分布式大尺寸測量系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀文獻綜述當前國際上應用比較常見的大尺寸測量方式根據(jù)測量形式的不同可以分為兩大類：集中式測量和分布式測量，前者可以由一個單獨的測量單元即可完成待測點的坐標測量，包括三坐標測量儀、激光跟蹤儀、激光雷達、關節(jié)測量臂等，后者需要綜合多個測量單元的信息才能完成待測點的坐標測量，包括經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、iGPS測量系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)字攝影測量系統(tǒng)等。1）三坐標測量儀系統(tǒng)三坐標測量儀是得到廣泛使用的一種坐標測量設備。簡單的來說，三坐標測量儀具有三個相互垂直方向自由移動的導軌，它們構成笛卡爾坐標系的X、Y和Z軸。三個方向上的位置信息量經(jīng)過探測器采集信號，再經(jīng)有處理數(shù)據(jù)能力的處理器計算得到坐標信息[5]。經(jīng)過過年的發(fā)展，三坐標測量儀已經(jīng)具有計算尺寸精度、幾何精度等更多的應用[6]，且精度和效率也得到了廣泛的認可。超大型龍門三坐標測量儀是三坐標測量儀在大尺寸空間測量中的典型應用，主要應用于全球航天航空、發(fā)電和重型機械制造行業(yè)，測量精度高、適應工業(yè)環(huán)境強，缺點是該系統(tǒng)較大，一旦確定建立，不便于移動和調整，且為接觸式測量，限制了一些方面的應用。如圖1-2所示的是意大利COORD3公司的MCT-PLUS龍門三坐標測量機，其最大的測量空間可拓展至20m×5m×2.5m，精度0.1μm，目前在西班牙航空公司運載火箭的制造測量和在中車株洲電力機車的生產(chǎn)中得到了應用[7-8]。（a）MCT-PLUS龍門三坐標測量機;(b)MCT-PLUS龍門三坐標測量機在車間的應用圖1-2MCT-PLUS三坐標測量機的應用三坐標測量機測量精度高、可以檢測幾乎所有的形狀公差，缺點是對環(huán)境要求相對較高，操作人員需要一定的培訓，不適合做大范圍的動態(tài)測量，而且造價也比較昂貴。2）激光跟蹤儀測量系統(tǒng)激光跟蹤儀測量系統(tǒng)測量時用單臺激光跟蹤儀測單個靶球的空間坐標。利用激光干涉測距技術和測角技術相結合[9]，測得靶點在跟蹤儀的球坐標系下的水平角、俯仰角和距離，進而計算得到空間坐標值。測量過程中，跟蹤頭發(fā)出激光對目標靶球進行跟蹤，多目標并行測量能力弱，且靶球移動過快則會造成丟光。激光跟蹤儀在工業(yè)領域應用比較成熟，在大尺寸工件裝配、機器人定位以及其他一些高精度測量中經(jīng)常使用[10-12]。如圖是1-3是Leica公司生產(chǎn)的AT960絕對激光跟蹤儀，測量直徑可達160m，測距精度可達10μm+5μm/m，測角精度可達0.5"[13]。T-Probe探頭可以顯著提高測量速度并使測量結果更精確。使得傳統(tǒng)跟蹤儀功能的局限性在最大程度上降到最低程度，從另一個角度來說，它可以完成許多三坐標測量機不能做的任務；T-Scan能夠使快速地數(shù)字化各種表面，能夠達到更高的精度，而且不需要對表面進行任何預先處理。(a)AT960絕對激光跟蹤儀；(b)T-Probe探頭；(c)T-Scan探頭圖1-4LeicaAT60-LR激光跟蹤儀及其測頭3）工業(yè)數(shù)字攝影測量系統(tǒng)工業(yè)數(shù)字攝影測量是一種基于空間角度交匯的測量方式。搭建完整的攝影測量系統(tǒng)包括高精度的相機、測量標識和處理軟件等[14]。首先在被測物體表面貼多個測量標識點，相機從多個方向進行圖像采集，處理軟件進行圖像處理得到標識點的三維坐標。