大尺寸計(jì)量技術(shù)在飛艇測量中的應(yīng)用

王勤儉+陽志勇+管鵬舉+吳平+丁艷萍

摘要：文章首先介紹大尺寸計(jì)量定義、大尺十計(jì)量技術(shù)及測量儀器發(fā)展情況；然后針對湖南航天有限責(zé)任公司某大型飛艇嚢體外形結(jié)構(gòu)尺寸測量需求，分析一種基于3D攝影測量裝置的大尺寸計(jì)量技術(shù)，并簡要闡述了校準(zhǔn)方法。

關(guān)鍵詞：大尺十計(jì)量；3D攝影；飛艇測量；校準(zhǔn)

2002年，美國Estler⑴在文獻(xiàn)“Large-scalemetrology-anupdate”中，總結(jié)大尺寸計(jì)量的特點(diǎn)是通過光線在空氣中的傳播將測量儀器與測量物體之間的信息進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移可以是被動的，如攝影測量；也可以是主動的，如激光跟蹤儀。

近年來，大尺寸計(jì)量發(fā)展己經(jīng)演變成一種精密的工程測量，其中使用激光跟蹤儀測量點(diǎn)到點(diǎn)距離的不確定度為2?70pm，采用多邊激光測量技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下測量不確定度可以達(dá)到1X10測量要素也從單一的角度、長度測量擴(kuò)展到坐標(biāo)測量和形狀測量[2]。大尺寸計(jì)量技術(shù)的發(fā)展使得原有的量傳體系己經(jīng)不能滿足要求，首先測量范圍不夠大，1?2m標(biāo)準(zhǔn)器無法在連續(xù)幾十米的范圍內(nèi)將標(biāo)準(zhǔn)距離復(fù)現(xiàn)，測量精度有限；另外傳遞的標(biāo)準(zhǔn)要素單一，很少能夠?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)傳遞。因此，應(yīng)用大尺寸測量及校準(zhǔn)技術(shù)的研究成為計(jì)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

湖南航天有限責(zé)任公司自主研制了多種型號的大型飛艇，飛艇囊體具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，如何評價(jià)飛艇囊體空間尺寸是否符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求成為生產(chǎn)中最常見問題，本文就這一問題提出一種基于3D攝影測量裝置的大尺寸計(jì)量技術(shù)，并簡要介紹校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量控制和質(zhì)量評定。

1大尺寸計(jì)量技術(shù)及測量儀器的發(fā)展

20世紀(jì)90年代以前，利用獨(dú)立元素測量技術(shù)解決工程中的幾何量測量問題，大尺寸計(jì)量技術(shù)包含有角度測量和長度測量，涉及光學(xué)對準(zhǔn)、經(jīng)緯儀測角、采用自準(zhǔn)直法和光電探測技術(shù)進(jìn)行小角度測量、基線尺測距、基于相干光和發(fā)射時(shí)間原理的絕對測距等。

20世紀(jì)90年代以后，采用多元素融合測量技術(shù)精密高效地解決工程中的幾何量測量問題，大尺寸計(jì)量技術(shù)包含有激光跟蹤技術(shù)、3D掃描測量技術(shù)、絕對距離測量技術(shù)、空間支導(dǎo)線測量技術(shù)等，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了環(huán)境修正問題。涉及基本理論有坐標(biāo)測量原理、坐標(biāo)變換、幾何形狀與幾何元素、數(shù)據(jù)分析（最小二乘擬合算法、樣條曲線、三角網(wǎng)格剖分）、多站三維測量網(wǎng)的定向等[3]。

傳統(tǒng)的光學(xué)工具測量技術(shù)己逐漸被智能化空間坐標(biāo)測量技術(shù)所取代。從20世紀(jì)80年代初，面向現(xiàn)場的便攜式坐標(biāo)測量不斷出現(xiàn)，其中具有代表性的有：經(jīng)緯儀及經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀、激光掃描測量系統(tǒng)、3D數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)和室內(nèi)GPS系統(tǒng)等，人們越來越多地使用這些高精度、可移動式空間大尺寸坐標(biāo)測量系統(tǒng)來完成定位、放樣、檢查和校準(zhǔn)等測量任務(wù)。

大尺寸測量儀器發(fā)展趨向于高精度、高效率、大范圍、多功能，由于與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件相結(jié)合，還可以對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、為加工生產(chǎn)制定決策，未來的工業(yè)生產(chǎn)將越來越依賴于大尺寸測量儀器所提供的計(jì)量保證。

