一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统的制作方法

本发明涉及一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统，属于大尺寸空间测量领域，直接应用于卫星展开式天线装配过程及最终产品的几何量检测。

背景技术：

为了满足对地观测需求，我国已开展了新一代合成孔径雷达(syntheticapertureradar，简称sar)卫星天线展开机构的研究，sar卫星天线展开机构构型也更为复杂。sar卫星天线杆系依靠串联式杆件装配的方式很难保证精度，杆系复杂程度决定了必须要有相应的大尺寸空间测量技术才能实现新一代sar卫星天线机构铰链的高精度位置测量及平面度测量。大型卫星天线装配过程中的测量还对测量空间、测量效率和测量精度等方面提出了新的要求：首先，测量空间大，由于面对的大型卫星的测量对象尺寸庞大，测量空间介于传统尺寸的精密测量和面向地理测绘的工程测量之间，同时测量精度需要达到亚毫米级别。因此，在大型卫星测量领域应用的测量方法首先需要构建大尺寸三维空间测量场。其次，高效率高精度的测量能力，大型卫星测量领域中的大部分测量任务都需要多个测量点，并且需要多目标点并行测量，因此测量技术需要有较高的自动化水平；另外，大部分测量任务需高效率的监控和快速的后续数据处理，需要测量技术具有较高的测量效率。解决以上需求中的空间大尺寸坐标测量问题从原理上可分为两种技术途径：基于单一测量设备、多观测量集成的全站式测量定位方法和基于多个测量设备、多观测量融合的分布式测量定位方法。跟踪式坐标测量系统采用两个角度值和一个距离值实现空间点坐标的测量，测量对象广泛，相对测量精度极高(接近0.015mm+6ppm)，在精度、量程和测量功能方面优势非常突出。但是，受限于传统单站模式，激光跟踪仪只能在自身覆盖的测量空间进行单点位测量，如遇遮挡则需要频繁转站，测量效率较低，量程无法进一步拓展，进行姿态测量时还需要多台跟踪仪或特殊测量附件配合，无法满足现场条件下多设备多目标位姿拟合测量的需求，在工程现场一般用于精度控制与检验。为了解决这一问题，可以构建多个激光跟踪仪的三维测量场。但是，这种方法受到激光跟踪仪同一时刻只能测量一点的制约，而且被测目标往往还需要人工辅助搜索，测量效率较低。激光跟踪仪构建的测量场虽然弥补了单站仪器测量空间和抗遮挡能力的不足，甚至通过数据融合在一定程度上提高了测量精度，但是并不能解决单站使用的低效率问题，反而还有复杂度增加的可能。

分布式测量定位方法是基于多站测量构建的一种空间分布的测量网络系统，通过不同空间位置上的测站获取同一被测对象的多个观测量，将观测信息进行融合解析得到空间位置和姿态信息。当前，现有大尺度空间测量网络所采用的几何量交会测量原理主要有空间距离交会和空间角度交会两类，典型代表性工作有：德国联邦物理技术研究院(ptb)和英国国家物理实验室(npl)开发的基于激光干涉测长约束的lasertracer和意大利都灵理工大学研发的基于超声测长约束的mscms(mobilespatialcoordinatemeasuringsystem)、基于光电扫描的室内空间测量定位系统(igps、wmps)以及摄影测量系统等等：

(1)lasertracer采用多路激光跟踪，利用与跟踪仪相同的干涉测距原理测量各个激光头到靶镜的距离形成交会约束，由于不涉及角度测量，lasertracer精度高、成本高、环境适应性差，只能实现单点坐标测量，因此主要用于机床和坐标测量机检修

(2)基于光电扫描的室内空间坐标测量技术借鉴了地球gps的导航定位理念，将光电扫描角度传感原理与大尺寸空间整体网络式测量理念相结合，已成为当前工业界和学术界的关注热点。典型测量系统代表为nikon公司的igps(indoorgps)和天津大学邾继贵教授团队研发的wmps(workspacemeasuringandpositioningsystem)，这种测量系统可以实现空间大尺寸的多目标测量，但是目前精度只能达到亚毫米级别，很难突破更高精度，因此无法应用于高精度测量的需求中。

