CN105136128A - 基于两点定位的机体结构测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两点定位的机体结构测量方法，包括：在测量地选择测量过程一直可见的两个固定点；架设全站仪；在全站仪坐标系中测量固定点的坐标；在机身中轴线水平面为含X和Y轴的平面坐标系，垂直水平面作Z轴，得机体坐标系；计算机体坐标系转换系数；测待测点在全站仪坐标系中坐标，与机体坐标系转换系数得在机体坐标系中的坐标；移动全站仪至可测其余待测点的位置，测量固定点在当前全站仪坐标系中的坐标，计算全站仪坐标系转换系数，测其余待测点在全站仪坐标系中的坐标，结合全站仪坐标系与机体坐标系转换系数得在机体坐标系中的坐标，根据所有测点在机体坐标系中的坐标得机体结构。本发明方法简单，处理速度快且无需专业人员操作。

Description

基于两点定位的机体结构测量方法

技术领域

本发明涉及一种在机体结构测量情况下使用的数据测绘方法领域。更具体地说，本发明涉及一种用在固定翼飞机的机体结构测量情况下使用的基于两点定位的机体结构测量方法。

背景技术

固定翼飞机自从诞生以来就在军事及民用领域有着广泛的应用，随着科技的发展，固定翼飞机向着更高、更快的方向发展，因此也就对机体结构提出了高的要求。飞机生产过程中的加工、装配误差及长期飞行导致的机械疲劳都会产生机体结构不对称、主体结构形变等情况发生，因此产生了对机体主体结构测量的需求。

由于固定翼飞机通常体型较大，且外形为不规则形状，因此无法从一个角度完成整个机体的测量，通常需要从机体不同角度进行测量，然后再对数据进行拼接处理。常用的测量方法有基于视觉的非接触式测量，常用基于点云的激光扫描仪、基于特征点及编码点的视觉测量技术和全站仪等，这些测量工具都具有数据拼接的能力。

激光扫描仪通过在物体表面投射激光点云实现对物体表面的测量，该方法精度较高且可以实现数据的自动拼接，但是激光扫描仪设备成本较高，且由于数据量大，处理时间较长。

基于特征点及编码点的视觉测量方法在测量前需要在机体上粘贴反光固定点及编码固定点，然后用相机从不同角度对机体进行拍照，利用软件对获取图像中的特征点进行提取、拼接，该方法精度较高，但同样设备成本高，且粘贴固定点会耗费大量时间，降低了测量效率。

基于全站仪的测量方式成本较低，精度较高，可通过自由建站的方式对测量数据进行拼接，但是需要经过专业培训的测绘人员进行操作，限制了该方法的使用。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述至少一个问题或缺陷，并提供后面将说明的至少一个优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于两点定位的机体结构测量方法，其通过在可视范围内选择两个固定点实现不同位置测量数据的拼接，同时通过机体中轴线上两点，可将测量数据转换至机体坐标系内，该方法使用简单，处理速度快，并且不需要受过培训的专业人员操作。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于两点定位的机体结构测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在机体测量场地周围选择在测量过程中一直可见的两个固定点；

步骤二、架设全站仪，调整所述全站仪的高度，确定所述全站仪坐标系；

步骤三、在所述全站仪坐标系中依次测量所述固定点的坐标；

步骤四、选定机身中轴线上的一点作为坐标原点，以所述机身中轴线所在水平面为包含X轴和Y轴的平面坐标系，通过所述坐标原点垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系；

步骤五、根据计算获得机体坐标系转换系数；

步骤六、测量所述全站仪可视范围内的待测点，获得所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，根据所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标与所述机体坐标系转换系数获得所述待测点在所述机体坐标系中的坐标；

步骤七、移动所述全站仪至可测量到所述机体的其余待测点的位置，使用所述全站仪测量所述固定点的坐标获得所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标，根据所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标与所述步骤三中获得的坐标计算获得全站仪坐标系转换系数，使用所述全站仪测量其余待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，结合所述全站仪坐标系转换系数与所述机体坐标系转换系数获得其余待测点在所述机体坐标系中的坐标，最终根据所有待测点在所述机体坐标系中的坐标构建机体结构。

优选的是，其中，所述步骤五中，根据计算获得机体坐标系转换系数具体包括：设第一检测点与第二检测点为机身中轴线上的两点，将所述第一检测点作为所述机体坐标系的坐标原点，设第一检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₁,y₁,z₁)，第二检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₂,y₂,z₂)，坐标偏移量为offsetX，offsetY，offsetZ，偏转角为α，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetX=x_1\\ offsetY=y_1\\ offsetZ=z_1\end{array}\right.$