2大型飛艇的嚢體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

現(xiàn)代大型飛艇一般采用軟式囊體結(jié)構(gòu)，常見外形有橄

欖型單囊體結(jié)構(gòu)、雙囊體結(jié)構(gòu)、三囊體結(jié)構(gòu)。

軟式飛艇結(jié)構(gòu)如圖1所示，軟式飛艇的外形由外氣囊的內(nèi)夕卜壓差來保持。外氣囊主要為浮力氣體及副氣囊的容器，同時(shí)，可以抵抗外界環(huán)境對飛艇的影響而對飛艇起保護(hù)作用。副氣囊里面充滿著空氣，可以在周圍溫度及高度變化時(shí)填充或釋放空氣來保持外氣囊的壓差，并且還可以通過充/放不同副氣囊的空氣來調(diào)節(jié)飛艇的飛行姿態(tài)。另外，副氣囊還能起著調(diào)節(jié)浮力大小的作用，工作原理與潛水艇相同。

外形空間尺寸和體積測量是大型飛艇在測試中的一個(gè)重要工作過程，飛艇充氣后，現(xiàn)場實(shí)際尺寸和體積測量是確認(rèn)飛艇飛行前重要技術(shù)參數(shù)，能夠?yàn)楫a(chǎn)品飛行試驗(yàn)提供安全可靠參考數(shù)據(jù)。在飛行試驗(yàn)場中受到外界風(fēng)場等因素影響，對于直徑覆蓋3?20m且形狀不規(guī)則的大型飛艇，如果僅依靠傳統(tǒng)的測量方法，不僅工作量繁重，且耗時(shí)長，不能準(zhǔn)確快速地獲得測量結(jié)果，顯然不適用于實(shí)際測量。通過使用3D攝影測量裝置就能快速解決此問題，運(yùn)用全站儀實(shí)現(xiàn)大尺寸計(jì)量技術(shù)使現(xiàn)場測量精度得以保證。

33D攝影測量裝置及大尺寸計(jì)量技術(shù)應(yīng)用

3.13D攝影測量裝置及測量原理

本文所述的3D攝影測量裝置包括：6套固定測量相機(jī)、2?4臺移動測量相機(jī)、通信模塊組及相關(guān)電纜等，如圖2所示。

攝影測量裝置工作原理是以多相機(jī)聯(lián)合作為傳感器，基于計(jì)算機(jī)視覺原理，結(jié)合攝影測量、三角交匯測量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體的坐標(biāo)測量，其是一種滿足通視條件的非接觸式測量，通過軟件將空間場景進(jìn)行三維重構(gòu)，進(jìn)而在三維模型上實(shí)現(xiàn)對被測物體三維尺寸的測量。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)被測飛艇囊體處于不同風(fēng)場環(huán)境和體積大小，選擇2?4臺移動測量相機(jī)和6套固定測量相機(jī)來確保準(zhǔn)確、快速完成現(xiàn)場測量工作。固定測量相機(jī)分兩排布置于被測飛艇囊體兩側(cè)，每一側(cè)布置3套測量相機(jī)；被測飛艇囊體大小直徑覆蓋3?20m，為了減少人工冗余勞動、保證測量的完整性，現(xiàn)場采用4套移動測量相機(jī)分別對艇體頂部和底部進(jìn)行拍攝。通信模塊組用于控制、存儲拍攝的照片，通過測量系統(tǒng)軟件處理成可測量的三角網(wǎng)模型，重構(gòu)飛艇三維模型后，通過對三維模型進(jìn)行測量得到飛艇囊體的長度、面積和體積。

3.2攝影測量相機(jī)參數(shù)標(biāo)定與大尺十計(jì)量技術(shù)

飛艇攝影測量的主要研究內(nèi)容是將被測飛艇囊體所處

空間場景從數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行三維重構(gòu)。相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的三維重構(gòu)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，且相機(jī)參數(shù)標(biāo)定精確度直接影響最終測量結(jié)果。

三維重構(gòu)后的飛艇是由多組圖像拼接成的多曲面封閉結(jié)構(gòu)體，為確保得到準(zhǔn)確的空間模型，在攝影測量前，通過構(gòu)建一個(gè)現(xiàn)場校準(zhǔn)場，在校準(zhǔn)場中布設(shè)貼有標(biāo)志點(diǎn)的精密標(biāo)定桿（作為校準(zhǔn)點(diǎn)），使用全站儀測量校準(zhǔn)點(diǎn)和飛艇的囊體表面控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，建立具有絕對尺度的坐標(biāo)系。用測量型相機(jī)對位置己知的現(xiàn)場校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行拍攝，然后利用現(xiàn)場校準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)和在各測量型照相機(jī)所成圖像中的位置，計(jì)算得到測量型照相機(jī)的一系列參數(shù)，最終使得現(xiàn)場測量重構(gòu)得到的校準(zhǔn)點(diǎn)三維坐標(biāo)與校準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際的三維坐標(biāo)之間的誤差（例如均方誤差）為最小，這整個(gè)過程就是3D攝影測量裝置的校準(zhǔn)，也是大尺寸計(jì)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。endprint

