[发明专利]超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超长框架变形与姿态测量系统与方法，具体是一种基于激光准直和视觉检测技术的超长框架变形与姿态的多点实时测量系统与方法。

背景技术

框架的变形与姿态测量，是国民经济各领域中的常见需求。随着科学技术的不断进步，各种框架的尺寸越来越长、质量越来越轻，例如大尺度、大口径的展开天线、大尺寸航天器支撑臂等。

常规的框架变形与姿态测量方法与直线度测量方法向类似，主要有三坐标法、经纬仪法、立体视觉法和激光准直法。

三坐标测量系统是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现对其坐标精确的测量。它的优点是测量准确、效率高、通用性好、测量点众多且没有限制。缺点是属于接触式测量方式，不易对准特征点，对测量环境要求高、不便携，测量范围小（最大约十几米），无法实现实时性测量。

经纬仪测量系统主要是由两台或两台以上的高准确度电子经纬仪构成的空间角度前方交汇测量系统，它是在大尺寸测量领域应用最早并且最多的一种测量系统。它主要由电子经纬仪、基准尺、通讯接口、联机电缆及微机组成。经纬仪测量系统的优点是：测量范围较大(可达几十米至上百米)，属于非接触式测量方式，测量准确度比较高，测量点众多且没有限制。但是，经纬仪测量系统一般采用手动校准目标，需要逐点测量，测量速度慢、效率低、自动化程度不高，无法实现实时性。

立体视觉法主要由两台或两台以上摄像机从不同的位置同时摄取被测物体，利用不同像面上的成像差异，通过特征点匹配等方法确定被测点的信息。立体视觉法的特点是测量范围大、获取测量数据快、实时性好，受环境影响小，可测量变形和运动物体，测量点众多且没有限制。其缺点是测量精度差，测量速度不高，受环境光影响严重。

激光准直测量通常以激光束作为准直测量的基准，主要是对设备或机构的直线度以及位置偏移量进行测量。激光由于其方向性好、光能量强等优点普遍应用于大型设备的精度测量中。激光束的准直精度成为机构测量精度的重要保证，也是测量其他形位误差的基础。因此，超长距离的准直光在大尺度空间可展开机构的精度测量中有着广泛的应用价值。但是，由于激光束在空气中传播还受到很多自身以及环境因素影响而使得其准直的精度不高。此外，传统的激光准直测量系统一般只能有一个光电探测器，实现一个测量点的测量。对于长距离的直线度测量而言，必须采用相应的导轨移动探测器，方可实现长距离的直线度偏差测量。

但是，对于超长尺寸框架的变形与姿态测量，由于框架尺寸超长（几米至几百米），测量点众多（几十点至几百点），上述传统的几种测量方法均不能奏效，因而这成为全世界范围内的一个难题。

发明内容

为了解决现有方法的测量距离短、实时性差、精度低、需用导轨等问题，本发明提出一种基于激光准直和视觉检测的超长框架变形和姿态多点实时测量系统与方法：

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种超长框架变形与姿态的多点实时测量系统，该测量系统包括测量底座、上变形测量系统、姿态测量系统和下变形测量系统等几个单元。测量底座位于被测框架近端附近的某一固定位置处，与被测框架并不接触，且具有足够的刚性和稳定性。上下两个变形测量系统结构完全相同，分别测量框架上下边缘多个测量点的变形量。姿态测量系统负责测量框架远端的空间位置。上下变形测量系统与姿态测量系统相互独立，两者同时工作，实现整个超长框架的测量。

所述上下两个变形测量系统分别包括1个激光器、1个准直镜组、多个探测镜组、多个光电单元等。激光器和准直镜组安置于测量底座之上，探测镜组和光电单元分别安置于被测框架的相应测量点位置处。所述探测镜组可以接收准直激光束，并将其中一小部分准直激光束反射到光电单元并产生一个定位光斑，用以测量该位置的变形量。其余大部分准直激光束可以透过探测镜组，然后投射后面的探测镜组，从而可以实现整个框架的多点变形量实时测量。

本发明的姿态测量系统由摄像机、镜头、光源和反射标志组构成。摄像机、镜头和光源安置于测量底座之上，反射标志组安置于被测框架的远端位置处。由光源发出的光束照亮反射标志组，并通过镜头成像到摄像机之中，通过图像处理和数据处理得到远端的空间位置信息。