飛行試驗(yàn)空間定位測量是在真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下，對航空飛行器及附件等位置參數(shù)進(jìn)行測量[1]，其主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測以及工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定中。近幾年來隨著數(shù)字化測量技術(shù)進(jìn)入制造領(lǐng)域，其在測量、檢測、裝配、校準(zhǔn)等領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，尤其是對于尺寸大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝要求高、生產(chǎn)速度要求快的各類型航空武器系統(tǒng)。在航空武器系統(tǒng)的測量中，既要測量飛機(jī)、武器本身的位姿信息，還要測量飛機(jī)與武器之間的相互關(guān)系;測量精度要求高，測量任務(wù)多，測量頻度高，每年測量上百架次;測量由原來的靜態(tài)轉(zhuǎn)換為動(dòng)靜結(jié)合;且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測試向著數(shù)字化、綜合化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、在線化等智能化方向快速發(fā)展[2]。

　　要快速實(shí)現(xiàn)上述測量需求，智能化測試系統(tǒng)的研制是必然選擇。沒有有效的測量手段就不可能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化檢測，只有通過智能化測試系統(tǒng)的構(gòu)建，才可提高試飛測試精度、速度，節(jié)省人力、物力。本文主要針對空間定位測量需求，跟蹤國內(nèi)外智能化測試技術(shù)發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)滿足未來武器發(fā)展需求的高精度空間三維點(diǎn)、線、面一體化智能測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備仿真計(jì)算、在線校準(zhǔn)、在線測量、快速處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型構(gòu)建，武器系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝過程在線檢測、復(fù)雜體的定位及試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)控，為現(xiàn)場測試、決策提供依據(jù)。

　　1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 基本框架

　　依據(jù)飛行試驗(yàn)所需，采用先進(jìn)的數(shù)字化測量設(shè)備如全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、三維掃描儀、激光跟蹤儀等多測量設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，以期解決飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能檢測和工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定問題。構(gòu)建思路是基于三維模型，通過計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對被測對象的一體化測量[3];通過離線編程進(jìn)行設(shè)備的布局與任務(wù)規(guī)劃，系統(tǒng)建成后可在線檢測、在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，縮短處理周期，提高測量數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。在測量平臺(tái)構(gòu)建過程中充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性，系統(tǒng)構(gòu)建既要具有數(shù)據(jù)處理、操控功能，同時(shí)要能夠?qū)y量設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化，對測量任務(wù)軌跡線路進(jìn)行規(guī)劃，在確保精度的情況下完成自動(dòng)化測量。系統(tǒng)框架如圖 1 所示。

　　1.2 系統(tǒng)組成

　　針對飛行試驗(yàn)機(jī)庫特點(diǎn)，構(gòu)建智能化高精度定位測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)化采集、記錄、計(jì)算、結(jié)果報(bào)表生成等功能。智能測量系統(tǒng)主要由5 個(gè)分系統(tǒng)組成：精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、測控中心分系統(tǒng)、測量仿真分系統(tǒng)。其中精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)、三維建模分系統(tǒng)、影像測量分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的采集與獲取;測控中心分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、操控、引導(dǎo)、分析、顯示等功能;測量仿真分系統(tǒng)主要完成測量設(shè)備的布局、組合以及測量路徑的規(guī)劃，是進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵，同時(shí)也是自動(dòng)化測量的基礎(chǔ)。具體組成如下：

　　(1)精確點(diǎn)測量分系統(tǒng)。由全站儀、光學(xué)坐標(biāo)測量儀、激光跟蹤儀等設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)對被測對象特征點(diǎn)測量。

　　(2)影像測量分系統(tǒng)。由攝像機(jī)、鏡頭、解析軟件等組成，利用近景攝影原理對目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量，可以給出靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量過程目標(biāo)點(diǎn)的測量結(jié)果。

　　(3)三維建模分系統(tǒng)。包含三維掃描儀，模型構(gòu)建工具等，主要用于模型構(gòu)建或者是目標(biāo)的測量及姿態(tài)求取。

　　(4)測控中心分系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中的相機(jī)、三維激光掃描儀以及全站儀等設(shè)備的后臺(tái)操作控制和信息實(shí)時(shí)采集、引導(dǎo)發(fā)送、處理、評估、顯示等，具備圖像處理、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)解析以及平差計(jì)算等功能。

　　(5)測量仿真分系統(tǒng)。根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境知識(shí)建立仿真模型，對測量特性進(jìn)行仿真計(jì)算，通過仿真給出某個(gè)特定任務(wù)中參與測量的測量設(shè)備的組合、布局、測量任務(wù)的規(guī)劃，是系統(tǒng)優(yōu)化配置的關(guān)鍵。主要用于任務(wù)的準(zhǔn)備，模擬測量現(xiàn)場，對設(shè)備布局，設(shè)備干涉、測量軌跡路徑的模擬，對測量方案及計(jì)劃進(jìn)行確認(rèn)。

　　1.3 軟件規(guī)劃

　　對于一項(xiàng)測試，要進(jìn)行智能化測量，任務(wù)部署規(guī)劃很重要。首先通過測量仿真，獲取測量規(guī)劃，然后再依據(jù)規(guī)劃進(jìn)行在線化測量及結(jié)果報(bào)表的生成。軟件功能的部署如圖 2 所示。