(3)摄影测量系统通过数字相机在不同位置、方向获取被测物2幅以上数字图像，经计算机图像匹配、机器视觉等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。摄影测量系统具有测量精度高、非接触和便携等特点，能够实现较大的测量密度，同时测量现场工作量小、不易受到外界因素的干扰，并具有面向不同测量任务的较强的适应能力。典型代表有美国gsi公司研制的v-stars工业数字近景摄像测量系统，具有测量速度快、精度高、适应性好的特点。但是，摄影测量系统单机测量范围受相机视场限制，测量效率受到图像尺寸和处理速度限制，很难组成大规模测量网络，难以达到工业现场条件下的测量空间尺度要求。

以上的分布式测量案均需要多测量设备结合使用，虽然具备解决专业非标准化测量任务的能力，但是方案成本较高，效率低下。综合以上所述的测量方法，视觉测量是一种能够兼顾测量精度、测量效率和测量成本的方法，针对以上的天线装配测量需求，本发明提出了以视觉测量技术为基础的高效高精度测量技术方案。

技术实现要素：

为了解决大型卫星天线装配测量装配过程中及最终产品的几何量检测的测量精度低，测量效率低的问题，本发明公开的一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统的目的是：提高大型卫星天线装配测量装配过程中及最终产品的几何量检测的测量精度和测量效率。

所述几何量(测量参数)包括铰链轴的空间位置及姿态、天线面板安装块的位置、天线面板拼接处间隙、拼接后天线面板的平面度。

所述大型卫星天线指天线展开后尺寸大于5m的sar天线。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统，主要由五部分组成。第一部分是agv(automatedguidedvehicle，以下简称agv)载运系统组成的移动系统，第二部分是由多相机组成的测量系统，第三部分是空间测量基准网，第四部分是铰链及特征点测量引出装置，第五部分是数采处理及控制系统。

所述的agv载运系统以基于摄影测量数据实现自主规划行走的agv为载体，实现测量系统自主规划行走、自动测量。

所述的多相机组成的测量系统由两组以上摄影测量系统组成，并固定安装在固定架上。相对位置间关系预先标定后，一组摄影测量系统用于测量空间测量基准网内的基准目标点，实现移动的摄影测量坐标系与通过测量网构建的固定测量坐标系的统一；一组摄影测量系统用于测量获取测量引出装置及特征点数据，由于两组摄影测量系统的相对位置关系预先标定出，因此通过本组摄影测量系统可获取在固定测量坐标系下的大型卫星天线的几何量。

所述的空间测量基准网由固定基准目标点构成，其空间坐标位置采用多边干涉技术获取，多边测量技术是利用测量设备到目标点的边长信息，通过测量冗余的测量站和各测量站所得到的基准目标点边长值，将所有参与测量的测量站和基准目标点的位置统一在一个坐标系下，确定基准目标点的空间位置，之后切换成同等直径的摄影测量球目标，多相机组成的测量系统通过获取摄影测量球目标的空间位置信息，实现移动的摄影测量坐标系与通过测量网构建的固定测量坐标系的统一，同时获取多相机组成的测量系统及agv载运系统的空间位置。

作为优选，所述固定基准目标点由1.5英寸基准球靶座构成、所述摄影测量球目标优选1.5英寸摄影测量球目标。

所述的铰链测量引出装置为由多测量目标点框架及销孔构成的专用测量装置，测量目标点及相对销孔的相对位置预先标定，通过摄影测量系统获取六个点的空间位置即能够反算出销孔位置，进而获得铰链轴的空间位置及姿态；特征点测量引出装置为能够将销孔位置引出的摄影测量工装，用于将天线面板安装座上的基准引出。

作为优选，铰链测量引出装置由摄影测量目标点、支撑框架、中间铰链销座、底部铰链销座组成；摄影测量目标点采取高低两层分布，结构数量大于等于6点，摄影测量目标点与中间铰链销座、底部铰链销座之间的空间位置预先标定，通过摄影测量目标点位置可反算出与中间铰链销座、底部铰链销座配合的铰链空间位置及姿态。

