基于光电扫描的网络式大尺寸测量系统定位算法研究

　　大尺寸精密测量技术是重大装备如大型飞机制造、数字化造船、大型机电设备安装等制造过程中的支撑技术之一，是保证质量的关键[1]。在大尺寸测 量的过程中，测量范围与测量精度矛盾突出，传统的测量手段难以满足工业上对测量范围和测量精度的双重需求[2]。目前，常用的大尺寸测量设备主要有激光跟 踪仪、电子经纬仪和摄影测量系统[3]。这些测量系统在使用中都曝露出各自的缺陷，如激光跟踪仪测量系统每次只能跟踪测量一个目标，经纬仪系统需要逐点手 工测量，为了适应大型设备安装的需求，人们提出了网络式测量系统。网络式测量系统由多个测量基站组成，具有实时性好、抗干扰能力强、易于扩展的特点，通过 增加测量基站数量，将测量空间划分成若干个子测量空间，协调测量精度与测量范围的矛盾，实现大空间范围内的高精度测量。

　　天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室在研究了常用的大尺寸测量系统的基础上，结合Metris 公司推出的iGPS 测量系统，设计出了一套基于光电扫描的网络式大尺寸测量系统，称之为wMPS( workspace Measuring Position System) 。该系统以电子经纬仪的交会式测量原理为基础，引入了光电扫描的角度测量方法，提高了系统的自动化程度和并行测量能力，非常适合工业现场大尺寸测量与质量 控制。文献[4]研究了wMPS 系统的组成以及系统结构，建立了发射器模型，提出了基于角度交会的坐标计算方法，并通过实验进行了验证，文献[2]对系统的内参数标定以及系统定向方法进 行了研究，提出了系统内外参数的标定方法。文献[5]在角度交会测量方法的基础上提出了利用平面交会计算坐标的新方法。本文在此基础上对角度交会方法和平 面交会方法进行了证明和比较，分析了主要误差，并通过实验平台对这两种算法进行了比较、验证。实验证明，利用基于光平面交会的算法能够极大的改善系统精 度，可满足大多数工业及军工现场使用的要求，应用前景广泛。

　　1 wMPS 硬件系统组成及原理

　　wMPS 三维测量系统主要由激光发射器网络、位置传感器、中心计算机和无线通讯系统组成，如图所示[4-7]。激光发射器由固定基座和转动头组成，安装有两个一字 线激光器和一个脉冲激光器，两个一字线激光器固定于转动头上，激光器产生的光平面分别与垂直方向呈±30°，呈V 字形。当发射器工作时，激光器所产生的光平面随转动头一同旋转，对测量空间进行扫描。脉冲激光器用于产生一个计时同步时刻，以该时刻光平面1 与发射器水平面之间的交线为发射器X 正方向，旋转轴为Z 方向，按右手定则确定Y方向。发射器产生的光信号由位置传感器接收，从而计算得到发射器的方位角( 水平方位角和垂直方位角) ，通过同步计算传感器与多个发射器之间的方位角进行交会获得传感器的三维坐标。由于反射器和接收器之间的光信号是单向传输，因此多个位置传感器可以同时利 用这些光信号同时工作。