飛機(jī)水平測量又稱飛機(jī)的特征點(diǎn)測量，通過測量這些特征點(diǎn)來檢測飛機(jī)總體裝配質(zhì)量。目前飛機(jī)水平測量工作使用的測量工具包括水平儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等。傳統(tǒng)飛機(jī)水平測量方法是采用水平儀、光學(xué)經(jīng)緯儀對水平點(diǎn)進(jìn)行測量。該方法采用人工讀數(shù)、記錄和手工計(jì)算，需對飛機(jī)調(diào)整水平狀態(tài)，測量過程復(fù)雜、人為誤差大、自動化程度低。近年來，激光跟蹤儀、全站儀等先進(jìn)數(shù)字化儀器在飛機(jī)水平測量中的廣泛應(yīng)用，一定程度的提高了飛機(jī)水平測量的精度、自動化程度，降低了勞動強(qiáng)度。但全站儀作水平測量時(shí)需輔助設(shè)備單棱鏡配合使用，測量精度無法滿足特殊機(jī)型的高精度測量要求。激光跟蹤儀測量精度高，但其測量時(shí)易斷光、接觸式測量、需轉(zhuǎn)站等問題，使其不適合對大型飛機(jī)的測量。本文介紹的飛機(jī)數(shù)字化水平測量技術(shù)具有精度高、效率高、工作量小等優(yōu)勢，尤其適合于大飛機(jī)。測量系統(tǒng)的多功能、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，使其可擴(kuò)展應(yīng)用到飛機(jī)型面檢測、動態(tài)對接等技術(shù)上，且具有良好的應(yīng)用前景。 

測量系統(tǒng)硬件組成及其測量原理 

測量系統(tǒng)由兩部分組成：iGPS測量系統(tǒng)、激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。 

       1 iGPS 

iGPS采用基于三角定位法的測量技術(shù)，iGPS測量系統(tǒng)類似“衛(wèi)星”網(wǎng)絡(luò)（“衛(wèi)星”就是發(fā)射器）。接收器通過接收來自發(fā)射器的信號進(jìn)行處理和計(jì)算從而進(jìn)行定位。每個(gè)iGPS發(fā)射器的測量范圍有40m，任意數(shù)量的iGPS發(fā)射器可以用來組建連續(xù)的iGPS測量空間，而iGPS的系統(tǒng)誤差在整個(gè)測量空間是近似均勻分布的。iGPS定位精度最高可達(dá)0.2mm(2σ)，測量范圍可根據(jù)配置情況無限延伸，這使得iGPS在測量大型部件時(shí)能一次完成所有的測量任務(wù)而無需多次轉(zhuǎn)站。 

      如圖1所示，在發(fā)射器自身坐標(biāo)系下，極坐標(biāo)測量模型為F =（R 、A 、E ）T ，其中，R為發(fā)射器到被測目標(biāo)點(diǎn)的距離、E為俯仰角、A為水平角。被測目標(biāo)點(diǎn)為圓柱傳感器的中心點(diǎn)，接受發(fā)射器發(fā)出的信號信息，解算出A和E。水平角和俯仰角的激光范圍構(gòu)成了發(fā)射器的測量空間。

iGPS激光發(fā)射器發(fā)送兩個(gè)紅外扇形激光信號，一個(gè)紅外LED 頻閃脈沖信號。 

俯仰角E通過兩個(gè)激光扇面分別掃觸到接收器的時(shí)間差計(jì)算。 
水平角A的計(jì)算是通過脈沖信號掃觸的時(shí)間與兩個(gè)扇面掃觸時(shí)間的平均值的時(shí)間差來獲得。 
 

2 激光雷達(dá) 

       激光雷達(dá)光學(xué)測量系統(tǒng)是自動化、便攜式、高精度、非接觸的大型三坐標(biāo)測量機(jī)。其擺脫了現(xiàn)有的非接觸系統(tǒng)大部分都需將傳感器或掃描頭盡可能靠近被測物體的表面，且測量范圍較小等局限。激光雷達(dá)運(yùn)用頻率雷達(dá)測距技術(shù)和紅外線高精度瞄準(zhǔn)鏡，通過得到角度和距離信息計(jì)算被測點(diǎn)的正確三維位置。激光雷達(dá)可完成大尺寸遠(yuǎn)距離自動化測量，其距離測量范圍為1~24m 或1~60m，角度范圍測量-45°～ 45°，測量精度為10μm+10μm/m（ 2σ）。 

       激光雷達(dá)測距原理：激光器發(fā)出兩束激光，一束射到被測工件表面并返回到達(dá)激光器內(nèi)部；另一束射向內(nèi)部校準(zhǔn)光纖。接收器接收返回信號，通過混頻器比較出兩束激光的頻率差得出兩束激光的時(shí)間差，再通過時(shí)間與距離的關(guān)系便可以計(jì)算出激光測量系統(tǒng)與被測點(diǎn)的之間絕對距離[1]。 

目標(biāo)工具球空間球心坐標(biāo)的計(jì)算公式：

       式中R為空間距離，θAZ為R與XY平面的夾角，θEL為R在XY平面的投影距離與X方向的夾角，最終得到以激光雷達(dá)位置為原點(diǎn)的相對坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。 

