型面数字摄影自动化测量方法与流程

本发明涉及工业测量技术领域，具体地涉及一种型面数字摄影自动化测量方法。

背景技术：

随着航天器对天线在轨性能要求越来越高，天线的尺寸越来越大，型面精度、安装精度、可靠性、变形指标等要求越来越高。天线在地面的精测除了初始安装和展开精测，越来越多的型号要求在地面进行热变形试验验证，其中常压热变形试验需要对阵面指向和平面度的变化进行测量，常用测量设备有数字摄影测量相机、电子经纬仪、激光雷达等，根据不同的测量要求选择合适的测量设备与方法。

其中数字摄影测量方法应用较广，相对于电子经纬仪法，数字摄影测量方法无论测量精度还是测量效率都远远高于电子经纬仪法。国内类似相关领域可参考专利《卫星大尺寸平面阵列sar天线自动化精测方法》，其中所采用测量方法为激光雷达，其本质采用的是设备本身的自动扫描测量功能。相对于激光雷达，数字摄影测量方法的测量精度与之相当，但是数字摄影测量每次拍摄的点位置相同，可以作前后比较，另外一方面数字摄影测量成本远远低于激光雷达。

在大型天线常压热变形试验过程中，平均每次试验耗时都在20天以上，一方面是由于试验工况较多，另一方面则是由于每个工况阵面指向与平面度的测量特别耗时，特别是大型阵面；若按每次试验15个工况，每个工况需要拍摄至少三次以上，另外为保证测量结果有效性，每次需测量2～3次，同时保证2～3次结果重复性误差均方根(rms)优于0.03mm，每次试验下来总共有效测量次数需达到150次以上，每次拍摄为了保证测量结果重复精度满足要求，都需要拍摄几百张照片，而这同时也加大了后期数据处理了时间；同时由于数字摄影测量的测量精度与测量效率与人的操作水平密切相关。

因此为了保证试验进度和测量效率、测量精度，急需采用一种自动化的方式实施测量任务。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种型面数字摄影自动化测量方法。

根据本发明提供的一种型面数字摄影自动化测量方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光跟踪仪测量待测型面的位置和姿态；

步骤2：根据待测型面的位置和姿态，利用数字摄影测量原理，规划出数字摄影测量相机拍摄型面的位置和角度以及拍摄照片数量；

步骤3：记全向移动升降平台坐标、机械臂零位、数字摄影测量相机坐标、激光跟踪仪坐标、姿态测量设备坐标分别为a、b、c、d、e，在激光跟踪仪坐标系下标定出移动升降平台坐标、机械臂零位、数字摄影测量相机坐标、激光跟踪仪坐标、姿态测量设备坐标的相互关系；

步骤4：根据在激光跟踪仪坐标系下全向移动升降平台坐标、机械臂零位、数字摄影测量相机坐标、激光跟踪仪坐标、姿态测量设备坐标的相互关系，控制全向移动升降平台和机械臂运动，从而使数字摄影测量相机运动到步骤2中规划的拍摄位置和角度；

步骤5：利用数字摄影测量相机对型面进行拍照，并将拍摄完成后的照片导入到数据采集分析系统进行处理，得到型面的相应的指向与平面度。

优选地，重复步骤4、步骤5，对待测型面进行重复测量，对多次测量的结果取平均值得到最终型面指向与平面度。

优选地，采用大尺寸型面数字摄影自动化测量系统进行测量，所述测量系统包括全向移动升降平台、机械臂、数字摄影测量相机、激光跟踪测量模块、数据采集与分析系统、相关附件；所述激光跟踪测量模块包括姿态测量设备、激光跟踪仪，姿态测量设备连接激光跟踪仪；

所述全向移动升降平台连接机械臂，机械臂末端安装数字摄影测量相机、姿态测量设备，全向移动升降平台、机械臂、姿态测量设备、数字摄影测量相机、激光跟踪仪连接数据采集与分析系统；

所述姿态测量设备能够对机械臂末端进行实时姿态的测量，确认数字摄影测量相机拍摄时位置和姿态是否正确，如果不正确则反馈数据采集与分析系统，数据采集与分析系统发送位置姿态调整信号给全向移动升降平台、机械臂实现位置和姿态调整；如果正确则数字摄影测量相机拍摄照片；

所述姿态测量设备坐标还能够用于标定全向移动升降平台坐标、机械臂坐标、数字摄影测量相机坐标与激光跟踪仪坐标之间的关系；

所述相关附件包括数字摄影测量用靶标点、摄影编码点、基准尺、反射球、靶球、磁性基座。

优选地，所述步骤1具体为：根据待测型面的大小、形状合理放置激光跟踪仪，利用激光跟踪仪测量待测型面的特征点作为公共点，并在激光跟踪仪测量软件中拟合出相应的形状；如果型面并非规则形状，则将型面的cad模型导入测量软件中，通过测量多个拟合点，并将上述点通过最佳拟合与cad模型进行匹配；

