CN112902935B - 一种多功能测量基准器 - Google Patents

Abstract

一种多功能测量基准器涉及光学精密机械测量技术领域，解决了现有过程繁琐、操作不便、精度低等问题，包括基准底座、反射镜面、角锥棱镜、摄影测量编码标识以及摄影测量点；基准底座包括安装面、第一表面、第二表面和第三表面，第一表面、第二表面和第三表面相互垂直；反射镜面至少为两个，其中两个反射镜面相互垂直，相互垂直的反射镜面用于经纬仪自准直；角锥棱镜、反射镜面、摄影测量编码标识以及摄影测量点均设置在基准底座除安装面外的表面上，基准底座上设有摄影测量点的表面也设有摄影测量编码标识，摄影测量编码标识用于标识摄影测量点所在表面。本发明稳定性测量准确度高，精密装调方便，测量和建立测量坐标系简捷。

Description

一种多功能测量基准器

技术领域

本发明涉及光学精密机械测量技术领域，具体涉及一种多功能测量基准器。

背景技术

随着对成像分辨率的要求不断提高，空间相机的口径越来越大。然而，受空间运载能力的限制，航天高精密光学系统不得不更多地采用轻量化材料来制作桁架结构。大尺寸桁架结构的稳定性是保证空间相机等高精密光机系统满足指标要求的重要前提。因此，需要在地面对大尺寸桁架的稳定性进行精密测量。

目前，对桁架结构稳定性测量一般采用空间坐标测量，包括经纬仪测量、激光跟踪仪测量、摄影测量等。为了衡量试验前后结构特征变化量，各个组件在设计时均设有参考基准特征。为方便测量，目前普遍的做法有如下三种，一是：对于体积较小的组件，通常在组件表面按照一定规则粘贴传感器，通过软件分析即可得到实验前后组件稳定性测量结果；二是：对于特殊的航天器组件，测量人员在这些组件上固连一些立方棱镜或跟踪仪靶球等。在试验前后对各个参考基准特征的位姿关系进行精确测量，得到各个组件坐标系相对于基准坐标系之间的坐标转换矩阵，进而将各个组件的基准坐标系传递至基准工件。通过对实验前后各个组件相对于基准工件的位姿关系变化即可得到各个组件稳定性评价结果。三是：对于大尺寸精度要求不高的桁架结构，通常采用摄影测量等测量设备。

另外，对于航天、遥感、天文等领域的精密系统，除了加工制造高精度、高稳定度的光学元件和机械元件外，还需要通过有效的方法，将各个光学及机械组件装调到各自的理论位姿，使得系统整体达到预期设计指标。装调方法的精度和效率，直接决定了整个系统的指标实现和研制周期。在高精密光机系统的装调过程中，通常需要测量各个组件基准坐标系之间的空间位姿关系，再通过微调机构将各组件调整至理论位置，完成装配。各个组件在设计时均设有参考基准特征，为方便测量，并避免设计的参考基准特征在装配过程中被遮挡，目前普遍的做法是在这些组件上固连一些立方棱镜。在装配之前，对各个组件与其固连的立方棱镜之间的位姿关系进行精测，建立组件基准坐标系与立方棱镜坐标系之间的坐标转换矩阵，进而将组件的基准坐标系传递至立方棱镜。在其后的装调过程中，组件与立方棱镜之间始终保持相对不变。因此，只需要测得各个组件立方棱镜之间的位姿，就可以得到各个组件之间的位姿，最终完成系统装配。

在上述过程中，通过立方棱镜精确、高效地建立立方棱镜测量坐标系是决定整个系统装调过程精度和效率的关键因素之一。目前常见方案通过经纬仪自准直立方棱镜表面确定坐标轴，通过激光跟踪仪打点立方棱镜三个相互正交表面，再拟合得到三个表面的交点，或者经纬仪瞄准立方棱镜表面刻蚀的十字叉丝等方式建立坐标系的原点。结合坐标轴和坐标系原点，建立立方棱镜测量坐标系。

对于通过摄影测量实现大尺寸桁架结构稳定性测试的方案，存在以下缺点：相比较于经纬仪和激光跟踪仪，现有摄影测量方法应用于桁架稳定性测量时精度较低；对于复杂的高精密光机桁架结构，摄影测量不能满足一些特殊的工况要求；测量操作人员需要提前在待测工件表面粘贴摄影测量靶标，这不能满足一些对表面有特殊要求的工件；为保证单相机摄影测量精度，测量过程需要操作人员攀爬至高处以一定的角度拍摄若干张照片并环绕工件一周形成测量闭环，这在大型航天系统等复杂结构的研制过程中会存在诸多障碍。

