面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法

2023-09-22 12:29:45 2

專利名稱：面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法
技術領域：
本發明涉及一種精密測量方法，特別涉及一種面向超大型空間複雜曲面的絕對無
幹擾精密測量方法。
背景技術：
超大型空間(範圍在十幾米至幾十米)複雜曲面(各局部法線方向差異巨大)的 測量問題是航空航天、船舶製造等超大型設備製造領域中常見的迫切問題。這類測量問題 較常規尺寸測量面臨更複雜的技術難題，突出表現在以下兩個方面一是需要兼顧測量範 圍和測量精度兩方面，在幾十米的測量範圍內實現亞毫米級的高精度測量，具有相當難度； 二是被測曲面的高複雜性，大多數傳統測量手段由於自身的局限無法簡單、高效地完成測 量任務。因此，面對超大型空間複雜曲面，傳統測量方法已經無法勝任。 近年來發展了一種基於近景攝影測量的視覺測量方法，其具有測量精度高、測量 效率高、可任意拓展測量空間的優點，成為測量超大型空間複雜曲面的主流方法。目前國 際市場上已經出現基於此方法的成熟系統，最典型的是美國GSI公司的V-STARS近景攝影 測量系統，類似的產品還有德國G0M公司的TRIT0P測量系統、德國AIC0N公司的DPA測量 系統等等。上述測量系統均需在被測物表面設置可視的測量點特徵和編碼特徵，其中測量 點特徵可以通過光學投射的方式設置，但編碼特徵必需通過在被測物表面設置物理標記實 現。上述方法存在兩個明顯的局限一是對於超大型空間複雜曲面，需要設置很多編碼特 徵，對被測物形貌造成一定程度的幹擾；二是面對表面無法設置任何物理特徵的被測對象， 上述方法便無法完成測量任務。 目前存在一種不基於粘性標記的大型三維形體測量方法，該方法不採用粘性標 記，對被測物表面形貌沒有影響。但此方法需要在被測物周圍設置用於全局控制的物理標 志，且要求所有全局控制的物理標誌均在相機視場中。由於相機視場有限，導致此方法存在 局限僅適用於被測空間在3 5米範圍內，無法適應十幾米至幾十米範圍的超大型空間復 雜曲面的測量要求。

發明內容
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種面向超大型空間複雜曲面 的絕對無幹擾精密測量方法，該方法在不利用編碼標誌的情況下採用近景攝影測量方法實 現超大型空間複雜曲面的測量，無需在被測物表面設置任何物理標記，對被測物表面形貌 不造成絲毫幹擾。
本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是一種面向超大型
空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法，利用光學投射方法設置全局控制點和測量點；
利用定向相機結合控制點技術，實現測量相機在各測站下的初始定向；利用全局控制點實
現各測量點區域的拼接，再利用測量點作為公共點實現全局控制點區域的拼接。 上述測量方法，包括以下步驟，1)預先標定測量相機上的控制點在測量相機坐標系下的精確空間三維坐標；規劃被測物表面多個全局控制點區域；2)固定定向相機，當定 向相機的數量多於1臺時，標定各定向相機間的空間位姿關係；3)對某一全局控制點區域 進行測量，測量過程中利用全局控制點投射器投射該全局控制點區域中的全局控制點，利 用測量相機在空間多個位姿下拍攝該全局控制點區域中的全局控制點，同時利用定向相機 拍攝測量相機至少包含4個測量相機控制點的圖像，解算測量相機每個位姿下的初始姿 態，基於光束平差算法的近景攝影測量方法，解算該全局控制點區域內全局控制點的精確 坐標，建立全局控制點坐標系0JJeZe ;在該全局控制點區域內規劃測量點區域，利用測量 點投射器在每個測量點區域內投射測量點，利用測量相機分別拍攝每個測量點區域的圖像 獲取對應區域內測量點的三維坐標，利用每個測量點區域中包含的全局控制點將各測量點 區域的數據拼接到全局控制點坐標系(V^YeZe中，完成該全局控制點區域的測量；4)對相鄰 的另一全局控制點區域進行測量，並完成相鄰全局控制點區域之間的拼接；a、當上一全局 控制點區域全部測量完成時，保持測量點投射器的位置不動，移動全局控制點投射器到下 一位置，使其投射到當前全局控制點區域中，利用測量相機在空間多個位置姿態下獲取當 前全局控制點區域的圖像，其中包含測量點投射器在上一個全局控制點區域中投射的最後 一個測量點區域內的測量點；b、利用上一個全局控制點區域中最後一個測量點區域內的測 量點作為公共控制點，將當前全局控制點區域內的全局控制點拼接到全局坐標系OJJA 中，獲取當前全局控制點區域中全局控制點在全局坐標系0^YA下的精確三維坐標，實現 相鄰全局控制點區域的拼接； c、按照步驟3)完成當前全局控制點區域中測量點的測量和拼接； 5)重複步驟4)，直到完成被測物所有全局控制點區域的測量和拼接。 本發明具有的優點和積極效果是利用定向相機結合控制點技術解決了測量相機
在空間各測站下的初始定向問題，實現了在不依靠編碼標誌的情況下進行基於光束平差方
法的近景攝影測量；本發明能夠任意拓展測量空間，測量方式自由，可根據具體測量任務設
置測量相機位置姿態，在解決各局部法線方向差異巨大的複雜曲面的測量問題時，具有明
顯優勢；測量過程中可視特徵全部採用光學投射的方法設置，無需在被測物表面設置任何
物理特徵，能夠實現超大空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量。


圖1是本發明實施過程示意圖。 圖中1、定向相機，2、測量相機，3、全局控制點投射器，4、測量點投射器，5、基準 尺，6、測量相機控制點，7、全局控制點，8、測量點，9-l、9-2、全局控制點區域，10-l、10-2、 10-3、 10-4、 10-5、測量點區域。
具體實施例方式
為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖 詳細說明如下 請參閱圖l，本發明一種面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法，其 步驟為 1)預先標定測量相機2上的測量相機控制點6在測量相機坐標系下的精確空間三維坐標；規劃被測物表面多個全局控制點區域9-l、9-2、……； 2)設置定向相機l，定向相機1的數量應根據被測物的測量區域和形貌確定。固 定定向相機1不動，如果定向相機數量多於1臺時，標定各定向相機間的空間位姿關係；
3)對全局控制點區域9-1進行測量，測量過程中利用光學投射的方法設置全局控 制點區域9-1中的全局控制點7和測量點8。將全局控制點投射器3放於GP1位置投射全 局控制點區域9-l中的全局控制點7。並將帶有兩個標記點的基準尺5放置於測量區域內， 基準尺5上的兩標記點之間的距離即為基準距離。利用測量相機2在空間多個位姿下拍攝 全局控制點區域9-1中的全局控制點7和基準尺5的圖像，與此同時利用定向相機1拍攝 測量相機2至少包含4個測量相機控制點6的圖像，以解算相機每個位姿下的初始姿態，從 而利用基於光束平差算法的近景攝影測量方法，解算全局控制點區域9-1內全局控制點的 精確坐標，建立全局控制點坐標系0JJeZe。將測量點投射器4分別放置在CP1、 CP2、…、 CP5等位置在測量點區域10-1、…、10-5投射測量點8，測量點區域移動範圍要覆蓋全局控 制點區域9-1，利用測量相機2分別拍攝每個測量點區域內的圖像進而獲取區域內測量點8 的三維坐標，並利用每個測量點區域中包含的全局控制點7將各測量點區域的數據拼接到 全局控制點坐標系OJJeZe中，完成全局控制點區域9-1的測量。 