数字化测量设备站位规划研究进展

熊涛

摘 要：数字化测量设备因测量精度高、自动化水平高及测量速度快等优点，在航空航天、机械制造及工程测量等领域被广泛应用。在测量时，需要根据被测物体的外形特征与设备的测量特性等情况考虑测量设备的站位布设问题，文章阐述和总结了国内外数字化测量设备站位规划的研究进展，为实际测量提供参考。

关键词：数字化测量; 站位规划; 研究进展

中图分类号：TN249 G210       文献标识码：A    文章编号：1006-3315（2021）1-176-002

一、数字化测量设备概述

随着测量技术的不断进步，测量速度快、测量精度高与自动化程度高的数字化测量设备逐渐取代了以度量尺、卡板等模拟量测量工具，被大量应用于飞机装配、零件制造、工程勘测等场合。数字化测量设备随着数字化测量技术的不断发展而不断改进，目前比较流行的有激光跟踪仪、激光雷达与iGPS等。在测量时，先用数字化测量设备测量物体表面特征点以获取三维点云数据，再對数据进行降噪处理，剔除异常值，然后对三维点云的质量进行检验，当点云质量合格时，拟合点云数据便得到被测物体的三维测量模型[1]。

激光跟踪仪（Laser Tracker）是一种大尺寸测量设备，不仅可以测量静止的目标点，而且可以跟踪运动着的目标并实时测量该目标的三维坐标数据。它具有测量精度高、测量效率高、实时跟踪测量、使用方便等优点，在测量大尺寸物体的场合是非常适用的。其组成部分包含角度测量部分、距离测量部分、跟踪控制部分、激光跟踪仪控制器部分及支撑部分等[2]。其工作原理为：在待测点放置一个靶球镜，激光跟踪仪光源发射的激光束入射靶球镜，然后激光束被靶球镜反射回跟踪头，检测系统接收该反射光束以用于计算被测点的三维坐标，如果被测点是运动的，则激光跟踪仪调整激光束的方向以实时跟踪测量被测点的位置。

激光雷达（LIDAR）是一种非接触式的测量设备，具有操作简单、适用面广、自动测量等优点，被用于测量目标点的三维坐标值及外形特征[3]，主要包含激光发生器、激光接收器和激光信号处理系统等部分。其工作原理是：内部的激光发生器发出激光信号，激光信号在被测目标点处被反射，激光接收器接收反射信号，然后处理系统比较反射的激光信号与发射的激光信号以计算被测点的位置。

iGPS是在GPS技术的基础上研发出来的一种数字化测量设备，主要包含红外激光发射器、接收器、基准尺、坐标解算处理器及测量软件等部分，在测量时，接收器接收多台红外激光发射器发出的信号，内部处理器再进行解算即得到目标点坐标值[4]。

二、测量站位规划研究进展

在使用数字化测量设备测量物体外形时，需要将测量设备放置在合适的站位，当在一个站位下不能测量物体的全部外形特征时，则需要移动测量设备，使测量设备在新的站位下测量剩余的物体外形特征。目前许多工作人员在执行测量任务时，凭借测量经验与自身感觉布设测量设备，缺乏科学的理论依据指导，容易出现重复测量、漏测等情况，且测量效率低，测量所花时间和成本高，故相关科研工作者对数字化测量设备的站位规划进行了大量研究。通过阅读相关研究文献，总结出数字化测量设备的站位规划研究主要集中在以下五个大的方面：①被测物体的外形特征;②测量设备的测量特性;③测量设备的测量精度;④测量设备的激光可达性;⑤测量设备的站位数量。

①被测物体的外形特征。物体的表面是由无数个待测特征点组成的，在测量时，需要根据待测特征点的分布情况来布设测量设备的合适站位。杨晓辉[5]在Visual Studio 2005开发环境下，基于CAA开发测量仿真软件，将待测物体的三维模型导入该软件，提取并离散待测曲面特征，再基于K-Means聚类算法实现待测特征点的聚类划分，以此将待测物体的表面划分为若干个测量区域，在测量时，每个测量区域对应一个测量站位，使用测量设备测完一个区域便转站去测另一个区域，因此该站位规划方法使得重复测量与漏测等情况的出现概率大大降低，提高了测量效率，规范了测量过程。