对于激光跟踪仪打点立方棱镜三个正交表面并拟合得到坐标系原点的方式，存在以下缺点：立方棱镜坐标系原点不能直接、实时地得到，测量效率较为低下；通过正交法建立坐标系需要在航天器专用立方棱镜表面采点，因立方棱镜表面积较小，激光跟踪仪靶球在立方棱镜表面取三点不能较为精确地反映棱镜表面特征，从而降低坐标系原点拟合精度；激光跟踪仪测量属于接触式测量，在测量过程中需要确保立方棱镜处于人手可以触及的范围内，这在大型航天系统等复杂结构的研制过程中会存在诸多障碍；测量过程需要额外的人力手持靶球去接触立方棱镜表面，这可能导致立方棱镜位姿发生轻微变化，增大测量误差；不能满足在实验环境条件下对结构形变进行实时监控。

对于通过经纬仪瞄准立方棱镜表面十字叉丝建立坐标系原点的方式，需要在测量网络中额外放置基准尺，这将提高测量网络的复杂度，而且经纬仪瞄准十字丝的精度较低、重复性较差。经纬仪测量是一种快速、精确的测量方法但不能满足一些特殊工况的测量需求。

基于上述分析，需要设计一种适用范围广、测量简单便捷、能够提高大尺寸桁架结构稳定性测量、能够提高装调测量精度和能够提高装调测量效率的测量基准器。

发明内容

为了解决现有建立测量坐标系中存在过程繁琐的问题、测量操作不便和测量精度低的问题、以及摄影测量精度低、不能满足大尺寸桁架稳定性测量要求的问题，本发明提供一种多功能测量基准器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多功能测量基准器，包括基准底座、反射镜面、角锥棱镜、摄影测量编码标识以及摄影测量点；所述基准底座包括安装面、第一表面、第二表面和第三表面，第一表面、第二表面和第三表面相互垂直，基准底座通过安装面安装在待测装置上；所述反射镜面至少为两个，其中两个反射镜面相互垂直，相互垂直的反射镜面用于经纬仪自准直；所述角锥棱镜、反射镜面、摄影测量编码标识以及摄影测量点均设置在基准底座除安装面外的表面上，基准底座上设有摄影测量点的表面也设有摄影测量编码标识，摄影测量编码标识用于标识摄影测量点所在表面。

所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：采用两台经纬仪，两台经纬仪通过与两个相互垂直的反射镜面一一对应进行自准直，以确定两个坐标轴朝向，通过右手系确定第三个坐标轴朝向；采用激光跟踪仪或激光雷达瞄准一个角锥棱镜，通该角锥棱镜确定测量坐标系原点，测量坐标系建立完成。

所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：通过摄影测量设备以一定的角度拍摄第一表面、第二表面和第三表面确定三个坐标轴朝向；拟合第一表面、第二表面和第三表面这三个平面的交点作为测量坐标系原点，测量坐标系建立完成。

所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：通过激光跟踪仪测量三个非共线的角锥棱镜，在三个非共线的角锥棱镜所确定的平面上，任意两点的连线确定第一个坐标轴朝向，平面的法线确定第二个坐标轴朝向；再通过右手系确定第三个坐标轴朝向；通过上述三个非共线的角锥棱镜中的一个角锥棱镜确定坐标系的原点，测量坐标系建立完成。

所述一种多功能测量基准器在工件稳定性测量中的具体使用过程为：将一种多功能测量基准器安装在待测组件上，并确保能够从三个相互正交的方向观测一种多功能测量基准器；用经纬仪准直反射镜面，用激光跟踪仪或激光雷达实时瞄准角锥棱镜，用摄影测量设备拍摄摄影测量点；通过分析经纬仪和立方棱镜的空间位置姿态改变、激光跟踪仪和角锥棱镜的空间位置姿态改变、以及相机和摄影测量点的空间位置姿态改变，确定待测组件的稳定性变化。