4)對全局控制點區域9-2進行測量，測量過程中實現相鄰全局控制點區域9-1和 9-2的拼接； a、當全局控制點區域9-1全部測量完成時，固定測量點投射器4在位置CP5不動， 移動全局控制點投射器3到位置GP2，使其投射到全局控制點區域9-2中，利用測量相機2 在空間多個位置姿態下獲取全局控制點區域9-2的圖像，其中包含測量點投射器4在位置 CP5投射的測量點區域10-5內的測量點。 b、利用測量點區域10-5內的測量點作為公共控制點，將全局控制點區域9-2內的 全局控制點拼接到全局控制點區域9-1所確定的全局坐標系OJJeZe中，進而獲取全局控制 點區域9-2中全局控制點在全局坐標系OJJeZe下的精確三維坐標，實現全局控制點區域 9-1和9-2的拼接。 c、按照測量步驟3)中關於測量點的測量和拼接方法，完成當前全局控制點區域 9-2的測量點的測量和拼接。 5)重複步驟4)，直到完成被測物所有全局控制點區域的測量和拼接。 當被測物表面範圍更大，需要規劃多個全局控制點測量區域時，只需重複測量步
驟4)中的方法建立當前全局控制點區域與上一全局控制點區域的坐標系轉換關係，建立
起全局控制點投射區間坐標系轉換關係的傳遞鏈，將每個全局控制點投射區坐標系統一到
全局坐標系OJJA中，實現多個全局控制點區域的拼接；在每個全局控制點區域內劃分多
個測量點區域進行測量，再將測量點數據統一到全局坐標系下，最終實現了大型物體整體
表面三維形貌的無幹擾測量。 本發明使用的測量系統由定向相機、測量相機、全局控制點投射器、測量點投射器 和基準尺組成。利用控制點技術，在測量相機上設置至少4個控制點，保證控制點和測量相 機之間的空間關係固定不變，並預先標定好控制點在測量相機坐標系下精確的空間三維坐 標。 如圖1所示，根據具體測量任務和測量環境規劃測量空間，在測量相機的後方空間內設置至少一臺定向相機。保證在實施測量時，測量相機在每個測站下，測量相機上的至 少4個控制點出現在某臺定向相機的視場中。如果定向相機數量大於1臺時，預先標定好 定向相機間的空間位置姿態關係。整個測量過程中，保證定向相機位置固定不動，由定向相 機系統建立全局坐標系0JJeZe。
測量時，首先利用光學投射的方法設置全局控制點，並設置好基準尺(包含兩個
標記點，標記點之間距離固定，即為基準距離)。利用近景攝影測量方法，採用測量相機獲
取全局控制點的精確三維坐標。在測量相機採集全局控制點圖像的同時，利用定向相機對
測量相機上的控制點成像，利用控制點間的精確距離作為約束條件解算當前測站下控制點
在全局坐標系下的三維坐標。控制點在測量相機坐標系下的精確三維坐標通過預先標定已
知，利用控制點作為公共點解算測量相機在各測站下的初始位置姿態相對於全局坐標系的
關係。利用測量相機在各測站下的初始位置姿態，解算全局控制點的初始三維坐標，然後通
過光束平差優化算法解算全局控制點的精確三維坐標。然後利用光學投射的方法在當前的
全局控制點區域內依次投射各個測量點區域，結合基準尺，利用近景攝影測量方法測量每
個測量點區域，然後利用全局控制點將每個單元測量區域拼接到全局坐標系中。 當被測區域範圍超出全局控制點單次投射區域時，利用相鄰兩個全局控制點區域
間公共的測量點作為公共點，實現相鄰全局控制點區域的拼接，然後按照上述方法實現每
個全局控制點區域內測量點的測量。 需要說明的是這裡所提的"絕對無幹擾"區別於現有的三維形貌"無幹擾"測量
方法，現有方法中的"無幹擾"針對基於粘性標記、對被測表面幹擾嚴重的方法，但其仍然需
要在被測表面周圍設置物理特徵，對被測表面形貌特徵仍然造成一定程度的幹擾。 儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上
述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通
