CN112665523B - 一种复杂型面的联合测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂型面的联合测量方法，属于质心测量领域，解决了单种测量技术手段存在的测量精度低等问题。步骤S1：在复杂型面周边设置靶球转站座，每一靶球转站座上均放置反光标志点靶球，靶球中心包括第一反光标志点；在型面表面选取测试点，每一测试点上均粘贴第二反光标志点；步骤S2：利用拍照式测量***拍摄上述反光标志点，得到其空间坐标值；利用激光跟踪仪测量得到靶球转站座的空间坐标值；步骤S3：基于靶球转站座、第一反光标志点的空间坐标值，优化第二反光标志点的空间坐标值；步骤S4：利用激光扫描仪扫描型面表面，获取初始测量数据；基于优化后的第二反光标志点的空间坐标值矫正初始测量数据，得到型面表面的联合测量数据。

Description

一种复杂型面的联合测量方法

技术领域

本发明属于质心测量领域，具体涉及一种复杂型面的联合测量方法。

背景技术

现阶段，大空间复杂型面产品具有高速、结构复杂、装配精度要求高等特点。因此，在测量大空间复杂型面产品表面的过程中，需要保证所选取的测量方法既能够覆盖检测所有数据、又能够在大空间范围内保持较低的精度损失。

目前，大空间复杂型面产品的测量方法通常采用激光跟踪仪、拍照式测量***或光学扫描仪等测量技术手段。但是，采用单种测量技术手段对大空间复杂型面产品进行测量，存在以下问题：测量方式单一、数据形式覆盖不全面、测量范围存在限制、测量精度不易控制等弊端，无法满足大空间复杂型面产品的检测需求。同时，现有技术中缺少将上述测量技术手段组合以得到大空间复杂型面产品表面的精确测量结果的方法。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种复杂型面的联合测量方法，解决了现有技术中的单种测量技术手段存在测量方式单一、数据形式覆盖不全面、测量范围存在限制或测量精度不易控制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种复杂型面的联合测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：在被测复杂型面的周边设置多个靶球转站座，每一靶球转站座上均放置反光标志点靶球，所述靶球的中心包括第一反光标志点；在被测复杂型面表面选取多个测试点，每一测试点上均粘贴第二反光标志点；

步骤S2：利用拍照式测量***拍摄所述第一反光标志点和第二反光标志点，得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值；以及，利用激光跟踪仪测量得到所有靶球转站座的空间坐标值；

基于所有靶球转站座、第一反光标志点的空间坐标值，优化第二反光标志点的空间坐标值；

步骤S4：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；基于优化后的第二反光标志点的空间坐标值，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面表面的联合测量数据。

在上述方案的基础上，本实施例还进行了如下改进：

进一步，所述步骤S3中包括：

步骤S31：基于所述反光标志点靶球与相应的靶球转站座之间的位置关系，对所述第一反光标志点的空间坐标值进行转换，得到相应靶球转站座的待校准坐标值；

步骤S32：拟合靶球转站座的待校准坐标值与空间坐标值，得到拟合函数关系；

步骤S33：基于所述拟合函数关系，优化所述第二反光标志点的空间坐标值。

进一步，在所述步骤S32中，通过最小二乘法拟合靶球转站座的待校准坐标值与空间坐标值。

进一步，在所述步骤S4中，包括：

步骤S41：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；所述初始测量数据中包含一个或多个第二反光标志点的激光扫描数据；

步骤S42：基于所述第二反光标志点的激光扫描数据与所述第二反光标志点优化后的空间坐标值之间的空间映射关系，得到矫正函数关系；

步骤S43：基于所述矫正函数关系，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面的联合测量数据。

进一步，在所述步骤S2中，利用所述拍照式测量***在不同位置和方向获取包含第一反光标志点和/或第二反光标志点的两幅或多幅图像，处理所述图像得到所述得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值。

进一步，所述第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值、靶球转站座的空间坐标值、初始测量数据，均为同一坐标系下的数据。