②测量设备的测量特性。每台数字化测量设备都有自身的可测量范围，超过该范围时便不能进行测量。杨晓辉[5]以型号为Leica AT901-MR的激光跟踪仪为研究对象，根据激光跟踪仪的最远测量距离、垂直方向测量范围、水平方向测量范围及靶球反射镜的可入射范围构建了激光跟踪仪测量单元模型，在实际测量时，所布设的激光跟踪仪站位要满足该模型，否则便不能实现对目标点的测量。

③测量设备的测量精度。数字化测量设备都是有一定测量误差的。在实际测量中，往往要求所测数据在所规定的误差范围内，因此测量设备必须放置在满足测量精度的站位下。以激光雷达为例，其测量精度受到测量入射角与测量距离的影响。对此，张阳[6]提出了采用控制变量法分别研究入射角与距离对激光雷达测量精度的影响的实验方案，并根据所提方案开展测量实验，在实验中，他利用型号为MV260的激光雷达去测量平面实验件，然后处理测量数据并建立测量精度数学模型，最后将该数学模型应用于后续的飞机襟翼测量实例中，检测出了不满足测量精度的站位。

④测量设备的激光可达性。对于以激光来测量物体外形的数字化测量设备而言，所发出的激光束在到达待测目标点之前不可以被障碍物挡住，否则便不能测量目标点的位置。目前激光可达性的检测方法主要有两种：一是干涉求交法，二是屏幕空间变换法。杨晓辉[5]在规划仿真软件中，以细长圆柱代替激光束，利用布尔运算使细长圆柱与可能的障碍物进行干涉求交，以此来判断激光束是否被遮挡。Kong Zhenyu[7]等提出屏幕空间变换法，朱绪胜[8]等采用该方法，将立体空间的干涉求交问题转换成平面空间的求交问题，然后通过二次开发，在CATIA中编写算法并实现了可视性分析，最后以某实验装配型架为例验证了算法的可行性与有效性。

⑤测量设备的站位数量。在使用数字化测量设备测量物体外形时，应使测量设备在一个站位下能够测量尽量多的特征点，以减少所布设的站位数量、减少转站次数与提高测量效率。

三、结束语

合理规划数字化测量设备的站位，有助于提高测量效率、规范测量过程、降低多测与少测情况的出现概率、以及节约时间与成本，国内外研究者对此开展了相应的研究并取得了不错的成果，对于实际测量有不错的参考价值与指导意义。

参考文献：

[1]何延松，王丽芬.机载激光雷达测量技术及应用[J]北方交通，2019（07）：70-74

[2]李广云.LTD500激光跟踪测量系统原理及应用[J]测绘工程，2001（04）：3-8

[3]朱峻可，李丽娟，林雪竹.激光雷达测量系统的测量场规划研究[J/OL]激光技术：1-13[2020-11-26]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20200109.1317.002.html

[4]康海东，范百兴，李宗春，等.iGPS测量原理及其精度分析[J]测绘通报，2012（03）：12-15

[5]杨晓辉.面向飞机大部件的数字化测量站位规划方法[D]南京航空航天大学，2016

[6]张阳.基于激光雷达的飞机大型构件测量站位规划研究[D]南京航空航天大学，2019

[7] Kong Zhenyu， Huang Wenzhen， Ceglarek Dariusz. Visibility Analysis for Assembly Fixture Calibration Using Screen Space Transformation[J]Journal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127（3）

[8]朱绪胜，蔡志为，郑联语，等.基于屏幕空间变换的大型装配型架测量可视性分析[J]计算机集成制造系统，2013，19（06）：1321-1328