【优秀硕士博士论文】大型工件静态大变形的三维摄影测量技术研究

硕士学位论文大型工件静态大变形的三维摄影测量技术研究RESEARCHONSTATICDEFORMATIONMEASUREMENTOFLARGESCALEWORKPIECEBASEDONINDUSTRIALDIGITALCLOSERANGEPHOTOGRAMMETRY学科专业机械电子工程论文题目大型工件静态大变形的三维摄影测量技术研究1学科专业机械电子工程摘要随着工业现代化的发展，对于大型工件的静态大变形的测量需求日益增加，如飞机蒙皮变形、船舶壳体变形、汽车负载变形、大型水轮机叶片变形、风力发电机叶片变形、大型结构件变形等，为了解决这些问题，本文基于工业三维摄影测量技术开发出了一套完整的静态变形测量系统，对静态变形测量系统中的一些关键技术问题进行了研究，并实现了对于静态变形测量结果的静态变形分析。主要研究工作的内容和所获成果有（1）提出了静态变形测量的实现方案。在摄影测量技术的基础上，根据摄影测量技术原理和实现方法，设计并提出了静态变形测量系统的实现方案，可高效准确的进行静态变形测量。（2）改进了坐标配准算法并提出了相同变形点匹配。通过对坐标配准算法和邻域搜索算法的研究，提高了坐标配准算法的效率和精度，并提出了相同变形点匹配的实现方案和算法，实现了摄影测量数据中变形点的匹配，从而计算出实际的位移变形场。（3）提出了一种相关拼合的方法。根据坐标配准和相同变形点匹配，提出了相关拼合的实现方案，提高了相同变形点匹配的效率和精度，并大大扩展了静态变形测量系统的应用场合。（4）实现了静态变形分析。通过系统所获得的测量数据，完成了多种空间元素的创建，以及平面、球和圆面的元素拟合和空间元素间的关系计算，实现了静态变形分析的功能。在对静态变形测量进行了深入研究的基础上，本文在WINDOWSXP环境下，采用VC60开发出了一套完整的静态变形测量系统。对该系统进行了严格的精度验证，精度达到002MM/M。并将系统成功运用于了10M范围的大型钢结构梁的变形实验和6M范围的相似材料模型试验中。关键词静态变形测量；坐标配准；变形点匹配；空间元素；变形分析论文类型应用研究TITLERESEARCHONSTATICDEFORMATIONMEASUREMENTOFLARGESCALEWORKPIECEBASEDONINDUSTRIALDIGITALCLOSERANGEPHOTOGRAMMETRYSPECIALITYMECHANICALANDELECTRONICENGINEERINGAPPLICANTXIANGGUOSUPERVISORVICEPROFJINLIANGABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFINDUSTRIALMODERNIZATION,THEREQUIREMENTFORTHESTATICDEFORMATIONMEASUREMENTOFLARGESIZEWORKPIECESISINCREASINGFOREXAMPLE,AIRCRAFTSKINDEFORMATION,VESSELSHELLDEFORMATION,VEHICLELOADDEFORMATION,THEDEFORMATIONOFLARGETURBINEBLADES,THEDEFORMATIONOFBLADEOFWINDTURBINEGENERATOR,LARGESCALESTRUCTURALDEFORMATION,ANDETCINORDERTOSOLVETHESEPROBLEMS,ACOMPLETESETOFSTATICDEFORMATIONMEASUREMENTSYSTEMISDEVELOPEDBASEDONTHEDIGITALCLOSERANGEPHOTOGRAMMETRY,THECORETECHNOLOGYOFTHESTATICDEFORMATIONMEASUREMENTSYSTEMANDREALIZESTHEANALYSISOFTHESTATICDEFORMATIONISRESEARCHEDTHEMAINCONTENTSANDACHIEVEMENTSARELISTEDASFOLLOWS1THEREALIZABLEPROGRAMOFTHESTATICDEFORMATIONMEASUREMENTISPUTFORWARDBASEDONTHEDIGITALCLOSERANGEPHOTOGRAMMETRY,ACCORDINGTOTHEPRINCIPLEANDTHEREALIZATIONOFPHOTOGRAMMETRYTECHNOLOGY,DESIGNTHEREALIZATIONOFTHESTATICDEFORMATIONMEASUREMENTPROGRAMFORTHISPROGRAM,ITCANMEASURETHESTATICDEFORMATIONEFFICIENTLYANDACCURATELY2THEALGORITHMOFCOORDINATESTRANSFORMATIONISIMPROVEDANDTHERELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATIONISPUTFORWARDTHROUGHTHERESEARCHOFCOORDINATESTRANSFORMATIONALGORITHMANDNEIGHBORHOODSEARCHALGORITHM,IMPROVETHEEFFICIENCYANDPRECISIONOFTHEALGORITHMOFCOORDINATESTRANSFORMATIONANDPUTFORWARDTHEREALIZABLEPROGRAMANDALGORITHMOFTHERELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATIONREALIZETHECORRELATIONOFTHEMEASUREMENTDATA,THENCALCULATETHEACTUALDEFORMATIONFIELDOFTHEDISPLACEMENT3THERELATIVETRANSFORMATIONISPUTFORWARDBASEDONTHECOORDINATESTRANSFORMATIONANDTHERELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATION,PUTFORWARDTHEREALIZABLEPROGRAMOFTHERELATIVETRANSFORMATIONIMPROVETHEEFFICIENCYANDPRECISIONOFTHERELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATION,EXPANDTHEAPPLICATIONSOFTHESYSTEM4THEANALYSISOFTHESTATICDEFORMATIONISREALIZEDBYTHEDATAOFTHEMEASUREMENTSYSTEM,THECREATIONOFELEMENTS,FITTINGALGORITHMOFPLANE,SPHEREANDROUNDFACE,ANDTHECALCULATIONOFELEMENTSISREALIZEDTHROUGHTHESE,THEFUNCTIONOFTHESTATICDEFORMATIONANALYSISISREALIZEDAPRACTICALSTATICDEFORMATIONMEASURESYSTEMISDEVELOPEDWITHVC60INWINDOWSXPENVIRONMENTTHEACCURACYOFTHESYSTEMISABOUT02MM/MACCORDINGTOSTRICTEXPERIMENTTESTTHESYSTEMISAPPLIEDTOTHELARGESCALEDEFORMATIONOFSTEELBEAMSANDSIMILARMATERIALMODELTESTKEYWORDSSTATICDEFORMATIONMEASURECOORDINATETRANSFORMATIONDEFORMATIONPOINTCORRELATIONSPACEELEMENTDEFORMATIONANALYSETYPEOFTHESISAPPLIEDRESEARCH目录1绪论111引言112静态变形测量研究背景113国内外研究状况2131变形测量传统手段2132摄影测量技术国内外研究现状6133目前存在的问题714课题来源与研究意义8141课题来源8142研究意义815主要研究内容和技术路线9151主要研究内容9152技术路线102静态变形测量方案设计1121引言1122摄影测量技术简介1123静态变形测量系统实现核心问题13231坐标配准13232相同变形点匹配1324静态变形测量系统测量方案1325本章小结153坐标配准与相同变形点匹配1631引言1632坐标配准16321坐标配准意义16322坐标配准涉及的坐标系16323坐标系之间的转换关系16324坐标配准实现方案17325坐标配准算法1833相同变形点匹配21331相同变形点匹配意义21332同名变形点ID重置21333邻域搜索算法21334相同变形点匹配算法22335相同变形点匹配算法验证2334相关拼合24341相关拼合意义24342相关拼合方法实现24343相关拼合方法验证2535本章小结264元素与分析2741引言2742元素27421元素介绍27422元素说明2743空间元素关系计算29431元素夹角算法29432元素间距算法30433面面交线算法3044元素拟合31441平面拟合算法31442球拟合算法34443圆面拟合3645分析37451分析介绍37