無棱鏡全站儀在浮空器參數測量中的應用

杜一鳴

摘 要：文章借鑒巨大尺寸零件逆向重構技術的概念，提出了一種應用無棱鏡全站儀進行浮空器參數測量的方法，并分析了該方法的可行性以及測量精度。通過結合CATIA軟件進行三維曲面建模，不僅達到了進行參數測量的目的，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據分析的準確性。

關鍵詞：全站儀；浮空器；參數測量；三維模型

引言

浮空器去年由軟式復合材料制成，對其外形尺寸進行精確控制的難度較大。對于同一型號產品，每個個體之間的參數存在一定的差別。另一方面，浮空器氣囊外形參數與氣球技術指標直接相關，試驗試飛過程中數據分析也依賴浮空器各種參數的測量結果。所以，為了得出每個氣球的準確外形參數，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進行測量。

由于浮空器尺寸一般較大，長度基本在20m以上，大型浮空器產品長度可以達到100m以上。因此，使用傳統的測量工具對浮空器進行參數測量比較困難、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傳統的測量工具，以提高參數測量精度、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，指的是全站儀發射的光束經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射管：一種是IR（Infra Red）測距方式，可以發射利用棱鏡和反射片進行測距的紅外光束，波長為780mm，單棱鏡測程為3000m；另一種是RL（Red Laser）方式，可以發射可見的紅色激光束，波長為670mm，無反射棱鏡測程可以達到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的測量光束就可以完成測量，很細的激光束使得相鄰非常近的兩個點也能被準確的測量出來，很容易得到該點的點位三維坐標信息。

1.2 無棱鏡全站儀數據采集和傳輸

無棱鏡全站儀具有自動采集并儲存測量數據的功能，可將數據存儲于全站儀的內存或者CF卡上。外業數據采集完成后，可通過數據電纜將外業所測的碎部點數據自全站儀傳輸到計算機并以數據文件的形式保存。這些功能大大減少了工作人員記錄數據的工作量，避免了人為因素造成的數據丟失和錯誤。

2 無棱鏡全站儀參數測量方法

2.1 測量目標選取

由于去年外形為旋轉體，理論上測量出氣囊的母線即可得出氣囊外形參數。不過，為了提高測量精度，我們可以選取更多的點，以達到測量多條母線的目的，這樣可以根據測量結果驗證氣囊外形的一致性的程度。并且根據氣囊不同位置母線的差異，擬合出更準確的氣囊實際外形。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行測量，這樣可以得到更全面的外形參數數據。

由于副氣囊、整流罩和尾翼的外形屬于不太規則的幾何形狀，因此這樣部件的測量過程中，應增加測量曲線的數量，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確定位并標記特殊點。因此，可以在設計階段即確定需要測量的曲線，然后根據精度要求和各個曲線的曲率在這些曲線上選取一定數目的特征點。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，在裁片設計圖上標記出這些點，這樣就可以通過裁床使用“十”字標記的方式將各個特征點標記出來，為方便辨認，每個特征點旁邊都需要按一定規則編上序號。

2.3 特征點的測量

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

（2）在氣囊內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于氣囊內部，調平。

（4）按照特征點的序號依次測量氣囊內特征點的三維坐標并記錄。

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

2.4 數據處理

氣囊所有特征點坐標測量完成后將坐標輸入CATIA軟件建點并擬合氣囊母線和橫截面曲線。根據多條母線的橫截面的測量結果評估氣囊外形與理論外形的差別，從而統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以內的三維坐標測量精度由于3mm。以氣囊體積計算為例，實際坐標點與測量坐標點之間的距離為：

△H=■

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

3 結束語

通過無棱鏡全站儀的應用，提高了浮空器參數測量的精度并增加了參數測量的項目，由此可以分析出球體加工工藝一致性的程度。另外，通過結合CATIA軟件進行三維曲面建模，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據分析的可靠性。

無棱鏡全站儀的應用提高了浮空器參數測量的自動化程度，減少了人為因素造成的數據丟失和記錄錯誤，提高了工作質量。

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