优选的是，其中，所述步骤七中，根据所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标与所述步骤三中获得的坐标计算获得全站仪坐标系转换系数具体包括：设所述步骤三中两个所述固定点的坐标分别S₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，S₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，两点连线在全站仪坐标系下偏转角为SA₁，步骤七中，两个所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标分别为S_n1(x_n1,y_n1,z_n1)，S_n2(x_n2,y_n2,z_n2)，两点连线在全站仪坐标系下偏转角为SA_n当前全站仪坐标系偏移量为offsetSX，offsetSY，offsetSZ，偏转角γ，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetSX=x_{n1}-x_{11}\\ offsetSY=y_{n1}-y_{11}\\ offsetSZ=z_{n1}-z_{11}\end{array}\right.$

γ＝SA₁-SA_n。

优选的是，其中，所述步骤四中具体包括：选定机身中轴线上的两点，将其中靠近机头的一点作为坐标原点，所述坐标原点与另一点的连线作为Y轴，将通过原点且在所述机身中轴所在水平面上垂直于所述Y轴的直线作为X轴，将通过坐标原点且垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系。

优选的是，其中，所述全站仪坐标系转换与所述机体坐标系转换包括平移和旋转步骤，首先平移所述全站仪坐标系的原点，使其与所述机体坐标系的原点重合，最后通过逆时针旋转令两坐标系x轴与y轴重合，从而实现坐标系转换。

优选的是，其中，所述步骤五中，所述机体坐标转换系数包括坐标偏移量和偏转角。

优选的是，其中，所述步骤一中，两个固定点为测量现场架设的固定点或者任何测量现场中的固定点。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通过在可视范围内选择两个固定点实现不同位置测量数据的拼接，同时通过机体中轴线上两点，可将测量数据转换至机体坐标系内，该方法使用简单，处理速度快，并且不需要受过培训的专业人员操作。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中基于两点定位的机体结构测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

图1示出了根据本发明的一种实现形式，示出了基于两点定位的机体结构测量方法的过程。其中包括：

步骤一、在机体测量场地周围选择在测量过程中一直可见的两个固定点；

步骤二、架设全站仪，调整所述全站仪的高度，确定所述全站仪坐标系；

步骤三、在所述全站仪坐标系中依次测量所述固定点的坐标；

步骤四、选定机身中轴线上的一点作为坐标原点，以所述机身中轴线所在水平面为包含X轴和Y轴的平面坐标系，通过所述坐标原点垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系；

步骤五、根据计算获得机体坐标系转换系数；

步骤六、测量所述全站仪可视范围内的待测点，获得所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，根据所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标与所述机体坐标系转换系数获得所述待测点在所述机体坐标系中的坐标；

步骤七、移动所述全站仪至可测量到所述机体的其余待测点的位置，使用所述全站仪测量所述固定点的坐标获得所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标，根据所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标与所述步骤三中获得的坐标计算获得全站仪坐标系转换系数，使用所述全站仪测量其余待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，结合所述全站仪坐标系转换系数与所述机体坐标系转换系数获得其余待测点在所述机体坐标系中的坐标，最终根据所有待测点在所述机体坐标系中的坐标构建机体结构。

在其中一个实施例中，通常对于固定翼飞机可在三个角度完成整个机体的测量，其中设机头区域为区域1，两个机翼区域分别为区域2与区域3。

首先在区域1内架设全站仪，调整所述全站仪的高度，确定所述全站仪坐标系，并依次测量两个固定点。设两固定点点在区域1内所测量坐标分别为S₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，S₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，连线在全站仪坐标系下偏转角为SA₁；其中，两个固定点为测量现场架设的固定点或者任何测量现场中的固定点。

选定机身中轴线上的两点，将其中靠近机头的一点作为坐标原点，所述坐标原点与另一点的连线作为Y轴，将通过原点且在所述机身中轴所在水平面上垂直于所述Y轴的直线作为X轴，将通过坐标原点且垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系。

设第一检测点与第二检测点为机身中轴线上的两点，将所述第一检测点作为所述机体坐标系的坐标原点，设第一检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₁,y₁,z₁)，第二检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₂,y₂,z₂)，坐标偏移量为offsetX，offsetY，offsetZ，所述第一检测点与第二检测点两点连线与全站仪坐标系Y轴之间偏转角为α，也即为初始全站仪坐标系与机体坐标系之间偏转角，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetX=x_1\\ offsetY=y_1\\ offsetZ=z_1\end{array}\right.$

其中，机体坐标转换系数包括坐标偏移量和偏转角。

然后进行坐标系转换，将测量点由全站仪坐标系转到机体坐标系内，坐标系转换分为平移与旋转两步，首先通过平移将全站仪坐标系原点与机体坐标系原点重合，在通过逆时针旋转令两坐标系x轴与y轴重合，从而实现坐标系转换。

依次测量在当前全站仪架设位置可视的待测点，设检测点P在全站仪坐标系下坐标为(x,y,z)，所述第一检测点与第二检测点两点连线与当前全站仪坐标系中Y轴之间偏转角为，在机体坐标系下坐标为(x’,y’,z’)，则有：