452分析说明3846本章小结385系统实现与应用4051引言4052系统软件设计及实现40521系统界面41522摄影测量重建模块41523坐标配准模块42524相同变形点匹配模块43525元素创建模块44526变形分析模块4453系统的硬件组成4554系统精度测试46541摄影测量重建精度验证46542坐标配准精度验证48543静态测量系统精度分析4955应用49551钢结构梁变形实验49552相似材料模型试验5556本章小结566结论与展望5761结论5762展望57参考文献59致谢63声明CONTENTS1PREFACE111FOREWORD112RESEARCHBACKGROUND113RECENTDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD2131TRADITIONALDEFORMATIONMEASUREMENT2132PHOTOGRAMMETRYTECHNOLOGY6133EXISTINGPROBLEMS714SUBJECTSOURCEANDRESEARCHSIGNIFICANCE8141SUBJECTSOURCE8142RESEARCHSIGNIFICANCE815RESEARCHCONTENTANDTECHNOLOGYROUTE9151RESEARCHCONTENT9152TECHNOLOGYROUTE102STATICDEFORMATIONMEASURESYSTEMSCHEME1121FOREWORD1122INTRODUCTIONOFPHOTOGRAMMETRYTECHNOLOGY1123COREISSUE13231COORDINATESTRANSFORMATION13232RELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATION1324SYSTEMSCHEME1325BRIEFSUMMARY153COORDINATETRANSFORMATIONANDRELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATION1631FOREWORD1632COORDINATETRANSFORMATION16321PURPORT16322RELATEDCOORDINATESYSTEM16323TRANSFORMATIONALRELATION16324REALIZATIONOFPROGRAM17325REALIZATIONOFALGORITHM1833RELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATION21331PURPORT21332SAMEIDPOINTRESET21333NEIGHBORHOODSEARCHALGORITHM21334RELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATIONALGORITHM22335ACCURACYVERIFICATION2234RELATEDTRANSFORMATION23331PURPORT23332REALIZATIONOFPROGRAM24333METHODVALIDATION2535BRIEFSUMMARY254ELEMENTANDANALYSE2741FOREWORD2742ELEMENT27421INTRODUCTION27422DESCRIPTION2743RELATIONSHIPOFELEMENTS29431DEVIATIONOFANGLE29432DEVIATIONOFDISTANCE30433INTERSECTIONLINEBETWEENPLANES3044ELEMENTSFITTING31441FITTINGPLANE31442FITTINGBALL34443FITTINGROUNDFACE3643ANALYSE37431INTRODUCTION37432DESCRIPTION3844BRIEFSUMMARY385SYSTEMIMPLEMENTATIONANDINDUSTIALAPPLICATION4051FOREWORD4052DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHESYSTEM40521SYSTEMINTERFACE41522PHOTOGRAMMETRYMODULE41523COORDINATETRANSFORMATIONMODULE42524RELATEDDEFORMATIONPOINTCORRELATIONMODULE43524ELEMENTCREATIONMODULE44524DEFORMATIONANALYSEMODULE4453HARDWARECOMPONENTS4554PRECISIONEXPERIMENT46541PHOTOGRAMMETRICRECONSTRUCTIONACCURACY46542COORDINATESTRANSFORMATIONACCURACY48543SYSTEMACCURACY4955INDUSTIALAPPLICATION49551DEFORMATIONOFSTEELBEAMS49552SIMILARMATERIALMODELTEST5556BRIEFSUMMARY566CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS5761CONCLUSIONS5762SUGGESTIONS57REFERENCES59ACKNOWLEDGEMENTS63DECLARATION在每一章的末尾插入下一章的MATHTYPE的章标记（打印前将其字体颜色变为白色，在打印预览中看不见即可）EQUATIONCHAPTER1SECTION11绪论11引言随着现代工业的发展，尤其是以数字制造技术为核心的先进制造技术的迅猛发展，对于精密测量技术提出了新的要求一方面它要为先进制造技术担负起质量保证的重任；另一方面又不能单纯的为检测而检测，还要为产品的生产效益的提高贡献力量1,2。传统制造业中的测量是在生产过程后进行被动的抽查式的测量，都属于事后测量。现代先进制造技术的理想目标之一就是要实现零废品制造，不仅零部件的质量要通过测量来保证，加工的设备以及整机的装配质量也同样需要精密的测量手段来保证3。现在，在很多行业和领域（如汽车制造业）内，测量已经深入到生产过程中，可以进行在线检测4；同时在一些大型工程中也需要现场检测5；在逆向工程中，测量也不再仅仅是“服务”行业，它已经成为整个先进闭环制造过程中不可或缺的关键环节6,7。变形DEFORMATION是指变形体在各种影响因素的作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化8。工件变形，是指工件在加工、装配、使用等过程中，由于附加载荷或受热等原因所引起的工件形状的变形。为了可以对工件在实际地使用过程中所可能发生地变形进行预测和研究，并可对已经投入使用的工件进行定期的变形监测，所以需要一种测量方法能够高效而且准确的获取所测变形工件在多个变形状态下的变形信息。同时随着对工件在负载作用下的装配、使用等条件的要求越来越高，对于工件在负载情况下的变形测量需要日益增加，尤其是对工件尺寸为100MM30M的大尺寸工件的变形测量更加需要。本课题重点研究了一种高效、准确的静态变形测量方法。本章首先介绍了静态变形测量的研究背景、摄影测量技术的国内外研究状况以及静态变形测量存在的主要问题，然后阐述了本课题的来源和研究意义，最后说明了本文的主要研究内容和技术路线。12静态变形测量研究背景随着工业现代化的发展，对于大型工件的静态大变形的测量需求日益增加，如飞机蒙皮变形、船舶壳体变形、汽车负载变形、大型水轮机叶片变形、风力发电机叶片变形、大型结构件变形等。这些变形测量的结果，直接影响到工件的使用安全以及对于工件的加工设计将作为可靠的参考依据。同时对于某些特殊要求下的检测，如飞机机翼不同位置状态下，左右机翼对称性的检测等，可以视为特殊的变形情况测量。而原有的测量手段，如应变片仅获得被测物体的应力应变情况，并不反映其整体的形状变形；位移传感器的测量量程有限，且无法反应整体变形场的变形信息。而随着CCD技术、计算机视觉技术等的发展，工业摄影测量技术研究有了长足的发展，使用摄影测量技术可以高效、准确、非接触地获取被测物体表面所设置的关键点的三维空间信息。本文正是基于工业摄影测量技术，研究了如何将各个状态下的被测物体的三维空间信息相互匹配，从而可以获得被测物体在多个变形状态下的三维空间位移变形信息。在系统的实际应用中，根据实际的应用要求，研究了静态变形分析中的空间元素创建、部分元素的拟合算法和空间元素间的关系计算，从而实现了对于测量数据的变形分析功能。13国内外研究状况131变形测量传统手段目前静态变形测量方法主要有用位移计和电阻片等传感器测量结构构件的位移与应变的方法、使用经纬仪或全站仪的变形测量方法、使用GPS的变形测量方法和使用散斑原理的变形测量方法。用位移计和电阻片等传感器测量结构构件的位移与应变的方法主要为通过应变片、位移传感器和加速度传感器等传感器测量被测工件的变形情况。优点是测量精度高，并且测量的方法已经比较成熟，广泛用于一些结构件等工件的测量，并具有线性好、精度高、稳定性好、体积小、工艺成熟、成本低及检测电路简单等优点，而且易于集成，便于实现系统的结构紧凑。主要缺点是灵敏系数小，粘贴后传感器的质量和稳定性受基底、粘贴剂、防护剂的老化以及粘贴过程中的手工作业质量影响，容易出现长期漂移和质量不稳定，而且应变片的温度稳定性较差以及受其灵敏度的限制，其定位分辨率相对较低，一般难于达到10MM9。