用于空间超大尺寸结构的面形与距离高精度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测量技术领域，具体涉及对空间超大尺寸结构的面形与距离高精度测 量方法的研究。
【背景技术】
[0002] 在空间超大尺寸结构的在轨应用中，空间超大尺寸结构一般是经由可伸缩桁架展 开到位的，不可避免地会产生形位偏差。而由于许多空间超大尺寸结构对于自身面形与距 离有着高精度要求，因此需要对空间超大尺寸结构进行面形与距离测量，以便后续调节和 控制。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间超大尺寸结构的面形与距 离高精度测量方法。本发明的测量方法是通过激光雷达扫描测量技术，得到被测超大尺寸 结构所有扫描点的极坐标信息，并最终求解得到面形与距离信息。
[0004] 根据本发明提供的一种用于空间超大尺寸结构的面形与距离高精度测量方法，包 括：
[0005] 步骤1 :通过伺服马达控制激光雷达扫描仪对被测结构进行扫描，得到被测结构 上各个扫描点的极坐标数据（R，γ，Θ);其中，激光雷达扫描仪用于向被测结构发出红外 测距激光，伺服马达，用于改变红外测距激光出射的方位角γ、俯仰角θ;r表示激光雷达 扫描仪所在的测量基准点与扫描点之间的距离；
[0006] 步骤2 :将各个扫描点的极坐标数据转换为直角坐标系数据，形成被测结构的面 形信息；
[0007] 步骤3 :根据直角坐标系数据拟合出等效平面；
[0008] 步骤4 :根据等效平面得到被测结构的距离信息与空间倾斜角信息。
[0009] 优选地，测量基准点与扫描点之间的距离R是通过经过调频的红外测距激光及红 外测距激光对应的参考光对比得到的。
[0010] 优选地，步骤2包括如下步骤：
[0011] 步骤2. 1 :根据如下计算式将扫描点的极坐标数据转换为直角坐标系数据 (x,y,z)：
[0012] x= Rsin(θ)
[0013] y= Rcos(Θ)sin(γ)
[0014] z= Rcos(Θ)cos(y) 〇
[0015] 优选地，步骤3包括如下步骤：
[0016] 等效平面的平面方程记作式（1):
[0017] Ax+By+Cz+D= 0 (1)
[0018] 其中，A、B、C、D分别表示等效平面的平面方程的4个系数；
[0019] 对式⑴作归一化处理后，如式⑵所示：
[0020] z=ax+by+c(2)
[0021] 式中，a= -A/C，b= -B/C，c= -D/C;
[0022] 建立线性回归模型，如式（3)所示：
[0023] P=QX+e
[0024] (3)
[0025] e ~N (0,〇2)
[0026] 其中，P、Q、X分别即为下式中的
另外e表示线性误差，~表示服从， N(0,。2)表示正态分布，。表示标准差；
[0028] 其中，η为测点数，xn、yn、别表示测点的X、y、z坐标，&表示z坐标的构造矩 阵，2表示X、y坐标的构造矩阵，表示平面方程系数的构造矩阵；
[0029] 根据LS估计准则为
[0030] = C4)
[0031] 式中，Ι= .纟表示线性误差估计，f表示对平面方程系数构造矩的估计， min表示最小值；
[0032] 在LS估计准则下，得到最小二乘解为
[0034] 得到等效平面的平面方程参数，a、b、c;其中，上标T表示转置，上标-1表示求逆。
[0035] 优选地，所述步骤4包括如下步骤：
[0036]记测量基准点的直角坐标系坐标为（X。，Y。，Z。)，则得到等效平面到测量基准点的 距离L。如式（6)所示：
[0038] 优选地，步骤4还包括如下步骤：
[0039] 平面方程AX+By+Cz+D= 0,其法线矢量为n= (A，B，C);则假设理想状态下被测结 构为平面时，记被测结构平面z的平面方程为z=L，L为激光雷达扫描仪到被测结构的距 离，平面方程z=L的法线矢量为nQ= (0, 0, 1);
[0040] 法线矢量为n= (A,B,C)与11。= (0, 0, 1)之间的空间倾斜角通过法线矢量为η= (A，B，C)绕Υ轴转角α和绕X轴转角β表示：
[0043] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0044] 本发明的测量方法可以对空间超大尺寸结构进行面形与距离高精度测量，以便后 续调节和控制。
【附图说明】
[0045] 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：
[0046] 图1是测量系统组成图。
[0047] 图2是激光雷达扫描仪原理图。
[0048] 图中：
[0049] 1-扫描反射镜
[0050] 2-俯仰伺服马达
[0051] 3-方位伺服马达
[0052] 4-第一分光镜
[0053] 5_第二分光镜
[0054] 6-红外激光器
【具体实施方式】
[0055] 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。
[0056] 如图1所示，本实施例中，本发明提供的方法使用到的装置包括：激光雷达扫描仪 1、测量控制器2、信息处理器3。其中，激光雷达扫描仪1放置于测量基准附近，朝向被测结 构发出红外测距激光，并且利用两个伺服马达改变出射激光的方位和俯仰角度，可以得到 被测结构上所有被扫描点的极坐标数据；测量控制器2对激光雷达扫描仪进行朝向角度控 制和数据采集，并且可以预设好各个测量区域边界和扫描控制程序；信息处理器3使用各 个测量值进行综合计算，最终得到被测结构的面形与距离信息；综合计算方法是使用各扫 描点的极坐标数据转换为直角坐标系数据，然后拟合出等效平面，得到面形与距离信息。
[0057] 如图2所示的是激光雷达扫描仪原理图。红外激光器发出经过调频的测距激光， 经分光镜分出一路作为参考光，最后处理电路将反射光同参考光进行对比分析，可以解算 出被测点的距离R(见下式所示）。
[0058] R=cXfp/ (2 (ΔF/ΔT))
[0059] 式中，c表示光速，fp表示拍频，ΔF/ΔT表示调制系数。
[0060] 方位伺服马达和俯仰伺服马达，通过调整扫描反射镜的转角，可以控制出射激光 实现方向和俯仰扫描。程序逐点记录下各扫描点的方位角γ、俯仰角Θ，和解算出的距离 R，形成了被测结构各扫描点的极坐标数据。
[0061] 说明一下在信息处理器3中所采用的综合计算方法。
[0062] ①极坐标数据转换为直角坐标数据
[0063] 将扫描点的极坐标数据利用下式转换为直角坐标数据，以便进一步计算。
[0064] X = R sin( Θ )
[0065]y= Rcos( Θ )sin(γ)
[0066]z= Rcos( θ )cos(γ