攝影測量技術在飛機裝配中的應用

候偉，王聲，羅宇，侯志鵬，魯鐘文

[摘? ? 要]攝影測量技術屬于近年來在飛機裝配領域中最前沿的數字化檢測技術之一，它以較低的經費、靈活的操作、較高的檢測精度、大部件及大測量范圍等特點在數字化制造及檢測領域得到了迅速的推廣。文章介紹了攝影測量系統的組成、攝影測量技術的原理及特征，并選取典型裝配件對攝影測量技術在飛機裝配中的實施方案及檢測步驟進行討論。

[關鍵詞]攝影測量;反光標志;基準尺;激光跟蹤儀;V-STARS軟件;Geomagic軟件

[中圖分類號]V262.4 [文獻標志碼]A [文章編號]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

由于飛機大部件具有結構復雜、外形尺寸大的特點，按傳統工藝方法，對飛機氣動外形的檢測往往依賴于工裝卡板、模線樣板等，無法對飛機外形進行準確檢測，而與其他國內的數字化測量技術手段如：激光跟蹤儀、電子經緯儀、電子全站儀、室內GPS（iGPS）、激光雷達相比，攝影測量技術具有測量精度高、測量速度快、測量范圍的尺寸大、操作靈活、便攜性強、環境適應性高（不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾）、無需開機預熱、價格相對便宜等諸多卓越優勢，而迅速且廣泛地應用到飛機裝配測量領域中。

攝影技術是通過照相的方式取得被拍攝的形狀及大小，以設置的基準尺為參考，將拍攝的被測物體進行三維空間理論數值進行轉化或擬合的一種先進測量技術。本文所涉及的攝影測量是以V-STARS系統為核心的。V-STARS系統全稱為Video-Simultaneous Triangulation and Resection System，是一種用于近景攝影的三維坐標測量系統，由美國GSI公司于1994年提出，經長期實踐應用，該系統性能已得到肯定。V-STARS系統三維測量相對精度較高，最高為1/20萬，可在熱真空等惡劣環境中持續工作，此外，該測量系統的自動化程度較高，攝影測量速度快速，憑借上述優勢，V-STARS系統現已成為國際熱門數字攝影測量系統。從本質上來看，V-STARS系統是以數字攝影為基礎搭建的三維坐標測量系統，又被稱之為數字近景攝影視覺測量系統、工業攝影測量系統、3D光學圖像測量系統等。

1 攝影測量系統的組成

攝影測量技術是由相機（經濟型或工業型）、標準尺（用于校準系統初始精度）、標記點（用于被測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，用于點云的處理和重構實物CAD模型與理論CAD模型比較）等部分組成。

2 攝影測量技術的原理和特點

2.1 技術原理

圖1為攝影測量原理示意圖，是照片經軟件處理后獲得的待測點三維坐標，圖1中照片是運用美國GSI公司所生產的高精度INCA3專業相機拍攝所得，完成同一物體進行不同位置方向拍攝后，可運用后處理軟件自動化處理INCA3相機照片，并經圖像匹配處理及數學算法計算后得出待測點三維坐標。圖片按照上述流程完成處理后，所得的三維數據將被上傳至坐標系統內。在攝影測量技術應用之前，被測物體需提前貼好回光反射標志，或設置好探測棒點位，以保障攝影測量效果。

2.2 技術特點

對攝影測量技術特點進行總結，具體如下：①精度較高。在10 m范圍內，單相機系統測量精度可達0.05 mm。②非接觸測量。采用光學攝影的方式開展測量工作，無需直接接觸工件即可完成測量作業。③測量時間短。單相機系統可在幾分鐘內完成測量工作，而雙相機系統可實現實時測量。④受干擾小。攝影測量系統在不穩定條件下可正常測量，單相機系統受溫度因素的干擾較小，而雙相機系統則可無視不穩定條件完成精準攝影測量工作。⑤空間限制小。攝影測量系統受空間因素的限制較小，即使在0.5 m空間條件下仍可進行攝影測量。⑥數據獲取率高。能夠便捷化采集數據，可借助計算機軟件完成像點的自動提取與量測。⑦適應性強。攝影測量系統可適應不同的被測物尺寸，在0.5 ～100 m可依靠同一套系統進行攝影測量。⑧便攜性佳。單相機系統可由一人隨身攜帶前往目的地進行測量。

3 攝影測量技術實施方案

3.1 技術實施總體方案

整個攝影測量技術實施的總體流程如圖2所示。

3.2 前期測量準備

飛機部件繁多，結構復雜，且工作環境干擾因素較多，在正式攝影測量之前應制定詳細周密的測量計劃，做好前期測量準備，使測量程序有序推進。通常情況下，測量計劃包含以下內容：①對被拍攝部件內部結構進行分析，并劃分拍攝帶。②整理飛機部件攝影測量流程，按照難易程度將測量區域劃分為難測量區、易測量區及特殊測量區，同時針對特殊測量區制定專項拍攝方案。③對攝影測量環境進行考察，選擇適宜設備，進一步制定詳細方案。