同时因大尺寸工件的尺寸宏大和变形复杂存在一定的局限性，比如测点有限、量程有限、仪表必须与试件接触、无法获得位移场和变形场等全局数据，后期数据处理工作量大，受测量环境条件影响大，测量成本高，且有时也具有无法避免的系统量测误差。1传感器传感器的研究始于二十世纪三十年代，它以材料的物理、化学和生物理化效应为基础，由物理、化学、材料科学、器件物理和工艺以及电子工程等多种学科交织发展形成，是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期设计的传感器是模拟式传感器，现在通常称为传统传感器。这种传感器一般由传感元件和信号调理与转换电路组成，传感元件获取被测量并输出与其有确定函数关系的电参量信号调理与转换电路将该电参量经简单调理后转换为模拟信号输出，模拟量的幅值及极性代表了被测量。它采用模拟电子电路组成，只能进行信号调理，基本不具备信自、处理能力和自我管理能力。这就决定了传感器不同程度地存在着输入输出特性具有一定的非线性且随时间漂移、参数易受环境条件变化的影晌而漂移、信噪比低而易受噪声干扰、交叉灵敏度难以克服而使选择性及分辨率不高等问题，导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。并且由于传感器不具备自我管理能力，一旦发生故障，测控系统难于判别其输出信号的真伪，从而影响到整个系统的可靠性。传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置10。其中，变形测量所经常使用的传感器有应变片、位移传感器和加速度传感器。应变片1115测量被测物体的应力应变量16，其优点为精度和灵敏度高，尺寸小，技术也比较成熟17。缺点是测量数据为应力应变数据，不直接反应被测物体的实际位移变形情况，同时为点测量，无法反应整体变形场的信息，测量成本高。其中以电阻应变片最为常用。采用电阻应变片电测法进行应力应变测量是对工程结构件设计、制造、装配的可靠性和安全性进行测试、分析和评价的常用手段。广泛应用在航空、机械、车辆、土木等工程领域。应变片电测法是用电阻应变计测量结构的表面应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。测量时，将电阻应变片粘贴在零件被测点的表面。当零件在载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化，用应变仪测出这个变化，即可以计算被测点的应变和应力。电阻应变片法是一种在技术上非常成熟的的表面应力逐点测量方法已经有60多年的历史，应用范围涉及各种行业领域。具有如下优点A测量精度和灵敏度高，常温测量时精度可达到12；B尺寸小，应变计栅长度最小为0178MM，可以实现梯度较大的应变测量；C技术成熟，应用广泛。但是，应变片的测量原理也决定了它的技术缺点A属于接触式测量；B不能进行三维应变测量；C应变计测出的应变值是应变计栅长度范围内的平均应变值；D测量结果为点测量，无法反应整体变形场的信息；E测量结果为应变，不直接反应物体的形状位移变形情况。F属于电测法，一个应变片需有两根导线构成测量回路，并且需要采取特殊的措施增强系统的抗电磁干扰能力。位移传感器1821，通过测量被测物体的位移变形量，获得被测物体的变形情况。常用的位移传感器主要有电位器式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流传感器、磁致伸缩直线位移传感器、反射式光纤位移传感器、激光干涉型位移传感器、光电（CCD）位移传感器和数字式位移传感器。电位器式位移传感器，通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。它的优点是结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。缺点是如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损22。电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感量变化的一种装置，它常用来测量位移，凡是能够转变成位移的参数都可进行检测，例如力、压力、振动、尺寸、转速、计数测量和零件裂纹等缺陷的无损探伤等。由于它具有结构简单，工作可靠、灵敏度和分辨率高、重复性好、线性度优良等特点，因此得到广泛的应用。电感式传感器的缺点是存在交流零位信号及不宜于高频动态测量等23,24。电容式位移传感器具有结构简单、分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强、动态特性好、频段宽、成本低等特点，广泛应用于高精度的精密加工、高精度定位及高速高精度、大行程机器人的运行定位中25。