所述一种多功能测量基准器在待装调工件中的具体使用过程为：将一种多功能测量基准器安装于待装调工件上，并确保能够从三个相互正交的方向观测一种多功能测量基准器；通过经纬仪瞄准反射镜面确定测量坐标系的两个坐标轴朝向；用激光跟踪仪或激光雷达瞄准一个角锥棱镜以确定测量坐标系原点，从而建立该待装调工件的测量坐标系；对待装调工件进行调整直至完成装调。本发明的有益效果是：

本发明的一种多功能测量基准器可同时供经纬仪、激光跟踪仪和摄影测量等工具开展测量的多功能测量基准器。可以快捷、精确地将经纬仪测量和反射镜面、激光跟踪仪和角锥棱镜、摄影测量工具和摄影测量点以及摄影测量编码标识统一在一个测量坐标系下，从而提高桁架结构稳定性测量的准确度，并有效地建立测量坐标系，精密装调方便、建立测量坐标系过程简捷、测量简单便捷。本发明的一种多功能测量基准器能够满足大尺寸桁架稳定性测量要求，能够同时提高大尺寸桁架结构稳定性测量和提高光机装调的精度与效率，可以广泛地应用于各类航天、遥感等高精密光机系统研制中。

附图说明

图1为本发明的一种多功能测量基准器的正视图。

图2为本发明的一种多功能测量基准器的俯视图。

图中：1、基准底座，2、立方棱镜，3、棱镜底座，4、角锥棱镜安装底座，5、角锥棱镜，6、摄影测量编码标识，7、摄影测量点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种多功能测量基准器，包括基准底座1、反射镜面、角锥棱镜5、摄影测量编码标识6和摄影测量点7。基准底座1包括安装面、第一表面、第二表面和第三表面，第一表面、第二表面和第三表面相互垂直，基准底座1通过安装面安装在待测装置上。反射镜面至少为两个，其中两个反射镜面相互垂直，相互垂直的反射镜面用于经纬仪自准直。角锥棱镜5、反射镜面、摄影测量编码标识6以及摄影测量点7均设置在基准底座1上，基准底座1除安装面以外的至少一个表面上安装有角锥棱镜5，基准底座1除安装面以外的至少一个表面上安装有反射镜面，基准底座1除安装面以外的至少一个表面上安装有摄影测量点7，基准底座1除安装面以外的至少一个表面上安装有摄影测量编码标识6。安装在基准底座1上设有摄影测量点7的表面也设有摄影测量编码标识6，摄影测量编码标识6用于标识摄影测量点7所在表面，摄影测量点7作为靶标，通过摄影测量编码标识6能够获知摄影测量点7所位于的表面。

上述基准底座1为长方体型，基准底座1的下表面为安装面。角锥棱镜5通过角锥棱镜安装底座4设置在基准底座1的上表面上，角锥棱镜5的数量不限，至少为一个，优选的是角锥棱镜5的数量至少为3个，且3个角锥棱镜5不位于同一条直线上。本实施方式中如图1和2，角锥棱镜5为4个，4个角锥棱镜5不位于同一条直线上，上表面上还设有5个摄影测量编码标识6和12个摄影测量点7，侧表面上也设有摄影测量编码标识6和摄影测量点7。反射镜面设置在基准底座1的侧表面上，相互垂直的反射镜面用于经纬仪自准直，反射镜面上设有十字刻划线即十字叉丝，具体的可采用平面反射镜或立方棱镜2，若采用平面反射镜，则一个平面反射镜为一个反射镜面，若采用立方棱镜2，则安装后的一个立方棱镜2上含有多个反射镜面，通常不朝向安装面方向的反射镜面用于经纬仪自准直。通常安装在基准底座1的侧面，如图1和图2，反射镜面采用立方棱镜2，基准底座1每个侧表面上设有一个立方棱镜2，立方棱镜2通过棱镜底座3安装在基准底座1上。基准底座1自身的形变量小，可以是包括铟钢、碳纤维等在内的材质。上述反射镜面、角锥棱镜5和摄影测量编码标识6之间的位姿关系固定，均固定在基准底座1上。

