P• oFinintdCompri*putation:
•
Minimize
∑ε 2 in n
r pik
=
f
(mr ki , µrk )
r m
=
(l,θ
,φ
)
1
r p
∗
εθ
εl
3 1
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Instrument Transform Computation:

Bx

T World k
=

0
R(γ , β ,α) 0
2014/4/9
第二讲 航空制造中的大尺寸测量技术
刘志刚
预备知识一：坐标变换
假设全局坐标系为{W}和传感器坐标系为{S}，传感器坐标系 相对于全局坐标系的关系由旋转矩阵R和平移矩阵T来确定
Pi=RQi+T
式中Pi是全局坐标系下的空间点的坐标值，Qi是传感器坐 标系同一组空间点的测量坐标值。
对于空间共同一组空间点，在两个坐标系下具有相 同的质心。分离平移适量T，先求解旋转矩阵R。两组数 据Pi和Qi的质心坐标
多种组合式测量装置
1.测头位置M位 于两特征点所在 的直线上。
2.而且一旦其中 一个特征点坐标 由于遮挡测不到， 将无法测量
1.只要距离值d特 征点的位置可以 随意给定。
2.而且一旦其中 一个特征点坐标 由于遮挡测不到， 将无法测量
三个以上特征点的冗余性结构设计
三测量点组合
7
2014/4/9
n手持测头冗余性结构设计
• Measure the points from the third instrument location.
多站式激光跟踪仪三维测量网络布局
• Measure the points from the fourth instrument location.
天津空客飞机总装厂的建设
Solve for Instrument Transformations
研制了多种具有特殊几何形状的光电传 感器，实现空间角度—时间的转换
差分式光电位置传感器 便携式三坐标测头
3600全向接收传感器 单片机多路控制器
n关键技术—发射机网络激光扫描信号识别技术
a. 发射机特征频率识别 在空间测量网络中，发射机之间各自旋转频率不同，即每台发射机都
有其特征频率，因此可通过发射机特征时间的频率匹配技术，识别其特征 频率从而对识别发射机。 b. 特征信号识别
• 3点以上特征点的冗余性结构设计
– 利用距离公式组成超定方程组
( (
x x
− −
x1 ) 2 x2 )2
+ +
(y (y
− −
y1 ) 2 y2 )2
M
+ (z − z1 )2 = d12
+
(z
−
z2 )2
=
d
2 2
(x
−
xn )2
+
(y
−
yn )2
+
(z
−
zn )2
=
d
2 n
位姿测量时，将若干个光电传感器固定在被测目标表面，测量每个光电传 感器其坐标值，从而计算出被测目标的位姿信息。
基于iGPS的组合型测头的测量原理
• 组合型测头必要性
– 平面型传感器，测量的是圆形点坐标，零件表面尺寸无法测量
• 组合型测量思想
– 利用多个传感器之间的相互约束关系进行组合测量
两测量点组合
X坐标精密度
0.06
0.04
0.02 0 1 101 201 301 401 501 601 701 801 测量点/N
Z坐标精密度
0.05 0.04 0.03
0.02 0.01
0
1
101 201 301 401 501 601 701 801 测量点/N
系统合成定位精密 度/ mm
系统定位精密度/mm
di (i = 1, 2,K, n)
为各测量点其到测头的距离， 通过标定求得
(xi , yi , zi )
组合式大尺寸测量
• Many instrument types and models in use.
• Each manufacturer has individual, incompatible, software applications.
• Users need to apply several devices to a single measurement task.
• 通过增加发射机网络规模，扩大测量范围。发射机网络一经标定就可以重复使用， 无需重新标定。
• 移动空间定位系统可构建出：便携式大尺寸坐标测量系统、汽车、飞机等行业大 型构件装配的位姿实时在线测量系统、自动化生产线中工业机器人末端姿态测量 系统、自动导航小车AGV或自主机器人导航系统、人体运动轨迹跟踪系统等等。