但是由于它存在若干的缺点和问题如输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响，以及传感器联接的电路比较复杂等，影响到它应用的可靠性，需要采取一定的补偿和较正措施26。电涡流传感器是20世纪70年代兴起的一种无损、非接触检测装置，具有灵敏度高、抗干扰能力强、不受介质影响及结构简单等优点，是大型旋转机械故障诊断与状态检测的标准配置传感器。传感器由探头（传感头）、变换器（前置器）和连接电缆组成。在交变电流激励下，传感器利用探头线圈和被测体间的磁场能量耦合实现对被测量的检测27。电涡流传感器的主要特点是实现了非接触测量；灵敏度高、频率响应好；结构尺寸小，对环境温度及介质等的影响不敏感；工作寿命长、时间老化等特性稳定。因而在机械、电力、化工、航空航天等部门得到了广泛的应用，特别是对高速旋转以及不允许接触设备的微振动测量其优越性尤为突出。磁致伸缩直线位移传感器的工作原理是利用了传感器线材的磁致伸缩特性，它可以检测到永久磁铁的位置变化。该种传感器的主要结构分为磁致伸缩线、波导管、永久磁铁、检测线圈、脉冲驱动电路、小信号放大器，信号处理电路等部分。直线传感器在使用上有下列优点28测量精度高；直线传感器是一种绝对位移传感器，不需要进行调零校准；由于采用波导管来传播超声波，所以介质的雾化和蒸气、介质表面的泡沫等都不会对测量精度造成较大的影响。输出信号一般采用420MA标准电流信号或RS485数字信号，可直接接入DCS系统或其它计算机管理系统，便于用微机对信号进行处理；适用于各种非接触式位移测量。性能可靠，使用寿命长，无故障工作时间最长可达23年，适合多种恶劣环境；安装、调试、标定简单方便。不需要进行定期标定和维护，节省了人力和物力，为用户带来极大的方便；可进行多点、多参数的测量，有自校正、免维护等独特功能；安全性高。磁致伸缩液位传感器的防爆类型一般有隔爆型和本安型两种，适合在各种易燃、易爆、高温、高压等危险场所工作。反射式光纤位移传感器是光电子技术的新产品，具有结构简单、性能稳定、造价低廉、设计灵活和能在恶劣环境下工作等优点，在光纤传感器中占有十分重要的地位并得到广泛应用。其基本原理是光源发出的光经过发送光纤射向被测物体的表面（反射面）上，反射光由接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，从而测量出被测位移量。只有接收光纤的端面位于发送光纤出射光锥之内，接收光纤才能收集到反射光；而且，接收的光通量与交叠的光斑面积有关29。通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化，输出光强的大小取决于测头到被测试件表面的距离30。激光干涉传感器以激光为光源，测量精度高、分辨力高，测量LM长度精度可达107108量级；量程可达数米，便于实现自动测量。由于激光干涉型位移传感器的上述特点，一般应用于实验室、计量室，作为其它位移传感器标定装置。光电位移传感器具有非接触、结构简单、精度适中等优点，发展也较成熟。但由于一般采用会聚光照明，目标位移会使照射光束离焦而降低测量精度，所以被测目标的运动范围，即量程受到限制。若采用照射光自动对焦方法，则只适于静态或准静态测量。数字式位移传感器是将位移直接转换成数字量输出的传感器，同模拟传感器相比，数字式位移传感器具有输出不易受电磁场的干扰、抗干扰能力强、利于进行远距离的传输的优点，而且易于与微机连接，提高了测试系统的可靠性26。加速度传感器3133，几乎所有的加速度传感器都是利用加速度场中的悬臂梁或者质量块的位移来产生一定的电信号或者非电信号的检测输出3437。按照这种信号转换的原理，可以将加速度计分为若干种，主要有压电式38、压阻式3945、电容式4657等。压电式传感器是一种机电换能器，所用的压电材料如天然石英、人工极化陶瓷等在受到一定的机械荷载时，会在压电材料的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比58。压阻式传感器有着灵敏度高、结构和加工简单等特点，目前大部分的高G值微机械加速度传感器都采用压阻式。其最大优点是低频下限可以延伸至零频率，特别适合于对低频响应有要求的冲击测量59。电容式加速度传感器，当存在加速度时，由于质量块将产生惯性力使得电容的可动极板位置发生改变，从而引起质量块两边的电容发生改变，电容的变化带来输出电压的改变，并与外加的加速度成正比关系，实现加速度的测量60,61。2全站仪全站仪又称全站型电子速测仪。该仪器采用先进的技术将电子测距、电子测角、电子计算和数据存储系统融为一体，极大地方便广大测绘工作人员野外作业。全站仪可以迅速测定空间点坐标，在大地测量、工程放样中被广泛使用。