所述特征点为矩形型面的4个角点或圆形型面的4个象限点或者其他型面的标志点。

优选地，所述步骤2中的数字摄影测量原理具体为：

每个摄影靶标点至少被4个不同位置的摄站所拍摄；

每个摄影靶标点的交会角在60°～120°之间；

每个摄影靶标点的摄影入射角为±45°或者摄影入射角不超过±60°；

每一张照片之间拥有重叠和多个公共点；

每个摄站位置拍摄至少2张照片，两张照片拍摄方向相互垂直；

基于数字摄影测量原理在激光跟踪仪坐标系下规划出数字摄影测量相机的拍摄位置、角度以及数量。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：数字摄影测量相机、激光跟踪仪分别测量公共点，并得到关系r(c-d)，所述公共点分散不共面且不少于4个；其中公共点采用大小为1.5英寸的靶球，数字摄影测量相机采用带反射面靶球，激光跟踪仪采用标准靶球；

步骤3.2：在拍摄第一张照片时，利用激光跟踪仪测量姿态测量设备，得到关系r(e-d)；

步骤3.3：基于r(c-d)、r(e-d)，通过计算得到姿态测量设备、数字摄影测量相机之间的关系r(e-c)＝r^-1(c-d)*r(e-d)；

步骤3.4：利用激光跟踪仪测量初始状态全向移动升降平台的姿态，并得到关系r(a1-d)；

步骤3.5：机械臂归零位，利用激光跟踪仪测量此时姿态测量设备，并得到关系r(e1-d)；

其中，1表示初始状态。

优选地，所述步骤4具体为：根据数字摄影测量相机在激光跟踪仪坐标系下的理论位置和角度以及初始状态位置和角度，规划出全向移动升降平台运动参数r(a2-a1)、机械臂的运动参数r(e2-e1)，从而得到数字摄影测量相机的位置参数r(c2-d)＝r(e2-d)*r^-1(e2-c2)＝r(e2-d)*r^-1(e-c)，其中，2表示目标状态；判断是否符合步骤2中规划的结果，位置误差不超过10mm，角度误差不超过0.5°，如果符合则数字摄影测量相机拍照，如果不符合则重新规划数字摄影测量相机的位置参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过全向移动升降平台与机械臂结合的方式，代替了人工拍摄，极大提高测量效率。

2、本发明通过事先优化测量位置和角度，大大减少拍摄次数，提高系统测量精度。

3、本发明采用自动化的拍摄方式，系统测量重复性得到了保证。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中自动化测量系统组成及测试示意图。

图2为本发明中数字摄影测量最佳拍摄位置示意图。

图3为本发明中中心带有反射靶标的1.5英寸靶球示意图。

图4为本发明中激光跟踪仪用1.5英寸标准靶球示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明公开了一种型面数字摄影自动化测量方法，利用激光跟踪仪5测量待测型面的空间位置和姿态，根据数字摄影测量最佳拍摄位置准则，规划出当前数字摄影测量相机4的最佳拍摄位置、角度以及拍摄照片的数量等；将数字摄影测量相机4和姿态测量设备3固定在机械臂2上，利用激光跟踪仪5和数字摄影测量相机4同时测量公共点，同时利用激光跟踪仪5通过姿态测量设备3测量机械臂2姿态，以建立当前机械臂2与待测型面的相对关系，根据该关系即可将规划好的拍摄位置转换为全向移动升降平台1和机械臂2的运动路径，最终实现数字摄影测量相机4在规划指定位置和角度对型面进行拍摄，获得型面的指向与型面度等指标。本发明能够对大型天线的型面度和指向精度进行高精度、自动化测量，特别针对需要多次重复性测量的过程，大大提高了测量效率。

根据本发明提供的一种型面数字摄影自动化测量方法，包括如下步骤：

步骤1：利用激光跟踪仪5测量待测型面的位置和姿态；

步骤2：根据待测型面的位置和姿态，利用数字摄影测量原理，规划出数字摄影测量相机4拍摄型面的位置和角度以及拍摄照片数量；

步骤3：记全向移动升降平台1坐标、机械臂2零位、数字摄影测量相机4坐标、激光跟踪仪5坐标、姿态测量设备3坐标分别为a、b、c、d、e，在激光跟踪仪5坐标系下标定出移动升降平台1坐标、机械臂2零位、数字摄影测量相机4坐标、激光跟踪仪5坐标、姿态测量设备3坐标的相互关系；