所述的数采处理及控制系统用于采集图像信息并进行计算，通过获取测量空间测量基准网数据获取多相机组成的测量系统及agv载运系统的空间位置，规划并指导agv行走。

本发明的一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：在大型卫星天线安装基准平台上布置空间立体分布的固定基准目标点，采用跟踪仪或跟踪干涉仪等高精度测量系统，基于多边技术，获取测量空间测量基准网内的基准目标点空间坐标，建立整体固定测量坐标系，由于采用多边技术构建基准网，通过测量空间测量基准网能够有效提高大型卫星天线整体的测量精度。

大型卫星天线整体的测量不确定度在实验室环境下30m×30m×3m范围内可达到0.15mm，而通过多相机组成的测量系统转站方案，每个2m就会损失0.03mm，30mm则损伤0.9mm，因此，通过测量空间测量基准网能够有效提高大型卫星天线整体的测量精度。

步骤二：在大型卫星天线安装基准平台上铺设天线面板，并在天线面板安装块上的销孔上安装三个或以上销孔测量靶标，销孔测量靶标为带偏移量的靶标销，多相机组成的测量系统通过测量靶标销位置获取与之配合的销孔位置，进而获取每个天线面板安装块在整个固定测量坐标系的空间位置，由于多相机组成的测量系统能够同时测量多个靶标，因此能够提高天线面板安装块的检测及调整效率；多相机组成的测量系统通过测量在天线面板前侧及缝隙安装测边靶座，能够直接测量边缘位置，用于天线面板间隙测量及调整；铰链测量引出装置则通过销孔配合方式安装在中间铰链销座上，布置完成后，多相机组成的测量系统通过同时获取铰链测量引出装置上多个点的空间位置及空间测量基准网上的摄影测量球目标，即能够计算出铰链轴的空间位置及姿态；

步骤三：装配调整机构根据计算出铰链轴的空间位置及姿态的进行位置及姿态调整，由于多相机组成的测量系统能够同时获取铰链测量引出装置上多个点的空间位置及空间测量基准网上的摄影测量球目标，并快速计算出铰链轴的空间位置及姿态，再配合agv为运动载体,通过规划可自动达到待测点位置，能够显著提高检测装配效率。

有益效果：

1.本发明的一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统，以agv为运动载体，以相机组成的测量系统为测量手段，通过构建的高精度的空间测量基准网，利用同等直径目标转化，实现移动的摄影测量坐标系与通过测量网构建的固定测量坐标系的统一，获取多相机组成的测量系统在整体固定测量坐标系下的空间位置，再进行大型卫星天线的几何量测量，由于在大测量范围内，空间测量基准网精度远高于基于转站方法的测量精度，因此可提高大测量范围内的测量精度。

2.本发明的一种高效高精度大型卫星天线装配测量系统，首先利用特征点测量引出装置将天线安装座上的基准引出，通过多相机组成的测量系统能够同时特征点及空间测量基准网上基准目标点，实现工件坐标系与整体固定测量坐标系的统一；其次多相机组成的测量系统能够同时获取铰链测量引出装置上多个点的空间位置及空间测量基准网上的摄影测量球目标，并快速计算出铰链轴的空间位置及姿态，再配合agv为运动载体通过规划可自动达到待测点位置，因此可极大提高检测装配效率。

附图说明

图1是本发明的主体结构图；

图2是本发明的多相机组成的测量系统结构图；

图3是本发明的铰链测量引出装置结构图；

图4是本发明的特征点测量引出装置工作示意图。

其中：1—agv载运系统、2—多相机组成的测量系统、3—基准花岗岩座、4—天线面板、5—天线面板安装块、6—空间测量基准网、7-天线杆系、8—机器人、9—引出装置、10—铰链轴、11—固定架、14—目标点、15—支撑框架、16—中间铰链销座、17—底部铰链销座、18—销孔测量靶标、19—测边靶座、20—摄影测量目标、21—网基准球靶座、22—长杆。

