無棱鏡全站儀在浮空器參數(shù)測量中的應(yīng)用

杜一鳴

摘 要：文章借鑒巨大尺寸零件逆向重構(gòu)技術(shù)的概念，提出了一種應(yīng)用無棱鏡全站儀進(jìn)行浮空器參數(shù)測量的方法，并分析了該方法的可行性以及測量精度。通過結(jié)合CATIA軟件進(jìn)行三維曲面建模，不僅達(dá)到了進(jìn)行參數(shù)測量的目的，而且得到了浮空器外形三維模型，提高了浮空器試驗試飛階段試驗數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：全站儀；浮空器；參數(shù)測量；三維模型

引言

浮空器去年由軟式復(fù)合材料制成，對其外形尺寸進(jìn)行精確控制的難度較大。對于同一型號產(chǎn)品，每個個體之間的參數(shù)存在一定的差別。另一方面，浮空器氣囊外形參數(shù)與氣球技術(shù)指標(biāo)直接相關(guān)，試驗試飛過程中數(shù)據(jù)分析也依賴浮空器各種參數(shù)的測量結(jié)果。所以，為了得出每個氣球的準(zhǔn)確外形參數(shù)，同時也是為了研究氣球加工工藝的特性，需要對每個氣球的幾何參數(shù)進(jìn)行測量。

由于浮空器尺寸一般較大，長度基本在20m以上，大型浮空器產(chǎn)品長度可以達(dá)到100m以上。因此，使用傳統(tǒng)的測量工具對浮空器進(jìn)行參數(shù)測量比較困難、精度較低，而且工作效率低下。

針對以上問題，我們選用無棱鏡全站儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量工具，以提高參數(shù)測量精度、增加可測量項目并提高測量工作的效率。

1 無棱鏡全站儀

1.1 無棱鏡全站儀測距的原理

無棱鏡測距又叫無接觸測距，指的是全站儀發(fā)射的光束經(jīng)過自然表面反射后直接測距。

常見的徠卡TCRA1101測距的基本原理是在全站儀測距頭中安裝有兩個光路同軸的發(fā)射管：一種是IR（Infra Red）測距方式，可以發(fā)射利用棱鏡和反射片進(jìn)行測距的紅外光束，波長為780mm，單棱鏡測程為3000m；另一種是RL（Red Laser）方式，可以發(fā)射可見的紅色激光束，波長為670mm，無反射棱鏡測程可以達(dá)到250m，這兩種測量模式可以通過儀器鍵盤上的操作。兩種方法均為相位法測距原理，相位法測距采用很細(xì)的測量光束就可以完成測量，很細(xì)的激光束使得相鄰非常近的兩個點也能被準(zhǔn)確的測量出來，很容易得到該點的點位三維坐標(biāo)信息。

1.2 無棱鏡全站儀數(shù)據(jù)采集和傳輸

無棱鏡全站儀具有自動采集并儲存測量數(shù)據(jù)的功能，可將數(shù)據(jù)存儲于全站儀的內(nèi)存或者CF卡上。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，可通過數(shù)據(jù)電纜將外業(yè)所測的碎部點數(shù)據(jù)自全站儀傳輸?shù)接嬎銠C(jī)并以數(shù)據(jù)文件的形式保存。這些功能大大減少了工作人員記錄數(shù)據(jù)的工作量，避免了人為因素造成的數(shù)據(jù)丟失和錯誤。

2 無棱鏡全站儀參數(shù)測量方法

2.1 測量目標(biāo)選取

由于去年外形為旋轉(zhuǎn)體，理論上測量出氣囊的母線即可得出氣囊外形參數(shù)。不過，為了提高測量精度，我們可以選取更多的點，以達(dá)到測量多條母線的目的，這樣可以根據(jù)測量結(jié)果驗證氣囊外形的一致性的程度。并且根據(jù)氣囊不同位置母線的差異，擬合出更準(zhǔn)確的氣囊實際外形。同時，為了研究氣囊周向尺寸的一致性，也可以選取幾條氣囊周向曲線進(jìn)行測量，這樣可以得到更全面的外形參數(shù)數(shù)據(jù)。

由于副氣囊、整流罩和尾翼的外形屬于不太規(guī)則的幾何形狀，因此這樣部件的測量過程中，應(yīng)增加測量曲線的數(shù)量，提高這些部件外形建模的精度。