3.3 布設人工標志

在攝影測量期間需運用到圓形定向反光標志、編碼標志兩種人工標志。測量環境普遍存在一定雜光光源，且飛機部件表面光潔，缺乏紋理，色調差異小，在雜光光源干擾下容易產生攝影測量誤差，因此在攝影測量前，應將圓形定向反光標志黏貼于被測部件表面，或作為激光投點器輔助設備進行拍攝。編碼標志在攝影測量工作中用于完成照片拼接及自動化計算。

上述人工標志尺寸及黏貼位置應根據拍攝距離、飛機部件外形尺寸來決定，以此確保攝影測量可真實客觀地反映出被測部件的空間形態及外形特征。

直接借助攝影測量系統所得的點云數據僅能夠呈現測點間的位置關系，無法表現出部件尺寸數據，故在實際攝影測量期間，應人工設定基準尺。結合V-STARS系統來看，其基準尺長度多處于1 ～3 m，但由于飛機部件尺寸存在較大差異，對于垂平尾、機身、機翼等尺寸較大的特殊部位，應配備激光跟蹤儀給定基準尺，避免出現圖像拼接計算程序，規避測量誤差的出現。在大尺寸飛機部件測量期間，將激光跟蹤儀靶座（3～6個）設置在待測飛機部件周圍，確保激光跟蹤儀可完整覆蓋整個部件，采集各靶座的相對空間坐標，得出靶標點間的尺寸，將其視為V-STARS系統標志點，同時采集激光跟蹤儀靶標點，借助軟件完成點云對接后，將尺寸數據輸入其中，即可完成尺寸標定。

3.4 攝影測量環節

全方位考慮攝影距離、鏡頭視場角、測量場地、測量精度等多種因素確定攝影測量細節，飛機部件多應用“局部攝影”的方式進行攝影，并通過“整體解算”的方法，將編碼標志視為圖像公共連接點。飛機部件整體測量應做到均勻拍攝，為消除誤差，可重復性拍攝重點部位及難點部位，以此逐步得出飛機部件全貌，飛機部件影像示意圖如圖3所示。

為便于進行點云數據的后置數據處理，需要進行飛機部件的設計坐標系恢復的工作。飛機具有自身坐標系，可結合標記描述飛機某些特征，因此在拍攝時必須采用特殊反光標記對這些特征點進行標記拍照，供后續坐標系轉換使用。

3.5 處理測量數據

受到攝影距離及像機鏡頭視場角的局限，所拍攝的照片僅涵蓋天線部分，此時應根據編碼標志傳遞各測站間的位置關系。在數據處理期間，編碼標志主要起到測量已知坐標控制點的作用，根據控制點獲得空間信息，后應用后方交會原理獲得圖像外方位元素，繼而完成圖像的拼接，并良好傳遞測站坐標數據。運用V-STARS軟件進行點云解算計算的步驟如下：①掃描攝影測量所得圖像，識別編碼標志;②匹配各圖像中的編碼標志，依據編碼標志獲得已知空間坐標，按照后方交會原理將圖像整合至同一坐標系內，并得出圖像外方位元素。③以外方位元素為基礎，依托于核線匹配原理展開編碼標志點同名匹配（圖4）。④應用光束法計算標志點坐標，并獲得被測飛機部件的外形點云。

V-STARS軟件解算獲得的點云數據既包含了飛機部件的真實外形、尺寸等信息，但同時也包含了測量過程中被測部件表面不規則反光點、形體階差、空間噪點等冗余點，需要對其進行點云數據的后處理與優化。在Geomagic軟件中打開原始點云數據，對比被測部件理論數模及拍攝的照片，刪除原始點云中的冗余點，并對整體點云數據進行流型及優化處理。

4 結束語

數字化測量技術是實現飛機柔性、高精度裝配的基礎和核心，其地位和作用也將越來越顯著。陜飛所開展的攝影測量技術的探索性研究工作，是將數字化測量系統引入飛機數字化裝配系統中的一次大膽嘗試，通過攝影測量技術的引入，一方面豐富了數字化裝配的檢測手段，另一方面通過攝像測量系統展開高精度拍攝測量及控制分析工作，以此提高飛機裝配精度、提升公司飛機制造水平奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 侯宏錄，孫順昌.高速攝影測量技術在飛機外掛物投放運動分析中的應用[J].高速攝影與光子學，1990（1）：88-96.