大尺寸計量技術在飛艇測量中的應用

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量定義、大尺十計量技術及測量儀器發展情況；然后針對湖南航天有限責任公司某大型飛艇嚢體外形結構尺寸測量需求，分析一種基于3D攝影測量裝置的大尺寸計量技術，并簡要闡述了校準方法。

關鍵詞：大尺十計量；3D攝影；飛艇測量；校準

2002年，美國Estler⑴在文獻“Large-scalemetrology-anupdate”中，總結大尺寸計量的特點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行了轉移。這種轉移可以是被動的，如攝影測量；也可以是主動的，如激光跟蹤儀。

近年來，大尺寸計量發展己經演變成一種精密的工程測量，其中使用激光跟蹤儀測量點到點距離的不確定度為2?70pm，采用多邊激光測量技術在工業環境下測量不確定度可以達到1X10測量要素也從單一的角度、長度測量擴展到坐標測量和形狀測量[2]。大尺寸計量技術的發展使得原有的量傳體系己經不能滿足要求，首先測量范圍不夠大，1?2m標準器無法在連續幾十米的范圍內將標準距離復現，測量精度有限；另外傳遞的標準要素單一，很少能夠實現坐標傳遞。因此，應用大尺寸測量及校準技術的研究成為計量領域的熱點問題。

湖南航天有限責任公司自主研制了多種型號的大型飛艇，飛艇囊體具有復雜曲面結構，如何評價飛艇囊體空間尺寸是否符合設計參數要求成為生產中最常見問題，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量技術，并簡要介紹校準方法，實現對產品質量控制和質量評定。

1大尺寸計量技術及測量儀器的發展

20世紀90年代以前，利用獨立元素測量技術解決工程中的幾何量測量問題，大尺寸計量技術包含有角度測量和長度測量，涉及光學對準、經緯儀測角、采用自準直法和光電探測技術進行小角度測量、基線尺測距、基于相干光和發射時間原理的絕對測距等。

20世紀90年代以后，采用多元素融合測量技術精密高效地解決工程中的幾何量測量問題，大尺寸計量技術包含有激光跟蹤技術、3D掃描測量技術、絕對距離測量技術、空間支導線測量技術等，同時強調了環境修正問題。涉及基本理論有坐標測量原理、坐標變換、幾何形狀與幾何元素、數據分析（最小二乘擬合算法、樣條曲線、三角網格剖分）、多站三維測量網的定向等[3]。

傳統的光學工具測量技術己逐漸被智能化空間坐標測量技術所取代。從20世紀80年代初，面向現場的便攜式坐標測量不斷出現，其中具有代表性的有：經緯儀及經緯儀測量系統、激光跟蹤儀、激光掃描測量系統、3D數字攝影測量系統和室內GPS系統等，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測量系統來完成定位、放樣、檢查和校準等測量任務。

大尺寸測量儀器發展趨向于高精度、高效率、大范圍、多功能，由于與計算機應用軟件相結合，還可以對測量數據進行分析、為加工生產制定決策，未來的工業生產將越來越依賴于大尺寸測量儀器所提供的計量保證。

2大型飛艇的嚢體結構特點

現代大型飛艇一般采用軟式囊體結構，常見外形有橄

欖型單囊體結構、雙囊體結構、三囊體結構。

軟式飛艇結構如圖1所示，軟式飛艇的外形由外氣囊的內夕卜壓差來保持。外氣囊主要為浮力氣體及副氣囊的容器，同時，可以抵抗外界環境對飛艇的影響而對飛艇起保護作用。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節飛艇的飛行姿態。另外，副氣囊還能起著調節浮力大小的作用，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重要工作過程，飛艇充氣后，現場實際尺寸和體積測量是確認飛艇飛行前重要技術參數，能夠為產品飛行試驗提供安全可靠參考數據。在飛行試驗場中受到外界風場等因素影響，對于直徑覆蓋3?20m且形狀不規則的大型飛艇，如果僅依靠傳統的測量方法，不僅工作量繁重，且耗時長，不能準確快速地獲得測量結果，顯然不適用于實際測量。通過使用3D攝影測量裝置就能快速解決此問題，運用全站儀實現大尺寸計量技術使現場測量精度得以保證。

33D攝影測量裝置及大尺寸計量技術應用

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、2?4臺移動測量相機、通信模塊組及相關電纜等，如圖2所示。