具体实施方式

以下结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

参见附图1所示，本发明所述的高效高精度大型卫星天线装配测量系统的主体结构主要包括agv载运系统1、多相机组成的测量系统2、空间测量基准网3、铰链测量引出装置9组成。agv载运系统1是承载基础并能够根据多相机组成的测量系统2测量数据定位及实现自主规划行走，达到测量位置优化目的。空间测量基准网3采用1.5英寸基准球靶座21构成，分高中低三层分布，高层测量网基准球靶座21固定安装基准花岗岩座3对面，并采用加长杆22固定以增加高度，中层测量网基准球靶座21固定安装在基准花岗岩座3工作面上，底层测量网基准球靶座21固定安装在基准花岗岩座3前侧面上，高中低三层测量网基准球靶座21布置范围覆盖实际测量天线面板4的尺寸。高中低三层测量网基准球靶座21空间坐标位置采用多边干涉技术获取，多边测量技术是利用测量设备到目标点的边长信息，通过测量冗余的测量站和各测量站所得到的目标点边长值，将所有参与测量的测量站和目标点的位置统一在一个坐标系下并将空间位置确定下来，此种方法在实验室环境下30m×30m×3m范围内测量的空间靶座位置测量不确定达可达到0.05mm，之后切换成1.5英寸摄影测量目标20，多相机组成的测量系统2通过获取摄影测量目标信息实现自身摄影测量坐标系与基准网坐标系统一，同时实现自身测量设备的定位及数据的修正。铰链测量引出装置9采用销孔形式与铰链轴10连接，多相机组成的测量系统2通过同时获取六个点的空间位置及空间测量基准网6上的摄影测量目标20即可计算出销孔在总体测量坐标系下位置，从而获得铰链轴10的空间位置及姿态，指导机器人8进行姿态调整，实现铰链轴10的快速空间定位。

参见附图2所示，本发明所述的多相机组成的测量系统2由两组双目测量系统12组成，并固定安装在固定架11上，其相对位置间关系标定后，底部双目摄影测量系统用于测量空间测量基准网6实现摄影测量坐标系与测量网坐标系的统一，获取特征点数据，实现天线面板安装块5的位置及平面度测量。顶部双目摄影测量系统用于获取铰链测量引出装置9图像，实现铰链10位置测量。

参见附图3所示，本发明所述的铰链测量引出装置9由摄影测量目标点14、支撑框架15、中间铰链销座16、底部铰链销座17组成；摄影测量目标点14采取高低两层分布结构数量大于等于6点，摄影测量目标点14与中间铰链销座16、底部铰链销座17之间的空间位置预先标定，通过摄影测量目标点14位置即可反算出与中间铰链销座16、底部铰链销座17配合的铰链10空间位置及姿态。

本发明的工作过程参见附图4所示，首先将由1.5英寸基准球靶座21构成的高中低三层分布的空间测量基准网6的空间坐标采用跟踪仪基于多边算法进行标定，获取空间位置坐标并建立整体测量坐标系；第二，在基准花岗岩座3上铺设天线面板4，并在天线面板安装块5上安装四个销孔测量靶标18，销孔测量靶标18为带偏移量的靶标销，通过测量靶标销位置可获取与之配合的销孔位置，每个天线面板安装块5上有四个销孔位置通过销孔测量靶标18及多相机组成的测量系统2配合工作,即可获取每个天线面板安装块5在整个测量坐标系下的空间位置；在天线面板4前侧及缝隙安装测边靶座19，测边靶座19与多相机组成的测量系统2配合能够直接测量边缘位置，用于天线面板4间隙测量及调整；铰链测量引出装置9则通过销孔配合方式安装在中间铰链销座16上，布置完成后，多相机组成的测量系统2通过同时获取铰链测量引出装置9上六个点的空间位置及空间测量基准网6上的摄影测量目标20即可计算出销孔在总体测量坐标系下位置，进而获得铰链轴10的空间位置及姿态，指导机器人8进行姿态调整，实现铰链轴10的快速空间定位。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。