使用经纬仪或全站仪的变形测量方法，由于是使用激光测距的原理，测量距离长62，对于工件尺寸的要求不高，可以测量大尺寸的工件。但是其中经纬仪和全站仪的自身测量精度不高，并且测量点设置不易过多，同时如所测工件曲面复杂则必须在前期设置测量控制网，使前期的准备工作量增大。在20世纪80年代，建筑工程的变形监测主要是采用常规地而测量技术和某些特殊测量手段。常规地面测量，是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值。其优点能够提供变形体整体的变形状态；适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提供绝对变形信息。但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只提供局部的和相对的变形信息8。目前，LEICA公司推出了使用全站仪进行的专用的路面变形测量系统。3GPS技术GPS作为新一代的空间定位系统，自从20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时准实时定位与导航，其定位绝对或相对精度从M级扩展到CM级、MM级乃至亚MM级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。由于GPS测量具有高精度的定位能力，所以它逐渐成为各种变形监测的一种极为有效的手段。但是，由于GPS在应用中受到多方面的误差源的影响，导致在用GPS做变形监测时，在很多精密监测中，垂直位移精度难以满足监测要求，从而使其不能真正的达到三维监测。同时GPS使用时的特殊要求，也使其难以达到在工业实际中的物体变形检测的要求63。4散斑技术当用相干性很强的光（如激光）照射物体表面时，由于物面的粗糙（与光波尺度相比）而形成漫反射，这些漫反射光尤如无数个小的相干点光源，彼此相干，在物前空间形成了无数个随机分布的亮斑或暗斑，称为散斑6471。散斑干涉测量技术是六十年代末发展起来的一种光学测试技术，具有非接触、测量精度高、对环境的防震要求低、可在明光下操作、实时的全场测量等优点。近十年来随着CCD器件的发展、计算机图象处理技术的飞速发展，激光散斑测量技术和数字散斑测量技术均有了新的发展和突破。但是目前散斑测量主要反映的是二维方向上的变形，还没有完善的三维测量方法。并且单纯使用散斑测量的方法在大尺寸工件的变形中存在视场范围的限制，无法获得工件整体的变形信息。132摄影测量技术国内外研究现状数字近景摄影测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术，其用于工业现场是目前精密测量研究和应用的一个热点。数字近景摄影测量的发展历史可以概括为五个不同特征的时期基础阶段的早期；初进入数字阶段的逐步发展期；进入数字阶段的全面发展时期；稳步研究和加大推广应用的深入发展期和新近的成熟期72。1964年1984年是数字近景摄影测量早期阶段，这一时期的研究成果主要是奠定了数字近景摄影测量的理论基础73。1981年MORAVEC在立体匹配中采用角点检测器74。1981年CROWLEY和PARKER在用尺度空间中边缘的峰值作为一种特征表达，并将其连接成一个树结构75。1983年由德国ACKERMANN教授提出的最小二乘影像匹配（LEASTSQUARESIMAGEMATCHINGLSM）充分利用了影像窗口内的信息进行平差不计算76。19841988年是进入数字阶段的逐步发展期，在系统的设计、开发、标定等方面为后续的研发奠定了基础77。在MORAVEC算子的基础上，HARRIS和STEPHEN于1988年发展出HARRIS算子78。1988年1992年，数字近景摄影测量步入全面发展时期，越来越多的研究者在此方向进行研究和系统开发，出现了许多成功的应用报道，而且应用领域大大拓宽了（如工业测量、生物立体测量、流量测量、汽车碰撞实验测量和空间探测等）79。1992年1996年，数字近景摄影测量的研究和开发不再像前一阶段那样不断出现新成果和新发现，而是处于更加稳步的发展，业内更多的关注是拓展应用和成型系统的市场推广。1993年吴晓良提出了松弛法影像匹配方法80。1994年LINDERBERG深入地研究了如何选定一个合适的一致的尺度用于影像上的特征提取，即特征尺度选择的问题81。1995年张正友在角点附近利用相关窗口进行角点区域的匹配验证了角点提取也是可以用于基线较大的影像立体匹配82。TORR于1995年发展出的一个近似的方法可以用于宽基线运动匹配83。1996年至今，数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期。