在实际应用过程中，将本发明的一种多功能测量基准器安装于待测组件的合适位置，确保能从三个相互正交的方向观测基准器。通过本发明的一种多功能测量基准器，允许至少3种相互独立的方法建立测量坐标系：a.使用两台经纬仪，每台经纬仪瞄准基准底座1任意立方棱镜2的一个表面，两台经纬仪瞄准的反射镜面正交，使得经纬仪的光学十字叉丝与内置十字叉丝重合，确定测量坐标系在基准底座1上两个坐标轴朝向，通过右手系确定测量坐标系的第三个坐标轴朝向。用激光跟踪仪或激光雷达等设备瞄准一种多功能测量基准器上的1个角锥棱镜5，通过该角锥棱镜5确定测量坐标系的原点，进而建立了测量坐标系。b.用摄影测量设备以一定的角度拍摄坐标系基准器，以基准底座1三个正交平面(第一表面、第二表面和第三表面)确定三个坐标轴朝向，并拟合第一表面、第二表面和第三表面这三个平面的交点作为测量坐标系的原点，进而测量坐标系建立完成。c.通过激光跟踪仪测量三个非共线的角锥棱镜5，建立测量坐标系，三个非共线的角锥棱镜5能够确定一个平面，在该平面上任意两个角锥棱镜5的连线确定第一个坐标轴，也就是该平面上任意两点的连线就能够确定第一个坐标轴朝向，通过该平面的法线确定第二个坐标轴，再通过右手系确定测量坐标系的第三个坐标轴朝向，通过上述三个非共线的角锥棱镜5中的任意一个角锥棱镜5确定测量坐标系的原点，进而建立了测量坐标系。

本发明的一种多功能测量基准器用于工件稳定性测量中的具体使用过程如下：在实际应用过程中，将多个多功能测量基准器安装于待测组件(组件即工件)的合适位置，确保从三个相互正交的方向观测基准器。针对各个测量基准器，用经纬仪准直立方棱镜2，用激光跟踪仪或激光雷达实时瞄准角锥棱镜5，用摄影测量设备拍摄摄影测量点7，以监控工件的空间位姿。通过分析经纬仪和立方棱镜2的相对空间位置姿态改变、通过分析激光跟踪仪和角锥棱镜5的相对空间位置姿态改变、通过分析摄影测量设备和摄影测量点7的相对空间位置姿态改变，分析后结合数据融合算法，可以反应待测组件的稳定性变化。通过摄影测量编码标识6便于确定摄影测量设备和摄影测量点7的空间位置姿态改变，相比单测量手段，本发明的一种多功能测量基准器可以增加稳定性测量精度。

本发明的一种多功能测量基准器的组件快速装调的具体过程为：在实际应用过程中，将基准器安装于待装调工件的合适位置，确保能从三个相互正交的方向观测基准器。两台经纬仪分别瞄准立方棱镜2的两个正交表面，使得经纬仪的光学十字叉丝与内置十字叉丝重合，以确定测量坐标系的两个坐标轴朝向。通过右手系确定测量坐标系的第三个坐标轴朝向。用激光跟踪仪或激光雷达等设备瞄准角锥棱镜5，确定测量坐标系的原点，从而建立了该待装调工件的测量坐标系。针对每一个待装调工件重复上述过程，即可得到各个工件的测量坐标系。根据它们的理论相对位姿，通过快速装调算法，将各工件调整至于理论一致。组件装配完成后，可以用经纬仪准直立方棱镜2，激光跟踪仪实时测量角锥棱镜5，以监控组件的空间位姿。通过实时摄影测量表面摄影测量点7并结合组件空间位姿可以对组件装调结果进行进一步的验证与评定。

应用本发明的一种多功能测量基准器，具有如下有益效果：

1、利用经纬仪、激光跟踪仪和摄影测量设备照准该测量基准器，可以通过三种独立的测量手段分别建立测量坐标系，有利于实现坐标系融合和平差，提高测量精度。

2、多种测量设备还可以避免单一设备不能满足一些特殊工况的要求，可用于结构复杂的组件测量及装调实验。

3、通过摄影测量可以反映工件桁架大范围的结构形变，对于一些特殊的工况和高测量精度要求的部位，可以方便地使用经纬仪和激光跟踪仪进行测量，并将三者的测量数据相互融合，以提高待测系统结构稳定性的测量精度和效率。

4、该坐标系基准器也可方便地用于快速装调，相比传统的经纬仪自准直或者用跟踪仪靶球瞄点的方法，该方法能显著提高装调效率。而且该方法在测量过程中操作者无需接触基准器，最大程度的避免了基准底座1与待测量或装调的组件之间的相对位姿变化，提高测量及装调的准确度。

