用于空間超大尺寸結(jié)構(gòu)的面形與距離高精度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對(duì)空間超大尺寸結(jié)構(gòu)的面形與距離高精度測(cè) 量方法的研究。
【背景技術(shù)】
[0002] 在空間超大尺寸結(jié)構(gòu)的在軌應(yīng)用中，空間超大尺寸結(jié)構(gòu)一般是經(jīng)由可伸縮桁架展 開到位的，不可避免地會(huì)產(chǎn)生形位偏差。而由于許多空間超大尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)于自身面形與距 離有著高精度要求，因此需要對(duì)空間超大尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行面形與距離測(cè)量，以便后續(xù)調(diào)節(jié)和 控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種空間超大尺寸結(jié)構(gòu)的面形與距 離高精度測(cè)量方法。本發(fā)明的測(cè)量方法是通過(guò)激光雷達(dá)掃描測(cè)量技術(shù)，得到被測(cè)超大尺寸 結(jié)構(gòu)所有掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)信息，并最終求解得到面形與距離信息。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種用于空間超大尺寸結(jié)構(gòu)的面形與距離高精度測(cè)量方法，包 括：
[0005] 步驟1 :通過(guò)伺服馬達(dá)控制激光雷達(dá)掃描儀對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，得到被測(cè)結(jié)構(gòu) 上各個(gè)掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)（R，γ，Θ);其中，激光雷達(dá)掃描儀用于向被測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)出紅外 測(cè)距激光，伺服馬達(dá)，用于改變紅外測(cè)距激光出射的方位角γ、俯仰角θ;r表示激光雷達(dá) 掃描儀所在的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)與掃描點(diǎn)之間的距離；
[0006] 步驟2 :將各個(gè)掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，形成被測(cè)結(jié)構(gòu)的面 形信息；
[0007] 步驟3 :根據(jù)直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)擬合出等效平面；
[0008] 步驟4 :根據(jù)等效平面得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的距離信息與空間傾斜角信息。
[0009] 優(yōu)選地，測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)與掃描點(diǎn)之間的距離R是通過(guò)經(jīng)過(guò)調(diào)頻的紅外測(cè)距激光及紅 外測(cè)距激光對(duì)應(yīng)的參考光對(duì)比得到的。
[0010] 優(yōu)選地，步驟2包括如下步驟：
[0011] 步驟2. 1 :根據(jù)如下計(jì)算式將掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù) (x,y,z)：
[0012] x= Rsin(θ)
[0013] y= Rcos(Θ)sin(γ)
[0014] z= Rcos(Θ)cos(y) 〇
[0015] 優(yōu)選地，步驟3包括如下步驟：
[0016] 等效平面的平面方程記作式（1):
[0017] Ax+By+Cz+D= 0 (1)
[0018] 其中，A、B、C、D分別表示等效平面的平面方程的4個(gè)系數(shù)；
[0019] 對(duì)式⑴作歸一化處理后，如式⑵所示：
[0020] z=ax+by+c(2)
[0021] 式中，a= -A/C，b= -B/C，c= -D/C;
[0022] 建立線性回歸模型，如式（3)所示：
[0023] P=QX+e
[0024] (3)
[0025] e ~N (0,〇2)
[0026] 其中，P、Q、X分別即為下式中的
另外e表示線性誤差，~表示服從， N(0,。2)表示正態(tài)分布，。表示標(biāo)準(zhǔn)差；
[0028] 其中，η為測(cè)點(diǎn)數(shù)，xn、yn、別表示測(cè)點(diǎn)的X、y、z坐標(biāo)，&表示z坐標(biāo)的構(gòu)造矩 陣，2表示X、y坐標(biāo)的構(gòu)造矩陣，表示平面方程系數(shù)的構(gòu)造矩陣；
[0029] 根據(jù)LS估計(jì)準(zhǔn)則為
[0030] = C4)
[0031] 式中，Ι= .纟表示線性誤差估計(jì)，f表示對(duì)平面方程系數(shù)構(gòu)造矩的估計(jì)， min表示最小值；
[0032] 在LS估計(jì)準(zhǔn)則下，得到最小二乘解為