　　2.關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 聯(lián)合靶標(biāo)的合理設(shè)計(jì)、布置和測量

　　一個(gè)由多測量設(shè)備構(gòu)成的綜合測量系統(tǒng)要獲取高精度的測量結(jié)果，首先要根據(jù)觀測對象條件來確定聯(lián)合靶標(biāo)設(shè)計(jì)及布局，以確保測量體系的統(tǒng)一。在這一過程中，需要充分考慮多種測量設(shè)備對測量標(biāo)志的識(shí)別特點(diǎn)，考慮測量對象的尺寸規(guī)模、標(biāo)志點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為此進(jìn)行了聯(lián)合靶標(biāo)的設(shè)計(jì)，讓所有測量設(shè)備信息可以劃歸在統(tǒng)一測量體系。設(shè)計(jì)的聯(lián)合靶標(biāo)如圖 3 所示，由反射棱鏡和圓形回光反射標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成，其中反射棱鏡可以由激光跟蹤儀或全站儀識(shí)別，而圓形回光反射標(biāo)志點(diǎn)可以由影像測量設(shè)備、三維掃描儀識(shí)別，然后通過解析算法，依據(jù)反射棱鏡的中心把所有的測量點(diǎn)劃歸在同一個(gè)參考中心。要提高測量精度，在布局過程中要獲取多樣性的觀測數(shù)據(jù)。多樣性的觀測數(shù)據(jù)是其平差模型準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。在布控時(shí)考慮測量過程中的盲區(qū)分布、光學(xué)單元可利用的空間分布、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源布置等。

　　2.2 基于模型的智能化測量流程設(shè)計(jì)

　　智能化測量流程設(shè)計(jì)是基于數(shù)字化三維仿真模型[4 5]。首先對測量任務(wù)需求進(jìn)行解析。根據(jù)相關(guān)測試要求進(jìn)行測量指令的生成，依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，通過測量仿真進(jìn)行測量設(shè)備的選取、組合與布局。根據(jù)仿真生成的測量規(guī)劃進(jìn)行集成控制及自動(dòng)化測量，在測控中心完成所有測量數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)體系、數(shù)據(jù)解算，完成在線測量與分析，最終給出測量結(jié)果。自動(dòng)化測量流程如圖 4 所示。

　　2.3 測量仿真

　　測量仿真是實(shí)現(xiàn)智能測量的首要條件，在復(fù)雜試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境下，建立合理的測量場模型是測量規(guī)劃與系統(tǒng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[6?7]?？傮w上，測量場模型要根據(jù)測量任務(wù)的要求及現(xiàn)場環(huán)境模型而建立，其中應(yīng)包括工作空間、零部件、障礙物、測量目標(biāo)、測量儀器、測量空間內(nèi)的環(huán)境因素等信息。對測量系統(tǒng)按照不同布局或配置方案組合，通過仿真將形成不同的測量場結(jié)果，由此可以在現(xiàn)場實(shí)際測量實(shí)施之前評價(jià)測量系統(tǒng)的性能參數(shù)并得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證測量場模型和試驗(yàn)需求相符性，在仿真過程中著重關(guān)注可視性與精度特性。測量仿真過程如圖 5 所示。

　　2.4 自動(dòng)化測量過程

　　自動(dòng)測量用到的設(shè)備有跟蹤設(shè)備(跟蹤儀，全站儀)，采用“坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換設(shè)備自動(dòng)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)找點(diǎn)數(shù)據(jù)采集”的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)測量[8]。首先基于三維數(shù)/模獲取各測量點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的理論位置，計(jì)算設(shè)計(jì)坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)下各個(gè)測點(diǎn)在測量坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)值，通過程序控制測量設(shè)備自動(dòng)定位到要采集的測量點(diǎn)附近，使跟蹤儀自動(dòng)精確搜尋到靶球靶心，完成測量，然后進(jìn)入下一個(gè)所需點(diǎn)的搜索并測量。

　　3.驗(yàn)證

　　利用全站儀、影像測量系統(tǒng)等組建了一個(gè)綜合測量平臺(tái)，通過該系統(tǒng)驗(yàn)證了實(shí)時(shí)引導(dǎo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換 、平 差 處 理 等 關(guān) 鍵 功 能 。 利 用 開 發(fā) 的 軟件可穩(wěn)定操控設(shè)備進(jìn)行測量、融合精度優(yōu)于單獨(dú)設(shè)備精度;測量范圍得到拓展。同時(shí)在多個(gè)型號(hào)測試驗(yàn)證了多測量設(shè)備組合自動(dòng)化測量模式，實(shí)現(xiàn)了在線測量，提高工作效率與測量的可靠性。

　　4.結(jié)語

　　采用多測量設(shè)備可以構(gòu)建大尺寸智能化定位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)建成之后，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)任務(wù)在線快速測量。智能化測量是一個(gè)系統(tǒng)工程，要達(dá)到智能化測試目標(biāo)，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、補(bǔ)點(diǎn)建線構(gòu)面、逐步實(shí)施。中國飛行試驗(yàn)研究院按照此思路正在開展智能化測試工作的逐步推進(jìn)，系統(tǒng)的建成將有力助推飛行試驗(yàn)智能化測試技術(shù)的發(fā)展，對提高測試精度和測量速度，節(jié)省人力、物力都具有非常重要的作用。