼等钻孔和铆接工位的定位精度。

(3) 在飞机起飞与着陆过程监视中的应用。利用近景测量系统的及时性与高效性，可以对飞机起飞与着陆过程进行摄影测量，从而分析飞机起飞与着陆过程中，飞机各零部件的性能、变形情况等信息。

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Study on the Technologies of Close Range Photogrammetry and Applications in the Manufacture of Aviation

ZHAO Boya1, ZHANG Chengyang2, JING Xishuang2

(1. Beijing 101 Middle School, Beijing 100091, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100083, China)

In recent years, the technologies of close range photogrammetry have been widely used in the manufacture of aviation, so the technologies of close range photogrammetry and applications are studied. This article describes the composition of a close range measurement system and the close range measuring equipment produced by companies at home and abroad. The taking of measurement points and the calibration of close range photogrammetry are discussed. The advantages and disadvantages of close range photogrammetry are summarized. The applications of close range photogrammetry in the manufacture of aviation are described.

close range photogrammetry; measurementaccuracy; camera calibration; reverse; manufacture of aviation

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030509

A

2095-302X(2018)03-0509-06

2017-12-02；

2018-01-08

赵博雅(2000–)，女，北京人，北京一零一中学。E-mail：XavierC1993@163.com

景喜双(1983–)，男，吉林公主岭人，助理研究员，博士。主要研究方向为飞机数字化测量技术。E-mail：tom@buaa.edu.cn