技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可
以作出很多形式，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法，其特徵在於，利用光學投射方法設置全局控制點和測量點；利用定向相機結合控制點技術，實現測量相機在各測站下的初始定向；利用全局控制點實現各測量點區域的拼接，再利用測量點作為公共控制點實現全局控制點區域的拼接。
2. 根據權利要求1所述的面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法，其特 徵在於，包括以下步驟1) 預先標定測量相機(2)上的控制點(6)在測量相機坐標系下的精確空間三維坐標； 規劃被測物表面多個全局控制點區域(9-1)、 (9-2)、……;2) 固定定向相機(l)，當定向相機(1)的數量多於l臺時，標定各定向相機間的空間位 姿關係；3) 對某一全局控制點區域(9-1)進行測量，測量過程中利用全局控制點投射器(3)投 射該全局控制點區域(9-1)中的全局控制點(7)，利用測量相機(2)在空間多個位姿下拍 攝該全局控制點區域(9-1)中的全局控制點(7)，同時利用定向相機(1)拍攝測量相機(2) 至少包含4個測量相機控制點(6)的圖像，解算測量相機(2)每個位姿下的初始姿態，基 於光束平差算法的近景攝影測量方法，解算該全局控制點區域(9-1)內全局控制點(7)的 精確坐標，建立全局控制點坐標系(V(JeZe;在該全局控制點區域(9-1)內規劃測量點區域 (10-1)、 (10-2)、……、(10-5)，利用測量點投射器(4)在每個測量點區域內投射測量點 (8)，利用測量相機(2)分別拍攝每個測量點區域的圖像獲取對應區域內測量點的三維坐 標，利用每個測量點區域中包含的全局控制點(7)將各測量點區域的數據拼接到全局控制 點坐標系0JJeZe中，完成該全局控制點區域(9-1)的測量；4) 對相鄰的另一全局控制點區域(9-2)進行測量，並完成相鄰全局控制點區域之間的 拼接；a、 當上一全局控制點區域(g-D全部測量完成時，保持測量點投射器(4)的位置不動， 移動全局控制點投射器(3)到下一位置，使其投射到當前全局控制點區域(9-2)中，利用測 量相機(2)在空間多個位置姿態下獲取當前全局控制點區域(9-2)的圖像，其中包含測量 點投射器(4)在上一個全局控制點區域(9-1)中投射的最後一個測量點區域(10-5)內的b、 利用上一個全局控制點區域(9-1)中最後一個測量點區域(10-5)內的測量點作為 公共控制點，將當前全局控制點區域(9-2)內的全局控制點拼接到全局坐標系OJJA中， 獲取當前全局控制點區域(9-2)中全局控制點在全局坐標系O^YA下的精確三維坐標，實 現相鄰全局控制點區域(9-1)和(9-2)的拼接；c、 按照步驟3)完成當前全局控制點區域(9-2)中測量點的測量和拼接；5) 重複步驟4)，直到完成被測物所有全局控制點區域(9-1) 、(9-2)、……的測量和拼接。
全文摘要
本發明公開了一種面向超大型空間複雜曲面的絕對無幹擾精密測量方法，利用光學投射方法設置全局控制點和測量點；利用定向相機結合控制點技術，實現測量相機在各測站下的初始定向；利用全局控制點實現各測量點區域的拼接，再利用測量點作為公共點實現全局控制點區域的拼接。本發明解決了在不利用編碼標誌的情況下採用近景攝影測量方法實現超大型空間複雜曲面的測量問題。無需在被測物表面設置任何物理標記，對被測物表面形貌不造成絲毫幹擾。
文檔編號G01B11/24GK101706262SQ20091022835
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者吳斌, 林嘉睿, 鄒劍, 邾繼貴, 郭磊 申請人:天津大學