测量设备
Theodolites & Total Stations
Portable CMMs
Digital Photogrammetry Laser Trackers
Digital Levels
Laser Scanners
激光跟踪仪（Laser Tracker）
激光跟踪仪测量原理
激光跟踪仪在航空制造中的应用
• Operators need to retrain on each software package.
Need: General Software
Common User Interface Unify Metrology Processes
Combined Results
Software A
Software B
Y坐标精密度
0.04 0.03 0.02 0.01
0 1
101 201 301 401 501 601 701 801 测量点/N
合成测量精密度
0.06
0.04
0.02 0 1 101 201 301 401 501 601 701 801 测量点/N
长度误差 /mm 长度误 差/mm
n现场标定算法实验验证
X向标定误差
Y向标定误差
标准差/mm
X向误差 0.0116
Y向误差 0.0212
Z向标定误差
Z向误差 0.0172
合成误差 0.0296
系统定位精密度/mm
单点测量精密度(连续测量同一空间点，求标准差)
标准差/mm
X向精/σx 0.014
Y向精度/σy 0.008
Z向精密/σz 0.013
合成精密度 0.021
5
2014/4/9
n 局域空间定位系统构成
传
感 器
碳 纤
维
杆
测量系统主要构成
l 发射机网络：每台发射机发射两个 扇形光平面和一个回转基准脉冲。发 射机绕转轴高速旋转，使两个扇形光 平面对整个测量空间进行扫描。
l 发射网络基准时间的无线传输
l 光电传感器与数据采集计算
l 发射器内外参数标定装置
n 关键技术-光电传感器技术
光电传感器
光电传感器
用于内参数标定的标定台
用于外参数标定的标定杆
6
2014/4/9
n 局域空间定位试验测量系统的研制
第一代局域空间定位系统
第三代局域空间定位系统
第二代局域空间定位系统
研制的发射机网络测量定位系统，实现了 空间三维定位与物体空间位姿测量。
n 测量系统精度验证
p测量距离：5m p测量点数：30 p测量范围：600mm×380mm
设各传感器之间互不相关,以变量的伪随机抽样获得服从三个传感器
单元概率分布的随机数，注入到测量真值中，再根据测量模型产生可能
的结果分布ξ。 循环上述步骤m次，得到m个样本（ξ1,ξ2,,…,ξm），对样本进行统计
就得到不确定度参数（Ux,Uy,Uz)T.
2
2014/4/9
多站式激光跟踪仪三维测量网络布局
将分离出来的发射机特征频率数据以参考信号作为基准，对相应的发 射机激光平面进行空间角度匹配，实现将激光平面的特征时间分离出来。
不同类型发射机混频信号分离
n关键技术—特征角度计算
A. 时域光电信号峰值精密提取方法 首先降低信号采用频率、粗测峰
值位置，然后通过曲线拟合方式精 确提取峰值时间方法。
传感器光电信号的零相位滤波
C飞AD机环装境配下中装的配大、尺测寸量测的量实时可视化
装配中各部件外形靠型架保 证，对接好的全机各部件相 对位置，特别是影响飞机气 动特性的参数（如机翼安装 角、后掠角、上反角等）和 飞机的对称性，要通过激光 跟踪仪测量来检测。
在各部件上都有一些打上标记 的特征点，在整架飞机对接好后， 用激光跟踪仪测出它们的相对位置， 经过换算即可得到实际参数值。
0.28 0.42
现场标定标定杆长度误差
11
21
31
41
51
61
测量次数/N
系统定位精密度/mm
n 局域空间系统的主要特点
• 在测量区域内，定位与坐标测量任务不受限制，能够实现多目标实时在线并行测 量；
• 现场测量区域不受限制，可以根据测量现场具体特点，确定发射机的数量与分布， 通过现场标定技术，快速构件现场空间定位与坐标测量系统；
标准差 /mm 扩展不确定度
U95 /mm U99 /mm
捆绑表定标杆长度误差 0.123
0.246 0.369
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05
0 1
捆绑标定标定杆长度误差
11 21 31 41 51 61 71 测量次数/N