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 

       根據(jù)飛機(jī)總裝后外形尺寸的要求、各系統(tǒng)校準(zhǔn)要求，觀察點(diǎn)的位置及自動化程度要求，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)。測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測量方案 

1 確定設(shè)備位置布局 

（1）iGPS 激光發(fā)射器的布局設(shè)計(jì)。 

       激光發(fā)射器的布局根據(jù)單個(gè)激光發(fā)射器的覆蓋范圍、飛機(jī)的外形尺寸、以及測量點(diǎn)的分布（主要分布在飛機(jī)的機(jī)翼底部、機(jī)身、垂尾、進(jìn)氣道唇口、鴨翼等部位上）進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3為14發(fā)射器的iGPS測量系統(tǒng)布局。

        在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)被測物的尺寸和位置而隨意擺放和調(diào)整激光發(fā)射器的位置，只要保證所有的測量點(diǎn)被覆蓋，且每個(gè)點(diǎn)到最近的激光發(fā)射器的位置大于等于2m即可，與此同時(shí)盡可能保證發(fā)射器之間距離在7~15m。 

（2）激光雷達(dá)布站。 

       激光雷達(dá)具有較高的靈活性和便攜性，因而在測量廠內(nèi)可根據(jù)測量點(diǎn)或物體的位置而隨意地?cái)[放位置。圖4為4站點(diǎn)布局圖。激光雷達(dá)擺放位置由以下因素決定： #p#分頁標(biāo)題#e#

a. 激光雷達(dá)離被測點(diǎn)在測量范圍以內(nèi)，測量光線與被測面的角度大于10°。 
b. 轉(zhuǎn)站次數(shù)。

2 飛機(jī)水平測量流程 

（1）區(qū)域劃分：根據(jù)被測量的飛機(jī)整機(jī)水平點(diǎn)的位置來劃分區(qū)域，可接觸的水平點(diǎn)使iGPS 測量系統(tǒng)來進(jìn)行測量，不可接觸的水平點(diǎn)則使用激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。 
（2）測量坐標(biāo)系建立：進(jìn)行激光雷達(dá)布站及iGPS 布局。 
（3）確定iGPS、激光雷達(dá)各自的測量坐標(biāo)系。將iGPS 與激光雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)一成測量坐標(biāo)系。 
（4）水平點(diǎn)的測量：用iGPS 測量系統(tǒng)的測量探針—— iProbe 測量飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)身兩側(cè)、鴨翼和機(jī)翼下方、機(jī)腹等部位可方便接觸到的水平點(diǎn)。用激光雷達(dá)測量飛機(jī)的機(jī)背、垂尾、進(jìn)氣道等處不易接觸到的水平點(diǎn)。 
（5）數(shù)字調(diào)平：即根據(jù)調(diào)平條件在軟件中將當(dāng)前測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為飛機(jī)水平測量坐標(biāo)系，即建立飛機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系。 
（6）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)水平測量檢測表的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到飛機(jī)裝配質(zhì)量；或?qū)⒈粶y點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)值與這些點(diǎn)的理論坐標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算飛機(jī)整機(jī)水平點(diǎn)變形量偏差。 
（7）分別根據(jù)各自測量系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行測量，最后統(tǒng)一坐標(biāo)系，建立飛機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系并且與飛機(jī)理論坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理后輸出報(bào)告（圖5）。

系統(tǒng)軟件 

        “飛機(jī)全機(jī)水平測量及校準(zhǔn)系統(tǒng)”軟件，將本著操作簡潔、省時(shí)、測量流程易于實(shí)施、數(shù)據(jù)管理專業(yè)的原則來設(shè)計(jì)。軟件界面為簡體中文界面，運(yùn)行環(huán)境兼容Windows XP 64位操作系統(tǒng)，具有登錄模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、測量報(bào)告生成模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊等功能模塊[2]。

       軟件可以在普通用戶和高級用戶模式之間切換；具有用戶賬戶管理功能和飛機(jī)架次管理功能，能根據(jù)定義的用戶權(quán)限實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能；測量報(bào)告以word、Excel或pdf等格式輸出。其軟件界面如圖6所示，軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

實(shí)驗(yàn) 

       對某型飛機(jī)分別采用傳統(tǒng)式水平測量方法、基于激光雷達(dá)和iGPS測量系統(tǒng)的水平測量方法進(jìn)行測量，所用時(shí)間、測量精度對比分別見表1、表2。

        由表1的時(shí)間可以看出，使用數(shù)字化水平測量技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)水平測量所用的時(shí)間比傳統(tǒng)水平測量方式所用的時(shí)間小得多，約為傳統(tǒng)水平測量所用時(shí)間的1/4。 

      由表2可以看出，數(shù)字化水平測量的精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水平測量精度至少兩個(gè)數(shù)量級。 
 

結(jié)論 

       本文根據(jù)現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展要求，針對目前飛機(jī)水平測量的不足，詳細(xì)介紹了大尺寸飛機(jī)數(shù)字化水平測量系統(tǒng)的組成及方案。本文提到的飛機(jī)水平測量技術(shù)通過多次實(shí)際測量驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了該技術(shù)具有精度高、效率高、工作量小等優(yōu)勢，且具有高應(yīng)用性。(end)