超大空间坐标测量网络标靶基站及瞄准方法研究

摘要

重大装备制造是事关国家经济安全、国防安全的战略性产业，其发展水平决定了一个国家装备制造业的核心竞争力。“超大尺寸测量”技术则是发展重大装备制造业的关键支撑技术之一。超大尺寸测量存在以下特点和难点:因待测点分布范围广且不规则，测量精度要求也不尽相同，故要求测量网络构建方法柔性易扩展;难以快速精确瞄准超大物体上的待测点;大空间的环境状态难以控制，所以测量精度易受环境因素影响。国家自然科学基金资助项目“基于无线传感网络引导的高精度超大空间坐标测量网络构建关键技术”(项目编号51275149)，正是针对上述难点研究建立全新的超大尺寸测量系统构建理念体系，以促进中国超大尺寸测量技术快速发展。该项目拟利用激光测距量程大、精度高的优点及无线传感网络定位无方向性的特点构建低成本、高精度、自动化、易扩展的超大空间坐标测量网络。
　　本学位论文围绕构建超大空间坐标测量网络所需的硬件——标靶基站及实现“低成本、高精度、自动化、易扩展”的测量网络构建目标展开了研究，主要工作内容及创新性成果如下:
　　1.研究并设计了满足快速精确瞄准要求的标靶基站
　　使测量网络直接瞄准待测点存在诸多问题。为此，提出了将待测点与标靶基站上合作标靶的特征点相关联，进而通过测量特征点坐标间接确定待测点坐标的测量方法。并对标靶基站的整体结构方案进行了研究，选用测量模型较为简单的球形标靶设计了便携式标靶基站，提出了利用多面体标靶直接获取三维姿态信息，并完成了相关的数学建模，设计了可自动修正姿态误差的移动式标靶基站。
　　2.研究了满足非规则分布待测点、非等精度测量需求的测量网络柔性构建方法
　　针对待测点分布不规则、坐标测量精度要求不相等的测量任务，提出了精度自适应的布站方法，使得构建测量网络所需的测量基站数量最少;为标定共面安装的测量网络，提出了模拟基站辅助自标定方法:通过在远离测量基站安装面的位置上布置模拟基站，并用模拟基站和部分测量基站组建临时测量单元的方式，来提高测量网络自标定精度。
　　3.研究了自动瞄准方法并研制了相应软件
　　使用模拟基站辅助自标定的方法确定各测量基站测距起点的坐标时，需使测量基站瞄准模拟基站上球形标靶的中心点，并使主动基站瞄准被动基站的标靶板中心点;使用移动式标靶基站测量待测点坐标时，需使测量基站瞄准多面体标靶测量面的中心点。为此，根据合作标靶及标靶板的形状特点研究了关于球形标靶、多面体标靶及标靶板的自动瞄准方法。
　　4.构建了超大空间坐标测量网络实验系统，完成了相关验证实验。
　　为验证所提出的测量网络瞄准方法及柔性构建方法的效果，分别构建了相应的实验系统并编写了相关软件，最终完成了各验证实验。实验结果表明，所提方法是可行和有效的。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 分布式超大尺寸测量技术研究现状

1．2．1 现有分布式测量系统介绍

1．2．2 测量网络构建关键技术研究现状

1．3 论文的主要研究内容

第二章 标靶基站结构研究

2．1 标靶基站整体结构方案研究

2．1．1 合作标靶研究

2．1．2 坐标传递关系获取方法研究

2．1．3 整体结构方案设计

2．2 便携式标靶基站结构设计

2．2．1 测杆结构设计

2．2．2 重力自适应机构设计

2．2．3 辅助装置结构设计

2．3 移动式标靶基站结构设计

2．3．1 多面体标靶形状设计

2．3．2 姿态变化量获取方法研究

2．3．3 待测点坐标测量建模

2．3．4 中心测杆部件装调方法

2．4 本章小结

第三章 测量网络柔性构建方法研究

3．1 精度自适应布站方法研究

3．1．1 精度自适应问题及求解

3．1．2 仿真验证

3．2 模拟基站辅助自标定方法研究

3．2．1 测量基站结构介绍

3．2．2 无目标点自标定模型

3．2．3 模拟基站辅助自标定方法

3．2．4 仿真验证

3．3 测量子网络坐标系关联标定

3．4 本章小结

第四章 测量网络瞄准方法研究

4．1 自标定瞄准方法研究

4．1．1 球形标靶中心点瞄准方法研究

4．1．2 标靶板中心点瞄准方法研究

4．2 待测点坐标测量瞄准方法研究

4．2．1 移动式标靶基站瞄准方法研究

4．3 本章小结

第五章 实验验证

5．1 球形标靶中心点测距扫描瞄准实验

5．1．1 实验系统构建

5．1．2 测距扫描控制软件设计

5．1．3 实验步骤与结果

5．2 标靶板中心点测距扫描瞄准实验

5．2．1 实验系统构建

5．2．2 数据处理及测距扫描控制软件设计

5．2．3 实验步骤及结果

5．3 标靶基站坐标测量自动引导实验

5．3．1 实验系统构建

5．3．2 引测关系标定方法研究及控制软件设计

5．3．3 实验步骤及结果

5．4 测量网络精度标定实验

5．4．1 球形标靶移动距离标定

5．4．2 精度自适应布局求解

5．4．3 测量网络构建

5．4．4 测量网络精度标定过程及结果

5．5 本章小结

第六章 总结及展望

6．2 创新点总结

6．3 研究工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况