受到此工作原理的限制，工業(yè)數(shù)字攝影測量是一種離線的測量方式，實時性會差一些。目前，全球工業(yè)數(shù)字攝影測量系統(tǒng)做的較好的生產(chǎn)廠家主要有德國Aicon公司、美國GIS公司與挪威Metronor公司等。如圖1-5為挪威Metronor公司基于攝影測量技術生產(chǎn)的Metronor-Two系統(tǒng)，由高精度CCD工業(yè)數(shù)碼相機、采點系統(tǒng)和電腦及測量軟件組成，它測量范圍大，無接觸式并行測量、適合現(xiàn)場應用和完備的幾何量檢測方案，成熟地應用于工業(yè)用坐標測量系統(tǒng)、軍用火箭準星校靶系統(tǒng)和AIMS數(shù)據(jù)整合軟件系統(tǒng)。攝影測量系統(tǒng)由于輕便并且精度高，在工業(yè)領域生產(chǎn)裝配、建筑領域測繪監(jiān)測、軍事領域定位導航也得到廣泛得應用[15-17]。圖1-5Metronor-Two系統(tǒng)組成4）iGPS測量系統(tǒng)iGPS系統(tǒng)英文全稱為indoorGPS,因此也叫做室內GPS。起初，這個概念是美國一家公司在GPS的啟發(fā)下提出的，某種意義上來說，這也是一種局部GPS技術。隨后，日本Nikon公司完整的研制出了可以用于大尺寸測量的iGPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)組成方式如圖1-6所示，包括掃描基站、接收器和電腦及測量軟件，工作方式為多個掃描基站在電機的驅動下按照設定的不同轉速進行空間旋轉掃描，同時發(fā)出兩個扇形激光平面，接收器根據(jù)掃描基站的光線計數(shù)時間特征，計算接收器所在點的空間角度位置，根據(jù)角度前方交會原理，由多條空間直線確定目標的空間三維坐標[18-20]。iGPS系統(tǒng)的優(yōu)點如下：(1)測量范圍大。單臺掃描基站的激光掃描范圍可達幾十米，在實際應用中，可以通過增加掃描基站臺數(shù)，通過合理的布站，再通過參數(shù)標定將多臺掃描基站組成一個測量系統(tǒng)，其測量范圍可以大很多。(2)并行測量能力強。在掃描基站固定后，測量網(wǎng)絡的傳感器在上位機運行負載之內理論上是可以無限增加的。(3)不易丟光，自動搜索目標，無需人工對準。即使個別掃描基站激光被檔，傳感器只要收到的激光基站數(shù)大于等于二即可解算相應的坐標。正因為它的優(yōu)點有很多，所以在很多方面都可以得到很好的應用。iGPS系統(tǒng)可以集成安裝到生產(chǎn)線或裝配線中，是動態(tài)跟蹤和大尺寸零部件裝配的理想工具；有可以用來定位，從而提高制造裝配能力和產(chǎn)品質量；還可以進行在線檢測等[21-23]。全球有多個團隊對iGPS系統(tǒng)進行了研究。國外，英國巴斯大學對iGPS系統(tǒng)的性能進行了深入的研究，如圖1-6為實驗現(xiàn)場，通過與激光跟蹤儀測量對比，得出在10m×10m×2m的測量區(qū)域內和95%置信概率下，單個掃描基站對待測點的測量時間為2秒時，角度測量不確定度為0.5角秒，坐標解算不確定度為25um，iGPS系統(tǒng)長度測量的不確定度為0.17mm，在每個坐標分量上的測量精度均優(yōu)于0.19mm[24]。都靈理工大學對iGPS系統(tǒng)測量精度的研究表明，在6m×10m的范圍內，系統(tǒng)對于1m標準長度測量的標準差為0.2mm[25-26]。圖1-6巴斯大學iGPS測量系統(tǒng)研究實驗現(xiàn)場國內，天津大學的研究團隊在iGPS定位原理的基礎上，提出了如圖1-7所示的wMPS測量系統(tǒng)[27]，不僅從掃描基站光束整合、電機驅動轉速控制研究、接收器關鍵技術等硬件方面進行了深入研究，而且從掃描基站布局優(yōu)化[28]、