进一步，所述靶球转站座、反光标志点靶球、第一反光标志点、第二反光标志点均适用于所述激光跟踪仪。

进一步，所述反光标志点靶球为与激光跟踪仪19.05mm半径靶球同规格的反光标志点靶球。

进一步，相邻两个所述测试点之间的距离在100mm～200mm之间。

进一步，所述拍照式测量***采用高分辨率摄影测量专用相机采集所述图像。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

(1)本发明提供的复杂型面的联合测量方法，采用激光跟踪仪、拍照式测量***和激光扫描仪三种数字化测量方式分别对复杂型面进行测量，然后组合不同测量方式的测量结果，以得到最终的联合测量结果。该方法提供了一种全新的大空间复杂型面(例如大空间尺寸飞行器)的扫描方式，该扫描过程能够用于指导本领域技术人员对复杂型面进行全面、高精度的表面测量；

(2)本发明提供的复杂型面的联合测量方法，能够充分利用激光跟踪仪、拍照式测量***和激光扫描仪三种数字化测量方式各自的优势及相互之间的关联关系，将激光扫描仪采集到的数据精度提高至激光跟踪仪空间测量精度，从而形成高精度标志点测量场框架；

(3)本发明提供的复杂型面的联合测量方法，能够突破传统复杂型面检测过程中对空间大小的限制，大幅提升复杂型面扫描测量数据在大空间范围内的整体精度，测量范围能够达到40m以上，测量不确定度能够缩减为单一扫描测量设备的十分之一，甚至更多。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中线状结构光测距示意图；

图2为本发明实施例中拍照式测量***的测量示意图；

图3为本发明实施例中复杂型面的联合测量方法流程图；

图4为本发明实施例中复杂型面的联合测量结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选发明，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的发明一起用于阐释本发明的原理。

大空间复杂型面的测量方法通常采用激光跟踪仪、拍照式测量***或光学扫描仪等测量技术手段，这几种测量技术手段的工作原理及优缺点介绍如下：

(一)激光扫描仪：

激光扫描仪的测量过程，本质上是一种结构光测距技术，其工作原理是：将单束或多束激光发射至物体表面，通过接收从物体表面返回的激光，处理得到激光距离物体表面每一位置的距离，通过移动激光扫描仪的位置，即可获得激光扫描仪在不同位置获得的表面形状；将激光扫描仪多个位置的扫描数据通过共同的基准拼接起来，就可以获得该物体表面的三维数据。其中，激光扫描仪线状结构光测距示意图如图1所示。需要说明的是，由于利用激光扫描仪实现距离测量的过程为现有技术，因此，在本实施例中，对激光扫描仪的具体工作过程不再做详细描述。

此外，还需要说明的是，激光扫描仪在不同位置获得的物体表面的形状之所以能够拼接，是因为其具备共同基准，也就是激光扫描仪扫描过程中常用的反光标志点。因此，在利用激光扫描仪进行测量的过程中，当激光扫描仪处于某一个位置时，通过激光扫描仪的摄像机记录下当前位置下的多个反光标志点的位置；当激光扫描仪移动到在下一个位置时，测量时记录同样的反光标志点位置，通过这样不断的记录相邻画面中共同的反光标志点，就可以拼接成一个连续的、三维的数据体。因此，在采用激光扫描仪进行测量的过程中，随着测量范围的增大，反光标志点的拼接误差也会逐渐累积起来，从而导致激光扫描仪测量精度的急剧下降。

因此，在对大空间复杂型面进行测量的过程中，若仅采用激光扫描仪获取测量数据，随着测量范围的逐步增加，其反光标志点的拼接误差也会逐渐累积。根据实际经验来说，一般地，当激光扫描仪与被测复杂型面表面之间的距离超过三米范围后，测量数据的拼接误差就会大幅增加，拼接误差的增加会严重影响测量结果的准确性。因此，在采用激光扫描仪实现大空间复杂型面表面测量的过程中，如何控制反光标志点的拼接精度，是需要重点考虑的问题。