本文運(yùn)用全站儀實(shí)現(xiàn)3D攝影測量裝置的現(xiàn)場校準(zhǔn)，涉及以下兩個(gè)方面的大尺寸計(jì)量技術(shù)。

3.2.1運(yùn)用全站儀的坐標(biāo)系建立技術(shù)

全站儀是一種基于光機(jī)電一體化技術(shù)研制出來的高端測量儀器，主要可以用來測量水平角、垂直角、距離（斜距和平距）、高差等一些物理量。全站儀測量系統(tǒng)是利用空間極坐標(biāo)的原理來進(jìn)行測量的，可以同時(shí)進(jìn)行距離的測量和角度的測量。只需一個(gè)單一的裝置就可以完成測量任務(wù)，使用靈活方便，測量距離遠(yuǎn)，適用于大范圍的測量。

坐標(biāo)系的建立過程：建立坐標(biāo)系的方法依據(jù)三角交匯原理，利用參考桿（精密標(biāo)定桿）將兩臺相機(jī)統(tǒng)一到同一個(gè)測量坐標(biāo)系下，參考桿長度可根據(jù)被測空間的大小進(jìn)行選擇。每個(gè)桿上嵌有數(shù)量不等的精密標(biāo)志點(diǎn)，相鄰兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的距離己經(jīng)預(yù)先標(biāo)定過。首先相機(jī)瞄準(zhǔn)被測物體（注意：相機(jī)無須進(jìn)行水平調(diào)準(zhǔn)其次將參考桿放置在測量空間內(nèi)（方向不限），按下相機(jī)曝光按鈕，完成一次測量：然后改變參考桿的放置方向，重復(fù)測量多次，參考桿放置的位置最好能夠包容整個(gè)測量空間。這樣獲得的信息可以很快地建立起系統(tǒng)坐標(biāo)系，此時(shí)相機(jī)的方向與位置可以精確獲知，所需的測量空間也被完整地描述出來。

3.2.2測量相機(jī)參數(shù)校準(zhǔn)及測量技術(shù)

測量相機(jī)參數(shù)校準(zhǔn)方案視作一個(gè)黑盒模型A，測量方案視作另一個(gè)黑盒模型B，如圖3所示。

黑盒模型A輸入量是：全站儀的直接觀測數(shù)據(jù)（角度和距離）、固定式量測型相機(jī)拍攝的照片、固定式相機(jī)的內(nèi)方位元素（IOP）。

黑盒模型A中間結(jié)果是：地面控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XYZ）、人工標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XYZ）、照片上量測的人工標(biāo)志點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)（xy）。

黑盒模型A輸出是：固定式相機(jī)的外方位元素（EOP）。黑盒模型B輸入是：固定式和移動式相機(jī)的IOP、固定式相機(jī)的EOP、人工標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XYZ）、定式和移動式相機(jī)拍攝的照片。

黑盒模型B中間結(jié)果是：照片上大型飛艇表面的大量特征點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)（xy）、這些特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XYZ）。

黑盒模型B輸出是：由特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)（XYZ）擬合得到的飛艇三維模型、飛艇的空間尺寸和體積。

3D攝影測量裝置的現(xiàn)場校準(zhǔn)主要完成對測量相機(jī)外參數(shù)標(biāo)定，測量相機(jī)內(nèi)參數(shù)預(yù)先通過專業(yè)室內(nèi)校準(zhǔn)完成。測量相機(jī)外參數(shù)現(xiàn)場標(biāo)定及測量過程流程如圖4所示。

4結(jié)語

在介紹大尺寸計(jì)量定義及測量儀器發(fā)展基礎(chǔ)上，分析一種應(yīng)用于某大型飛艇囊體外形結(jié)構(gòu)尺寸測量的3D攝影

測量裝置，總結(jié)該裝置工作原理和校準(zhǔn)方法，為深入研究大尺寸空間測量技術(shù)及校準(zhǔn)技提供了思路。本項(xiàng)目研究成果對大型艇庫或試驗(yàn)場中的飛艇，能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行外形尺寸與體積校準(zhǔn)檢測，應(yīng)用前景較好。

[參考文獻(xiàn)]

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