攝影測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

候偉，王聲，羅宇，侯志鵬，魯鐘文

[摘? ? 要]攝影測(cè)量技術(shù)屬于近年來(lái)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域中最前沿的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)之一，它以較低的經(jīng)費(fèi)、靈活的操作、較高的檢測(cè)精度、大部件及大測(cè)量范圍等特點(diǎn)在數(shù)字化制造及檢測(cè)領(lǐng)域得到了迅速的推廣。文章介紹了攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成、攝影測(cè)量技術(shù)的原理及特征，并選取典型裝配件對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的實(shí)施方案及檢測(cè)步驟進(jìn)行討論。

[關(guān)鍵詞]攝影測(cè)量;反光標(biāo)志;基準(zhǔn)尺;激光跟蹤儀;V-STARS軟件;Geomagic軟件

[中圖分類號(hào)]V262.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）02–00–03

Application of Photogrammetry Technology in Aircraft Assembly

Hou Wei，Wang Sheng，Luo Yu，Hou Zhi-peng，Lu Zhong-wen

[Abstract]Photogrammetry technology is one of the most advanced digital inspection technologies in the field of aircraft assembly in recent years. It has been rapidly popularized in the field of digital manufacturing and testing due to its low cost， flexible operation， high detection accuracy， large components and large measurement range. Based on this， the article first briefly expounds the composition of the photogrammetry system， further introduces the principle and characteristics of photogrammetry technology in detail， selects typical assemblies to discuss the implementation plan and detection steps of photogrammetry technology in aircraft assembly， and makes the majority of scientific and technological workers Can quickly understand and master this key and core technology.

[Keywords]photogrammetry; reflective signs; datum ruler; laser tracker; V-STARS software; Geomagic software

由于飛機(jī)大部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形尺寸大的特點(diǎn)，按傳統(tǒng)工藝方法，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形的檢測(cè)往往依賴于工裝卡板、模線樣板等，無(wú)法對(duì)飛機(jī)外形進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，而與其他國(guó)內(nèi)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)手段如：激光跟蹤儀、電子經(jīng)緯儀、電子全站儀、室內(nèi)GPS（iGPS）、激光雷達(dá)相比，攝影測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍的尺寸大、操作靈活、便攜性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性高（不易受溫度變化、振動(dòng)等外界因素的干擾）、無(wú)需開機(jī)預(yù)熱、價(jià)格相對(duì)便宜等諸多卓越優(yōu)勢(shì)，而迅速且廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)裝配測(cè)量領(lǐng)域中。

攝影技術(shù)是通過(guò)照相的方式取得被拍攝的形狀及大小，以設(shè)置的基準(zhǔn)尺為參考，將拍攝的被測(cè)物體進(jìn)行三維空間理論數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化或擬合的一種先進(jìn)測(cè)量技術(shù)。本文所涉及的攝影測(cè)量是以V-STARS系統(tǒng)為核心的。V-STARS系統(tǒng)全稱為Video-Simultaneous Triangulation and Resection System，是一種用于近景攝影的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，由美國(guó)GSI公司于1994年提出，經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐應(yīng)用，該系統(tǒng)性能已得到肯定。V-STARS系統(tǒng)三維測(cè)量相對(duì)精度較高，最高為1/20萬(wàn)，可在熱真空等惡劣環(huán)境中持續(xù)工作，此外，該測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，攝影測(cè)量速度快速，憑借上述優(yōu)勢(shì)，V-STARS系統(tǒng)現(xiàn)已成為國(guó)際熱門數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。從本質(zhì)上來(lái)看，V-STARS系統(tǒng)是以數(shù)字?jǐn)z影為基礎(chǔ)搭建的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，又被稱之為數(shù)字近景攝影視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)、3D光學(xué)圖像測(cè)量系統(tǒng)等。

1 攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成

攝影測(cè)量技術(shù)是由相機(jī)（經(jīng)濟(jì)型或工業(yè)型）、標(biāo)準(zhǔn)尺（用于校準(zhǔn)系統(tǒng)初始精度）、標(biāo)記點(diǎn)（用于被測(cè)量物體拍攝成照片后在軟件中的拼接）、后處理軟件（如：V-STARS、PLOYWORKS、RAPIDFORM，用于點(diǎn)云的處理和重構(gòu)實(shí)物CAD模型與理論CAD模型比較）等部分組成。

2 攝影測(cè)量技術(shù)的原理和特點(diǎn)