(二)拍照式测量***：

拍照式测量***通常采用高分辨率摄影测量专用相机，其工作原理是：移动拍照式测量***至不同的位置和方向，采集被测大空间复杂型面在不同位置和方向下的两幅或多幅数字图像，对采集到的图像进行图像预处理、标志识别与定位、图像匹配、空间三角交汇及光束法平差，从而得到待测反光标志点的三维坐标。需要说明的是，上述图像处理的过程均采用方式实现，因此，本实施例对具体的图像处理过程不再做详细描述。通过上述方式获得待测反光标志点的三维坐标后，即可根据反光标志点的三维坐标对被测大空间复杂型面进行几何尺寸检测、变形测量、逆向工程分析等。采用拍照式测量***进行测量的基本过程如图2所示。

实际测量过程中，拍照式测量***通过图像处理技术手段获得的反光标志点的三维坐标，也就是上述激光扫描仪测量过程中需要用到的反光标志点的三维坐标。考虑到拍照式测量***采用的是相机图像，其测量过程中缺少激光扫描仪的激光来表示距离信息，因此，在采用拍照式测量***进行测量的过程中，需要采用经过标定的基准长度尺来表示距离信息，一般地，可选用1m～2m左右的标准尺。由于拍照式测量***的拍照幅面相比激光扫描仪幅面要大很多，因此，拍照式测量***的测量范围也比激光扫描仪的测量范围要大很多。而在同样的测量范围内，拍照式测量***所获得的图像的拼接误差累积量要远远小于激光扫描仪，因此，在采用激光扫描仪进行测量的过程中，可以引入拍照式测量***，以提高激光扫描仪的反光标志点的空间拼接精度。根据实际经验，一般地，当激光扫描仪与被测复杂型面表面之间的距离在10m～15m范围内时，将拍照式测量***与激光扫描仪组合得到测量结果，明显优于单一的激光扫描仪的测量结果。但是，当所测量的被测复杂型面表面的空间范围明显增大时，基准尺的长度误差、结合多画面的拼接误差就会显现，因此，需要更大空间范围的基准尺来提高拍照式测量***的特征点空间定位精度。

(三)激光跟踪仪

激光跟踪仪的单点定位精度，是现有技术中大范围空间内定位精度最高的技术。考虑到激光跟踪仪强大的定位精度，因此，在利用拍照式测量***进行测量的过程中，可以将激光跟踪仪的空间长度基准作为拍照式测量***的长度基准(即拍照式测量***的标准尺)，通过将激光跟踪仪与拍照式测量***组合进行被测复杂表面的测量，能够将拍照式测量***的特征点空间定位精度提高至与激光跟踪仪同级别的空间定位精度，以此来控制反光标志点的空间位置的精度。

因此，通过对以上测量方式及其相互关系的介绍可知，若将以上三种测量方式做合理的组合，即可实现在大范围空间内，激光扫描定位精度达到激光跟踪的空间位置精度，因此，大空间复杂型面表面的测量误差将大幅度减小。

综上，为解决上述几种测量技术手段各自存在的问题，获得精度更高的复杂型面表面的测量结果，本实施例提供了一种复杂型面的联合测量方法，流程图如图3所示，包括如下步骤：

步骤S1：在被测复杂型面的周边设置多个靶球转站座，每一靶球转站座上均放置反光标志点靶球，所述靶球的中心包括第一反光标志点(即图4中的转换点)；在被测复杂型面表面选取多个测试点，每一测试点上均粘贴第二反光标志点；

测量过程结构示意图如图4所示。

需要说明的时，以上描述的第一反光标志点、第二反光标志点，是为区分标志点的不同位置设计的。实际测试过程中，第一反光标志点、第二反光标志点可选用相同材质的反光标志点材料。同时，还需要说明的是，考虑到本实施例中提供的技术方案，是采用激光测距的方式对物理表面进行测量，因此，上述靶球转站座、反光标志点靶球、第一反光标志点均、第二反光标志点均适用于所述激光跟踪仪，以便后续过程中，激光跟踪仪、激光扫描仪均能够采集到相关的测量数据。