[0034] 得到等效平面的平面方程參數(shù)，a、b、c;其中，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，上標(biāo)-1表示求逆。
[0035] 優(yōu)選地，所述步驟4包括如下步驟：
[0036]記測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)為（X。，Y。，Z。)，則得到等效平面到測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的 距離L。如式（6)所示：
[0038] 優(yōu)選地，步驟4還包括如下步驟：
[0039] 平面方程AX+By+Cz+D= 0,其法線矢量為n= (A，B，C);則假設(shè)理想狀態(tài)下被測(cè)結(jié) 構(gòu)為平面時(shí)，記被測(cè)結(jié)構(gòu)平面z的平面方程為z=L，L為激光雷達(dá)掃描儀到被測(cè)結(jié)構(gòu)的距 離，平面方程z=L的法線矢量為nQ= (0, 0, 1);
[0040] 法線矢量為n= (A,B,C)與11。= (0, 0, 1)之間的空間傾斜角通過(guò)法線矢量為η= (A，B，C)繞Υ軸轉(zhuǎn)角α和繞X軸轉(zhuǎn)角β表示：

[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0044] 本發(fā)明的測(cè)量方法可以對(duì)空間超大尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行面形與距離高精度測(cè)量，以便后 續(xù)調(diào)節(jié)和控制。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0046] 圖1是測(cè)量系統(tǒng)組成圖。
[0047] 圖2是激光雷達(dá)掃描儀原理圖。
[0048] 圖中：
[0049] 1-掃描反射鏡
[0050] 2-俯仰伺服馬達(dá)
[0051] 3-方位伺服馬達(dá)
[0052] 4-第一分光鏡
[0053] 5_第二分光鏡
[0054] 6-紅外激光器
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0056] 如圖1所示，本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的方法使用到的裝置包括：激光雷達(dá)掃描儀 1、測(cè)量控制器2、信息處理器3。其中，激光雷達(dá)掃描儀1放置于測(cè)量基準(zhǔn)附近，朝向被測(cè)結(jié) 構(gòu)發(fā)出紅外測(cè)距激光，并且利用兩個(gè)伺服馬達(dá)改變出射激光的方位和俯仰角度，可以得到 被測(cè)結(jié)構(gòu)上所有被掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)；測(cè)量控制器2對(duì)激光雷達(dá)掃描儀進(jìn)行朝向角度控 制和數(shù)據(jù)采集，并且可以預(yù)設(shè)好各個(gè)測(cè)量區(qū)域邊界和掃描控制程序；信息處理器3使用各 個(gè)測(cè)量值進(jìn)行綜合計(jì)算，最終得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的面形與距離信息；綜合計(jì)算方法是使用各掃 描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，然后擬合出等效平面，得到面形與距離信息。
[0057] 如圖2所示的是激光雷達(dá)掃描儀原理圖。紅外激光器發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)頻的測(cè)距激光， 經(jīng)分光鏡分出一路作為參考光，最后處理電路將反射光同參考光進(jìn)行對(duì)比分析，可以解算 出被測(cè)點(diǎn)的距離R(見下式所示）。
[0058] R=cXfp/ (2 (ΔF/ΔT))
[0059] 式中，c表示光速，fp表示拍頻，ΔF/ΔT表示調(diào)制系數(shù)。
[0060] 方位伺服馬達(dá)和俯仰伺服馬達(dá)，通過(guò)調(diào)整掃描反射鏡的轉(zhuǎn)角，可以控制出射激光 實(shí)現(xiàn)方向和俯仰掃描。程序逐點(diǎn)記錄下各掃描點(diǎn)的方位角γ、俯仰角Θ，和解算出的距離 R，形成了被測(cè)結(jié)構(gòu)各掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0061] 說(shuō)明一下在信息處理器3中所采用的綜合計(jì)算方法。
[0062] ①極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)
[0063] 將掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用下式轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步計(jì)算。
[0064] X = R sin( Θ )
[0065]y= Rcos( Θ )sin(γ)
[0066]z= Rcos( θ )cos(γ