特征曲線必須包括氣囊與副氣囊、氣囊與整流罩、氣囊與尾翼的交線，這樣交線用于三維建模過程中將各個部件的三維模型整合到一個模型中。

2.2 特征點標(biāo)記

氣囊是由多片裁片熱合成形，裁片在制作的過程中可以通過裁床準(zhǔn)確定位并標(biāo)記特殊點。因此，可以在設(shè)計階段即確定需要測量的曲線，然后根據(jù)精度要求和各個曲線的曲率在這些曲線上選取一定數(shù)目的特征點。氣囊的特征點需要包含頭部堵頭的中心點和尾部堵頭的中心點。定出特征點后，在裁片設(shè)計圖上標(biāo)記出這些點，這樣就可以通過裁床使用“十”字標(biāo)記的方式將各個特征點標(biāo)記出來，為方便辨認(rèn)，每個特征點旁邊都需要按一定規(guī)則編上序號。

2.3 特征點的測量

（1）待氣囊生產(chǎn)完成后，向氣囊內(nèi)充氣至氣囊內(nèi)外壓差達(dá)到400pa，并在測量過程中保持氣囊內(nèi)外壓差在（400pa±50pa）的范圍內(nèi)。

（2）在氣囊內(nèi)最大截面附近墊一塊木板，木板外面必須用帆布包裹以免損傷氣囊。

（3）將無棱鏡全站儀架設(shè)于氣囊內(nèi)部，調(diào)平。

（4）按照特征點的序號依次測量氣囊內(nèi)特征點的三維坐標(biāo)并記錄。

（5）按照步驟（1）到步驟（4）的方法依次測量副氣囊、整流罩和尾翼內(nèi)的特征點并記錄。

2.4 數(shù)據(jù)處理

氣囊所有特征點坐標(biāo)測量完成后將坐標(biāo)輸入CATIA軟件建點并擬合氣囊母線和橫截面曲線。根據(jù)多條母線的橫截面的測量結(jié)果評估氣囊外形與理論外形的差別，從而統(tǒng)計出氣囊加工過程中的變化趨勢。

將所有部件的三維模型都建立出來之后，可以通過相交曲線相合的方式將整個球體裝配起來。

2.5 精度分析

以常見的徠卡TCRA1101無棱鏡全站儀為例，其距離80m以內(nèi)的三維坐標(biāo)測量精度由于3mm。以氣囊體積計算為例，實際坐標(biāo)點與測量坐標(biāo)點之間的距離為：

△H=■

根據(jù)誤差傳播定律，△H約為5.7mm。設(shè)浮空器氣囊表面面積為S，可知，氣囊實際體積和根據(jù)測量結(jié)果建模后得出的體積之間的誤差△V<△H ×S。根據(jù)以往型號參數(shù)計算可知△V/V<0.32%，完全滿足設(shè)計精度需求。

3 結(jié)束語

通過無棱鏡全站儀的應(yīng)用，提高了浮空器參數(shù)測量的精度并增加了參數(shù)測量的項目，由此可以分析出球體加工工藝一致性的程度。另外，通過結(jié)合CATIA軟件進(jìn)行三維曲面建模，得到了浮空器實際三維模型，提高了氣球試驗試飛過程中數(shù)據(jù)分析的可靠性。

無棱鏡全站儀的應(yīng)用提高了浮空器參數(shù)測量的自動化程度，減少了人為因素造成的數(shù)據(jù)丟失和記錄錯誤，提高了工作質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]邱建平，高永剛，謝波.無反射棱鏡全站儀測距性能測試[J].測繪工程，2005（6）.

[2]常玲，伍吉倉.全站儀無棱鏡測量邊緣點三維坐標(biāo)的一種新方法[J].測繪通訊，2019（4）.

[3]殷義勇，鄧穎，姜銘，等.大尺寸三維坐標(biāo)測量方法研究[J].科技與管理，2011（4）.

[4]范百興，夏治國.全站儀無棱鏡測量即精度分析[J].北京測繪，2004（1）.

[5]高井祥，張書畢，汪應(yīng)宏，等.測量學(xué)[M].江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[6]孫文磊，黃艷華.巨大尺寸零件逆向重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究[J].新疆大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（4）.