优选地，为保证本实施例中的测量过程能够覆盖所有被测数据，因此，实际测量过程中，要求粘贴的靶球转站座能够覆盖整个测量空间，以形成覆盖被测复杂型面的激光跟踪仪测量场，利用激光跟踪仪大范围测量精度高的优势，提供高精度的复杂型面测量场框架；同时，要求选取的测试点能够覆盖被测复杂型面的所有被测位置，以获得较为全面的复杂型面表面的测量结果；此外，考虑到布置过密的测试点会显著降低测量过程的处理速度，而布置过稀的测试点又会影响测量结果的精度，经多次实际测试发现，当相邻两个测试点之间的距离在100mm～200mm之间时，能够达到测量速度和测量精度的平衡，很好地满足实际的工程需求。

优选地，在实际测量过程中，可选取与激光跟踪仪19.05mm半径靶球同规格的反光标志点靶球，即，每一靶球转站座中均放置同一规格的反光标志点靶球；同时，在实际测量过程中，还要求所选取的反光标志点靶球的反光标志点清晰可见，以便激光扫描仪能够实现对于反光标志点的精确测量。

步骤S2：利用拍照式测量***拍摄所述第一反光标志点和第二反光标志点，得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值；以及，利用激光跟踪仪测量得到所有靶球转站座的空间坐标值；

优选地，在所述步骤S2中，利用所述拍照式测量***在不同位置和方向获取包含第一反光标志点和/或第二反光标志点的两幅或多幅图像，处理所述图像得到所述得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值。

需要说明的是，处理图像以获得空间坐标值的过程采用现有方式即可实现，本实施例对其具体实现过程不再赘述。

步骤S3：基于所有靶球转站座、第一反光标志点的空间坐标值，优化第二反光标志点的空间坐标值；

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S31：基于所述反光标志点靶球与相应的靶球转站座之间的位置关系，对所述第一反光标志点的空间坐标值进行转换，得到相应靶球转站座的待校准坐标值；

需要说明的是，此处描述的“相应”关系，是指靶球转站座与其上放置的反光标志点靶球。由于二者的位置关系相对固定，因此，通过上述方式能够得到相应靶球转站座的待校准坐标值。由于上述过程中获得的第一反光标志点的空间坐标值是利用拍照式测量***得到的，因此，基于该空间坐标值转换得到的相应靶球转站座的待校准坐标值，其基准尺均为拍照式测量***下的基准尺，该待校准坐标值的精度也是拍照式测量***下的精度，因此，需要将该待校准坐标值的精度校准为激光跟踪仪下的测量精度。即步骤S32的具体过程。

步骤S32：拟合靶球转站座的待校准坐标值与空间坐标值，得到拟合函数关系；

在过程中，拟合过程采用现有方式即可实现，例如，最小二乘法，该拟合方式不属于本申请的保护范围，因此，本实施例对具体的拟合方式不再赘述。得到拟合关系后，即可根据该拟合关系，得到激光跟踪仪下的测量精度。

步骤S33：基于所述拟合函数关系，优化所述第二反光标志点的空间坐标值。

基于该拟合函数函数关系，即可优化拍照式测量***采集到的第二反光标志点的空间坐标值，得到以激光跟踪仪的测量精度为基准的第二反光标志点的空间坐标值。

步骤S4：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；基于第一反光标志点和第二反光标志点优化后的空间坐标值，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面表面的联合测量数据。

通过该步骤，可以将激光扫描仪获取的测量数据，提升至激光跟踪仪的测量精度，因此，能够得到高精度的联测测量数据。

优选地，在所述步骤S4中，包括：

步骤S41：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；所述初始测量数据中包含一个或多个第二反光标志点的激光扫描数据；

需要说明的是，第二反光标志点是测量过程中选取的典型的测试点，而在实际测量被测复杂型面表面的过程中，需要对被测复杂型面表面进行全面测量，以获得全面的复杂型面表面测量数据。

步骤S42：基于所述第二反光标志点的激光扫描数据与所述第二反光标志点优化后的空间坐标值之间的空间映射关系，得到矫正函数关系；

通过步骤S42，能够建立起激光扫描仪与激光跟踪仪之间的关联关系，以便在后续步骤S43中，根据该函数矫正关系，矫正初始测量数据，得到被测复杂型面的联合测量数据。

步骤S43：基于所述矫正函数关系，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面的联合测量数据。

通过这种方式处理得到的被测复杂型面的联合测量数据，能够达到激光跟踪仪的测距精度，能够更好地满足实际的测量需求。

需要说明的是，在本实施例中，采用激光跟踪仪、拍照式测量***和激光扫描仪三种数字化测量方式对复杂型面进行测量，将所测得的三组数据统一在同一坐标系中。即，所述第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值、靶球转站座的空间坐标值、初始测量数据，均为同一坐标系下的数据。