步骤4：根据在激光跟踪仪5坐标系下全向移动升降平台1坐标、机械臂2零位、数字摄影测量相机4坐标、激光跟踪仪5坐标、姿态测量设备3坐标的相互关系，控制全向移动升降平台1和机械臂2运动，从而使数字摄影测量相机4运动到步骤2中规划的拍摄位置和角度；

步骤5：利用数字摄影测量相机4对型面进行拍照，并将拍摄完成后的照片导入到数据采集分析系统6进行处理，得到型面的相应的指向与平面度。

重复步骤4、步骤5，对待测型面进行重复测量，对多次测量的结果取平均值得到最终型面指向与平面度。

如图1所示，采用大尺寸型面数字摄影自动化测量系统进行测量，所述测量系统包括全向移动升降平台1、机械臂2、数字摄影测量相机4、激光跟踪测量模块、数据采集与分析系统6、相关附件；所述激光跟踪测量模块包括姿态测量设备3、激光跟踪仪5，姿态测量设备3连接激光跟踪仪5；

所述全向移动升降平台1连接机械臂2，机械臂2末端安装数字摄影测量相机4、姿态测量设备3，全向移动升降平台1、机械臂2、姿态测量设备3、数字摄影测量相机4、激光跟踪仪5连接数据采集与分析系统6；

所述姿态测量设备3能够对机械臂末端进行实时姿态的测量，确认数字摄影测量相机4拍摄时位置和姿态是否正确，如果不正确则反馈数据采集与分析系统6，数据采集与分析系统6发送位置姿态调整信号给全向移动升降平台1、机械臂2实现位置和姿态调整；如果正确则数字摄影测量相机4拍摄照片；

所述姿态测量设备3坐标还能够用于标定全向移动升降平台1坐标、机械臂2坐标、数字摄影测量相机4坐标与激光跟踪仪5坐标之间的关系；

所述相关附件包括数字摄影测量用靶标点、摄影编码点、基准尺、反射球、靶球、磁性基座。

所述步骤1具体为：根据待测型面的大小、形状合理放置激光跟踪仪5，利用激光跟踪仪5测量待测型面的特征点作为公共点，并在激光跟踪仪测量软件中拟合出相应的形状；如果型面并非规则形状，则将型面的cad模型导入测量软件中，通过测量多个拟合点，并将上述点通过最佳拟合与cad模型进行匹配；

所述特征点为矩形型面的4个角点或圆形型面的4个象限点或者其他型面的标志点。

所述步骤2中的数字摄影测量原理具体为：

每个摄影靶标点至少被4个不同位置的摄站所拍摄；

每个摄影靶标点的交会角在60°～120°之间；优选地，每个摄影靶标点的最佳交会角在60°～120°之间；

每个摄影靶标点的摄影入射角为±45°或者摄影入射角不超过±60°；

每一张照片之间拥有重叠和多个公共点；

每个摄站位置拍摄至少2张照片，两张照片拍摄方向相互垂直；

基于数字摄影测量原理在激光跟踪仪5坐标系下规划出数字摄影测量相机4的拍摄位置、角度以及数量。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：数字摄影测量相机4、激光跟踪仪5分别测量公共点，并得到关系r(c-d)，所述公共点分散不共面且不少于4个；其中公共点采用大小为1.5英寸的靶球，数字摄影测量相机4采用带反射面靶球，激光跟踪仪5采用标准靶球；

步骤3.2：在拍摄第一张照片时，利用激光跟踪仪5测量姿态测量设备3，得到关系r(e-d)；

步骤3.3：基于r(c-d)、r(e-d)，通过计算得到姿态测量设备3、数字摄影测量相机4之间的关系r(e-c)＝r^-1(c-d)*r(e-d)；

步骤3.4：利用激光跟踪仪5测量初始状态全向移动升降平台1的姿态，并得到关系r(a1-d)；

步骤3.5：机械臂2归零位，利用激光跟踪仪5测量此时姿态测量设备3，并得到关系r(e1-d)；

其中，1表示初始状态。

所述步骤4具体为：根据数字摄影测量相机4在激光跟踪仪5坐标系下的理论位置和角度以及初始状态位置和角度，规划出全向移动升降平台1运动参数r(a2-a1)、机械臂2的运动参数r(e2-e1)，从而得到数字摄影测量相机4的位置参数r(c2-d)＝r(e2-d)*r^-1(e2-c2)＝r(e2-d)*r^-1(e-c)，其中，2表示目标状态；判断是否符合步骤2中规划的结果，位置误差不超过10mm，角度误差不超过0.5°，如果符合则数字摄影测量相机4拍照，如果不符合则重新规划数字摄影测量相机4的位置参数。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。