重复上述过程至当前区域内可视测量点全部测量完毕。

将全站仪移动到区n(n＝2、3)内，依次测量两个固定点的坐标。

在区域n(n＝2、3)内所测量两个固定点在当前全站仪坐标系中的坐标分别为S_n1(x_n1,y_n1,z_n1)，S_n2(x_n2,y_n2,z_n2)，两个固定点连线在当前全站仪坐标系下偏转角为SA_n。设建站坐标系偏移量offsetSX，offsetSY，offsetSZ，偏转角γ，所述偏转角γ为当前全站仪坐标系与第一次全站仪坐标系之间夹角，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetSX=x_{n1}-x_{11}\\ offsetSY=y_{n1}-y_{11}\\ offsetSZ=z_{n1}-z_{11}\end{array}\right.$

设在区域n采集到的检测点Q坐标为(x₀,y₀,z₀)，相对于当前全站仪坐标系偏转角为在经过建站转换后坐标为(x,y,z)，则有：

经过坐标系转换后，检测点P在全站仪坐标系下坐标为(x,y,z)，偏转角为设其在机体坐标系下坐标为(x’,y’,z’)，则有：

重复上述步骤直至所有待测点测量完毕，此时所有被测量点位于机体坐标系内，最终根据所有待测点在所述机体坐标系中的坐标构建机体结构。

这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于两点定位的机体结构测量方法及系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，根据本发明，通过在可视范围内选择两个固定点实现不同位置测量数据的拼接，同时通过机体中轴线上两点，可将测量数据转换至机体坐标系内，该方法使用简单，处理速度快，并且不需要受过培训的专业人员操作。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于两点定位的机体结构测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在机体测量场地周围选择在测量过程中一直可见的两个固定点；

步骤二、架设全站仪，调整所述全站仪的高度，确定所述全站仪坐标系；

步骤三、在所述全站仪坐标系中依次测量所述固定点的坐标；

步骤四、选定机身中轴线上的一点作为坐标原点，以所述机身中轴线所在水平面为包含X轴和Y轴的平面坐标系，通过所述坐标原点垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系；

步骤五、根据计算获得机体坐标系转换系数；

步骤六、测量所述全站仪可视范围内的待测点，获得所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，根据所述待测点在所述全站仪坐标系中的坐标与所述机体坐标系转换系数获得所述待测点在所述机体坐标系中的坐标；

步骤七、移动所述全站仪至可测量到所述机体的其余待测点的位置，使用所述全站仪测量所述固定点的坐标获得所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标，根据所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标与所述步骤三中获得的坐标计算获得全站仪坐标系转换系数，使用所述全站仪测量其余待测点在所述全站仪坐标系中的坐标，结合所述全站仪坐标系转换系数与所述机体坐标系转换系数获得其余待测点在所述机体坐标系中的坐标，最终根据所有待测点在所述机体坐标系中的坐标构建机体结构。

2.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述步骤五中，根据计算获得机体坐标系转换系数具体包括：设第一检测点与第二检测点为机身中轴线上的两点，将所述第一检测点作为所述机体坐标系的坐标原点，设第一检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₁,y₁,z₁)，第二检测点在所述全站仪坐标系中的坐标为(x₂,y₂,z₂)，坐标偏移量为offsetX，offsetY，offsetZ，偏转角为α，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetX=x_1\\ offsetY=y_1\\ offsetZ=z_1\end{array}\right.$

3.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述步骤七中，根据所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标与所述步骤三中获得的坐标计算获得全站仪坐标系转换系数具体包括：设所述步骤三中两个所述固定点的坐标分别S₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)，S₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，两点连线在全站仪坐标系下偏转角为SA₁，步骤七中，两个所述固定点在当前全站仪坐标系中的坐标分别为S_n1(x_n1,y_n1,z_n1)，S_n2(x_n2,y_n2,z_n2)，两点连线在全站仪坐标系下偏转角为SA_n当前全站仪坐标系偏移量为offsetSX，offsetSY，offsetSZ，偏转角γ，则有：

$\left\{\begin{array}{c}offsetSX=x_{n1}-x_{11}\\ offsetSY=y_{n1}-y_{11}\\ offsetSZ=z_{n1}-z_{11}\end{array}\right.$

γ＝SA₁-SA_n。

4.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述步骤四中具体包括：选定机身中轴线上的两点，将其中靠近机头的一点作为坐标原点，所述坐标原点与另一点的连线作为Y轴，将通过原点且在所述机身中轴所在水平面上垂直于所述Y轴的直线作为X轴，将通过坐标原点且垂直所述水平面的坐标轴作为Z轴，构建机体坐标系。

5.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述全站仪坐标系转换与所述机体坐标系转换包括平移和旋转步骤，首先平移所述全站仪坐标系的原点，使其与所述机体坐标系的原点重合，最后通过逆时针旋转令两坐标系x轴与y轴重合，从而实现坐标系转换。

6.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述步骤五中，所述机体坐标转换系数包括坐标偏移量和偏转角。

7.如权利要求1所述的基于两点定位的机体结构测量方法，其中，所述步骤一中，两个固定点为测量现场架设的固定点或者任何测量现场中的固定点。