与现有技术相比，本发明提供的复杂型面的联合测量方法，至少具备以下有益效果：

(1)采用激光跟踪仪、拍照式测量***和激光扫描仪三种数字化测量方式分别对复杂型面进行测量，然后组合不同测量方式的测量结果，以得到最终的联合测量结果。该方法提供了一种全新的大空间复杂型面(例如大空间尺寸飞行器)的扫描方式，该扫描过程能够用于指导本领域技术人员对复杂型面进行全面、高精度的表面测量；

(2)能够充分利用激光跟踪仪、拍照式测量***和激光扫描仪三种数字化测量方式各自的优势及相互之间的关联关系，将激光扫描仪采集到的数据精度提高至激光跟踪仪空间测量精度，从而形成高精度标志点测量场框架；

(3)能够突破传统复杂型面检测过程中对空间大小的限制，大幅提升复杂型面扫描测量数据在大空间范围内的整体精度，测量范围能够达到40m以上，测量不确定度能够缩减为单一扫描测量设备的十分之一，甚至更多。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复杂型面的联合测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：在被测复杂型面的周边设置多个靶球转站座，每一靶球转站座上均放置反光标志点靶球，所述靶球的中心包括第一反光标志点；在被测复杂型面表面选取多个测试点，每一测试点上均粘贴第二反光标志点；

步骤S2：利用拍照式测量***拍摄所述第一反光标志点和第二反光标志点，得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值；以及，利用激光跟踪仪测量得到所有靶球转站座的空间坐标值；

步骤S3：基于所有靶球转站座、第一反光标志点的空间坐标值，优化第二反光标志点的空间坐标值；

步骤S4：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；基于优化后的第二反光标志点的空间坐标值，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面表面的联合测量数据。

2.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中，基于基准尺对所述第一反光标志点和第二反光标志点的空间坐标值进行优化，包括：

步骤S31：基于所述反光标志点靶球与相应的靶球转站座之间的位置关系，对所述第一反光标志点的空间坐标值进行转换，得到相应靶球转站座的待校准坐标值；

步骤S32：拟合靶球转站座的待校准坐标值与空间坐标值，得到拟合函数关系；

步骤S33：基于所述拟合函数关系，优化所述第二反光标志点的空间坐标值。

3.根据权利要求2所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，在所述步骤S32中，通过最小二乘法拟合靶球转站座的待校准坐标值与空间坐标值。

4.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，

在所述步骤S4中，包括：

步骤S41：利用激光扫描仪扫描被测复杂型面表面，获取初始测量数据；所述初始测量数据中包含一个或多个第二反光标志点的激光扫描数据；

步骤S42：基于所述第二反光标志点的激光扫描数据与所述第二反光标志点优化后的空间坐标值之间的空间映射关系，得到矫正函数关系；

步骤S43：基于所述矫正函数关系，矫正所述初始测量数据，得到被测复杂型面的联合测量数据。

5.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，

在所述步骤S2中，利用所述拍照式测量***在不同位置和方向获取包含第一反光标志点和/或第二反光标志点的两幅或多幅图像，处理所述图像得到所述得到第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值。

6.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，

所述第一反光标志点、第二反光标志点的空间坐标值、靶球转站座的空间坐标值、初始测量数据，均为同一坐标系下的数据。

7.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，所述靶球转站座、反光标志点靶球、第一反光标志点、第二反光标志点均适用于所述激光跟踪仪。

8.根据权利要求7所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，所述反光标志点靶球为与激光跟踪仪19.05mm半径靶球同规格的反光标志点靶球。

9.根据权利要求1所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，相邻两个所述测试点之间的距离在100mm~200mm之间。

10.根据权利要求5所述的复杂型面的联合测量方法，其特征在于，所述拍照式测量***采用高分辨率摄影测量专用相机采集所述图像。

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