2.1 技術(shù)原理

圖1為攝影測(cè)量原理示意圖，是照片經(jīng)軟件處理后獲得的待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，圖1中照片是運(yùn)用美國(guó)GSI公司所生產(chǎn)的高精度INCA3專業(yè)相機(jī)拍攝所得，完成同一物體進(jìn)行不同位置方向拍攝后，可運(yùn)用后處理軟件自動(dòng)化處理INCA3相機(jī)照片，并經(jīng)圖像匹配處理及數(shù)學(xué)算法計(jì)算后得出待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。圖片按照上述流程完成處理后，所得的三維數(shù)據(jù)將被上傳至坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)。在攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用之前，被測(cè)物體需提前貼好回光反射標(biāo)志，或設(shè)置好探測(cè)棒點(diǎn)位，以保障攝影測(cè)量效果。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，具體如下：①精度較高。在10 m范圍內(nèi)，單相機(jī)系統(tǒng)測(cè)量精度可達(dá)0.05 mm。②非接觸測(cè)量。采用光學(xué)攝影的方式開展測(cè)量工作，無(wú)需直接接觸工件即可完成測(cè)量作業(yè)。③測(cè)量時(shí)間短。單相機(jī)系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)完成測(cè)量工作，而雙相機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。④受干擾小。攝影測(cè)量系統(tǒng)在不穩(wěn)定條件下可正常測(cè)量，單相機(jī)系統(tǒng)受溫度因素的干擾較小，而雙相機(jī)系統(tǒng)則可無(wú)視不穩(wěn)定條件完成精準(zhǔn)攝影測(cè)量工作。⑤空間限制小。攝影測(cè)量系統(tǒng)受空間因素的限制較小，即使在0.5 m空間條件下仍可進(jìn)行攝影測(cè)量。⑥數(shù)據(jù)獲取率高。能夠便捷化采集數(shù)據(jù)，可借助計(jì)算機(jī)軟件完成像點(diǎn)的自動(dòng)提取與量測(cè)。⑦適應(yīng)性強(qiáng)。攝影測(cè)量系統(tǒng)可適應(yīng)不同的被測(cè)物尺寸，在0.5 ～100 m可依靠同一套系統(tǒng)進(jìn)行攝影測(cè)量。⑧便攜性佳。單相機(jī)系統(tǒng)可由一人隨身攜帶前往目的地進(jìn)行測(cè)量。

3 攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施方案

3.1 技術(shù)實(shí)施總體方案

整個(gè)攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施的總體流程如圖2所示。

3.2 前期測(cè)量準(zhǔn)備

飛機(jī)部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工作環(huán)境干擾因素較多，在正式攝影測(cè)量之前應(yīng)制定詳細(xì)周密的測(cè)量計(jì)劃，做好前期測(cè)量準(zhǔn)備，使測(cè)量程序有序推進(jìn)。通常情況下，測(cè)量計(jì)劃包含以下內(nèi)容：①對(duì)被拍攝部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并劃分拍攝帶。②整理飛機(jī)部件攝影測(cè)量流程，按照難易程度將測(cè)量區(qū)域劃分為難測(cè)量區(qū)、易測(cè)量區(qū)及特殊測(cè)量區(qū)，同時(shí)針對(duì)特殊測(cè)量區(qū)制定專項(xiàng)拍攝方案。③對(duì)攝影測(cè)量環(huán)境進(jìn)行考察，選擇適宜設(shè)備，進(jìn)一步制定詳細(xì)方案。

3.3 布設(shè)人工標(biāo)志

在攝影測(cè)量期間需運(yùn)用到圓形定向反光標(biāo)志、編碼標(biāo)志兩種人工標(biāo)志。測(cè)量環(huán)境普遍存在一定雜光光源，且飛機(jī)部件表面光潔，缺乏紋理，色調(diào)差異小，在雜光光源干擾下容易產(chǎn)生攝影測(cè)量誤差，因此在攝影測(cè)量前，應(yīng)將圓形定向反光標(biāo)志黏貼于被測(cè)部件表面，或作為激光投點(diǎn)器輔助設(shè)備進(jìn)行拍攝。編碼標(biāo)志在攝影測(cè)量工作中用于完成照片拼接及自動(dòng)化計(jì)算。

上述人工標(biāo)志尺寸及黏貼位置應(yīng)根據(jù)拍攝距離、飛機(jī)部件外形尺寸來(lái)決定，以此確保攝影測(cè)量可真實(shí)客觀地反映出被測(cè)部件的空間形態(tài)及外形特征。