5、在组件试验过程前后，可以用经纬仪和激光跟踪仪对准标准器，实时监控组件的空间位姿。

本发明的一种多功能测量基准器可显著提高建立测量坐标系的精度和效率，提高大尺寸桁架结构稳定性测量精度和效率，并可提高装调效率和精度，缩短测量实验及装调周期。本发明的一种多功能测量基准器可同时供经纬仪、激光跟踪仪和摄影测量等工具开展测量的多功能测量基准器。通过该基准器可以快捷、精确地将经纬仪测量和反射镜面、激光跟踪仪和角锥棱镜5、摄影测量工具和摄影测量点7以及摄影测量编码标识6统一在一个测量坐标系下，从而提高桁架结构稳定性测量的准确度，并有效地建立测量坐标系，方便精密装调、建立测量坐标系过程简捷、测量简单便捷。本发明提出一种多功能的测量基准器，能够满足大尺寸桁架稳定性测量要求，能够同时提高大尺寸桁架结构稳定性测量和提高光机装调的精度与效率，可以广泛地应用于各类航天、遥感等高精密光机系统研制中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多功能测量基准器，其特征在于，包括基准底座(1)、反射镜面、角锥棱镜(5)、摄影测量编码标识(6)以及摄影测量点(7)；所述基准底座(1)包括安装面、第一表面、第二表面和第三表面，第一表面、第二表面和第三表面相互垂直，基准底座(1)通过安装面安装在待测装置上；所述反射镜面至少为两个，其中两个反射镜面相互垂直，相互垂直的反射镜面用于经纬仪自准直；所述角锥棱镜(5)、反射镜面、摄影测量编码标识(6)以及摄影测量点(7)均设置在基准底座(1)除安装面外的表面上，基准底座(1)上设有摄影测量点(7)的表面也设有摄影测量编码标识(6)，摄影测量编码标识(6)用于标识摄影测量点(7)所在表面；

所述一种多功能测量基准器在工件稳定性测量中的具体使用过程为：将一种多功能测量基准器安装在待测组件上，并确保能够从三个相互正交的方向观测一种多功能测量基准器；用经纬仪准直反射镜面，用激光跟踪仪或激光雷达实时瞄准角锥棱镜(5)，用摄影测量设备拍摄摄影测量点(7)；通过分析经纬仪和立方棱镜(2)的空间位置姿态改变、激光跟踪仪和角锥棱镜(5)的空间位置姿态改变、以及相机和摄影测量点(7)的空间位置姿态改变，确定待测组件的稳定性变化；

一种多功能测量基准器在待装调工件中的具体使用过程为：将一种多功能测量基准器安装于待装调工件上，并确保能够从三个相互正交的方向观测一种多功能测量基准器；通过经纬仪瞄准反射镜面确定测量坐标系的两个坐标轴朝向；用激光跟踪仪或激光雷达瞄准一个角锥棱镜(5)以确定测量坐标系原点，从而建立该待装调工件的测量坐标系；对待装调工件进行调整直至完成装调。

2.如权利要求1所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述基准底座(1)为长方体型。

3.如权利要求1所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述反射镜面上设有十字刻划线。

4.如权利要求1所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述反射镜面为平面反射镜或立方棱镜(2)。

5.如权利要求1所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述角锥棱镜(5)的数量至少为3个，3个角锥棱镜(5)不位于同一条直线上。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：采用两台经纬仪，两台经纬仪通过与两个相互垂直的反射镜面一一对应进行自准直，以确定两个坐标轴朝向；通过右手系确定第三个坐标轴朝向；采用激光跟踪仪或激光雷达瞄准一个角锥棱镜(5)，通该角锥棱镜(5)确定测量坐标系的原点，测量坐标系建立完成。

7.如权利要求1至5中任意一项所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：通过摄影测量设备以一定的角度拍摄第一表面、第二表面和第三表面确定三个坐标轴朝向；拟合第一表面、第二表面和第三表面这三个平面的交点作为测量坐标系的原点，测量坐标系建立完成。

8.如权利要求5所述的一种多功能测量基准器，其特征在于，所述一种多功能测量基准器的测量坐标系建立方法为：通过激光跟踪仪测量三个非共线的角锥棱镜(5)，在三个非共线的角锥棱镜(5)所确定的平面上，该平面上任意两点的连线确定第一个坐标轴朝向，该平面的法线确定第二个坐标轴朝向；再通过右手系确定第三个坐标轴朝向；通过上述三个非共线的角锥棱镜(5)中的一个角锥棱镜(5)确定测量坐标系的原点，测量坐标系建立完成。

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