攝影測量裝置工作原理是以多相機聯合作為傳感器，基于計算機視覺原理，結合攝影測量、三角交匯測量等技術實現物體的坐標測量，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行三維重構，進而在三維模型上實現對被測物體三維尺寸的測量。實際應用中，需要根據被測飛艇囊體處于不同風場環境和體積大小，選擇2?4臺移動測量相機和6套固定測量相機來確保準確、快速完成現場測量工作。固定測量相機分兩排布置于被測飛艇囊體兩側，每一側布置3套測量相機；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，現場采用4套移動測量相機分別對艇體頂部和底部進行拍攝。通信模塊組用于控制、存儲拍攝的照片，通過測量系統軟件處理成可測量的三角網模型，重構飛艇三維模型后，通過對三維模型進行測量得到飛艇囊體的長度、面積和體積。

3.2攝影測量相機參數標定與大尺十計量技術

飛艇攝影測量的主要研究內容是將被測飛艇囊體所處

空間場景從數學模型上進行三維重構。相機的內外參數標定是實現準確的三維重構的一個至關重要的環節，且相機參數標定精確度直接影響最終測量結果。

三維重構后的飛艇是由多組圖像拼接成的多曲面封閉結構體，為確保得到準確的空間模型，在攝影測量前，通過構建一個現場校準場，在校準場中布設貼有標志點的精密標定桿（作為校準點），使用全站儀測量校準點和飛艇的囊體表面控制點的三維坐標，建立具有絕對尺度的坐標系。用測量型相機對位置己知的現場校準點進行拍攝，然后利用現場校準點的實際三維坐標和在各測量型照相機所成圖像中的位置，計算得到測量型照相機的一系列參數，最終使得現場測量重構得到的校準點三維坐標與校準點實際的三維坐標之間的誤差（例如均方誤差）為最小，這整個過程就是3D攝影測量裝置的校準，也是大尺寸計量技術實現途徑。endprint

本文運用全站儀實現3D攝影測量裝置的現場校準，涉及以下兩個方面的大尺寸計量技術。

3.2.1運用全站儀的坐標系建立技術

全站儀是一種基于光機電一體化技術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。全站儀測量系統是利用空間極坐標的原理來進行測量的，可以同時進行距離的測量和角度的測量。只需一個單一的裝置就可以完成測量任務，使用靈活方便，測量距離遠，適用于大范圍的測量。

坐標系的建立過程：建立坐標系的方法依據三角交匯原理，利用參考桿（精密標定桿）將兩臺相機統一到同一個測量坐標系下，參考桿長度可根據被測空間的大小進行選擇。每個桿上嵌有數量不等的精密標志點，相鄰兩個標志點之間的距離己經預先標定過。首先相機瞄準被測物體（注意：相機無須進行水平調準其次將參考桿放置在測量空間內（方向不限），按下相機曝光按鈕，完成一次測量：然后改變參考桿的放置方向，重復測量多次，參考桿放置的位置最好能夠包容整個測量空間。這樣獲得的信息可以很快地建立起系統坐標系，此時相機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測量相機參數校準及測量技術

測量相機參數校準方案視作一個黑盒模型A，測量方案視作另一個黑盒模型B，如圖3所示。

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

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

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

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

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

3D攝影測量裝置的現場校準主要完成對測量相機外參數標定，測量相機內參數預先通過專業室內校準完成。測量相機外參數現場標定及測量過程流程如圖4所示。

4結語

在介紹大尺寸計量定義及測量儀器發展基礎上，分析一種應用于某大型飛艇囊體外形結構尺寸測量的3D攝影

測量裝置，總結該裝置工作原理和校準方法，為深入研究大尺寸空間測量技術及校準技提供了思路。本項目研究成果對大型艇庫或試驗場中的飛艇，能快速、準確地進行外形尺寸與體積校準檢測，應用前景較好。

[參考文獻]

[1]ESTLERWT，EDMUNDSONKL，PEGGSGN，etal.Large-scalemetrology-anupdate[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology，2002（2）：587-609.

[2]張劍宇.大尺寸測量校準技術分析[J]·科技風，2010（10）.219，228.

[3]馬驪群.大尺寸計量技術發展（儀器、校準、應用）[C].北京：機械量測試技術與儀器2012年學術交流會，2012.endprint