直接借助攝影測(cè)量系統(tǒng)所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅能夠呈現(xiàn)測(cè)點(diǎn)間的位置關(guān)系，無(wú)法表現(xiàn)出部件尺寸數(shù)據(jù)，故在實(shí)際攝影測(cè)量期間，應(yīng)人工設(shè)定基準(zhǔn)尺。結(jié)合V-STARS系統(tǒng)來(lái)看，其基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度多處于1 ～3 m，但由于飛機(jī)部件尺寸存在較大差異，對(duì)于垂平尾、機(jī)身、機(jī)翼等尺寸較大的特殊部位，應(yīng)配備激光跟蹤儀給定基準(zhǔn)尺，避免出現(xiàn)圖像拼接計(jì)算程序，規(guī)避測(cè)量誤差的出現(xiàn)。在大尺寸飛機(jī)部件測(cè)量期間，將激光跟蹤儀靶座（3～6個(gè)）設(shè)置在待測(cè)飛機(jī)部件周圍，確保激光跟蹤儀可完整覆蓋整個(gè)部件，采集各靶座的相對(duì)空間坐標(biāo)，得出靶標(biāo)點(diǎn)間的尺寸，將其視為V-STARS系統(tǒng)標(biāo)志點(diǎn)，同時(shí)采集激光跟蹤儀靶標(biāo)點(diǎn)，借助軟件完成點(diǎn)云對(duì)接后，將尺寸數(shù)據(jù)輸入其中，即可完成尺寸標(biāo)定。

3.4 攝影測(cè)量環(huán)節(jié)

全方位考慮攝影距離、鏡頭視場(chǎng)角、測(cè)量場(chǎng)地、測(cè)量精度等多種因素確定攝影測(cè)量細(xì)節(jié)，飛機(jī)部件多應(yīng)用“局部攝影”的方式進(jìn)行攝影，并通過(guò)“整體解算”的方法，將編碼標(biāo)志視為圖像公共連接點(diǎn)。飛機(jī)部件整體測(cè)量應(yīng)做到均勻拍攝，為消除誤差，可重復(fù)性拍攝重點(diǎn)部位及難點(diǎn)部位，以此逐步得出飛機(jī)部件全貌，飛機(jī)部件影像示意圖如圖3所示。

為便于進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后置數(shù)據(jù)處理，需要進(jìn)行飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系恢復(fù)的工作。飛機(jī)具有自身坐標(biāo)系，可結(jié)合標(biāo)記描述飛機(jī)某些特征，因此在拍攝時(shí)必須采用特殊反光標(biāo)記對(duì)這些特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記拍照，供后續(xù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換使用。

3.5 處理測(cè)量數(shù)據(jù)

受到攝影距離及像機(jī)鏡頭視場(chǎng)角的局限，所拍攝的照片僅涵蓋天線部分，此時(shí)應(yīng)根據(jù)編碼標(biāo)志傳遞各測(cè)站間的位置關(guān)系。在數(shù)據(jù)處理期間，編碼標(biāo)志主要起到測(cè)量已知坐標(biāo)控制點(diǎn)的作用，根據(jù)控制點(diǎn)獲得空間信息，后應(yīng)用后方交會(huì)原理獲得圖像外方位元素，繼而完成圖像的拼接，并良好傳遞測(cè)站坐標(biāo)數(shù)據(jù)。運(yùn)用V-STARS軟件進(jìn)行點(diǎn)云解算計(jì)算的步驟如下：①掃描攝影測(cè)量所得圖像，識(shí)別編碼標(biāo)志;②匹配各圖像中的編碼標(biāo)志，依據(jù)編碼標(biāo)志獲得已知空間坐標(biāo)，按照后方交會(huì)原理將圖像整合至同一坐標(biāo)系內(nèi)，并得出圖像外方位元素。③以外方位元素為基礎(chǔ)，依托于核線匹配原理展開編碼標(biāo)志點(diǎn)同名匹配（圖4）。④應(yīng)用光束法計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，并獲得被測(cè)飛機(jī)部件的外形點(diǎn)云。

V-STARS軟件解算獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)既包含了飛機(jī)部件的真實(shí)外形、尺寸等信息，但同時(shí)也包含了測(cè)量過(guò)程中被測(cè)部件表面不規(guī)則反光點(diǎn)、形體階差、空間噪點(diǎn)等冗余點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理與優(yōu)化。在Geomagic軟件中打開原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)比被測(cè)部件理論數(shù)模及拍攝的照片，刪除原始點(diǎn)云中的冗余點(diǎn)，并對(duì)整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行流型及優(yōu)化處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)柔性、高精度裝配的基礎(chǔ)和核心，其地位和作用也將越來(lái)越顯著。陜飛所開展的攝影測(cè)量技術(shù)的探索性研究工作，是將數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)引入飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中的一次大膽嘗試，通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)的引入，一方面豐富了數(shù)字化裝配的檢測(cè)手段，另一方面通過(guò)攝像測(cè)量系統(tǒng)展開高精度拍攝測(cè)量及控制分析工作，以此提高飛機(jī)裝配精度、提升公司飛機(jī)制造水平奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯宏錄，孫順昌.高速攝影測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)外掛物投放運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用[J].高速攝影與光子學(xué)，1990（1）：88-96.