它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求，可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等。SCHMID和MOHR在1997年开创性的采用一个目标特征与一个大的影像数据库进行匹配从而将不变局部特征匹配用于解决一般的影像识别问题84。1999年SHOKOUFANDEH,MARSIC和DICKINSON提出使用小波系数来作为特征描述子85。1999年LOW将局部特征的方法扩展到尺度不变的局部特征，构造了一种新的局部特征描述子，对于三维视点变化造成的变形也能够使用86。2000年法国的LHUILLIER等提出采用四边形分割建立局部几何约束的方法87。2002年BOUFAMA提出利用影像分割获取边缘区域和非边缘区域，在非边缘区域采用连续新约束的方法88。2004年LOW提出的一种尺度不变特征的SIFT算子89。目前，国内高校和研究机构对于摄影测量技术的研究起步较晚。武汉大学近景摄影测量有着深入的研究，研究的重点主要是针对航拍、大地测量等9092。天津大学对摄影测量技术也做了大量的研究9396。国内基于摄影测量技术的静态变形测量研究较少，主要研究方向仍在摄影测量技术本身。国外对摄影测量技术的研究起步较早，因此相应的生产厂家和产品比较多，比较典型的有美国GSI公司的VSTARS系统、德国AICON3D公司DPAPRO系统、德国GOM公司的TRITOP系统、加拿大EOS公司的PHOTOMODELER系统、挪威METRONOR公司的METRONOR系统等。近景摄影测量系统使用高分辨率数码相机，从多个角度拍摄预先布置的圆形参考点和带有编码的参考点，然后自动三维重建，得到工件表面参考点的三维坐标，精度可达01MM/M。这些系统已经大量应用于航空、航天、汽车、轮船等领域的工业检测以及逆向设计工作中。这些公司也在其摄影测量系统的基础上开发出了静态变形测量系统，但是其价格昂贵，无法大规模推广，同时由于核心技术均在国外公司掌握，国内生产实际所产生的需要提交后，系统调整周期较长。133目前存在的问题目前进行静态变形测量所存在的问题为1使用应变片的变形测量所获得的测量结果为应变信息，并不直接反应变形位移信息。2位移传感器可以直接进行变形位移量的测量，但是由于其量程有限，一般无法对大变形进行测量，同时位移传感器只能测量一维的位移变形信息，无法准确反映物体的三维实际位移变形情况。3加速度传感器通过质量块的位移所转换的电信号或者非电信号的检测输出变形信息，多在振动变形测量中使用，其测量量程有限，不适用于大变形测量情况。4全站仪测量量程远，但是精度不足，多使用于建筑领域的变形测量，无法在工业测量中大规模使用。5散斑技术测量精度很高，但是其视场有限，无法对大工件大变形进行测量。而根据摄影测量技术进行变形测量，可以获得准确的位移变形场数据，同时测量方式为非接触测量，可以克服原有测量手段对于大变形测量的不足。但是其对每个变形状态单独进行重建，各个状态间的坐标系相互不统一，同时各个状态下的非编码标志点独立重建，导致各个状态间的变形点无法相互匹配，所以摄影测量结果如不进行处理无法获得准确的位移变形信息。14课题来源与研究意义141课题来源本课题是大型复杂曲面产品的反求和三维快速检测系统研究课题的一部分，大型复杂曲面产品的反求和三维快速检测系统研究是国家高技术研究发展计划（863计划）课题，课题编号为2007AA04Z124。在航空、航天、汽车、轮船等工业领域内，零部件的负载变形检测和产品的热变形和力变形检测要求随着对于产品要求的提高而增多，同时对于产品在各个不同状态下的形态检测（如飞机机翼不同飞行状态下的形态检测）精度及效率要求越来越高，原有方法无法满足其增长的需要；在其它领域，如相似材料模型实验、力学模拟等方面，随着所要求测量精度的提高，原有的一些测量方法也无法满足现有的测量情况，所以为了满足上述变形测量的要求，本文开发了一种基于摄影测量技术的变形测量系统。142研究意义为了克服现有的变形测量方式中的不足，满足工业实际使用中的效率和工件尺寸的要求，提供了一种可以高效的在大尺寸的工件变形中获得高精度的测量结果的测量方法。数字近景摄影测量作为一种快捷的非接触式测量手段，作业方式简单，三维坐标同时解算，冯文灏97总结了近景摄影测量技术较之其它三维测量手段具有以下优点981能瞬时获取被测物体的大量物理和几何信息，作为信息载体的像片或影像包含被测目标的大量信息，而且信息具有可重复使用、容易存储的特点，特别适用于测量点众多的目标；2它是一种非接触的无损检测手段，可以在恶劣条件（如水下、放射性强、有毒缺氧以及噪音）下进行作业；3它可用于动态物体和运动状态的测定，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段；4依赖于传统的理论方法和现代的软硬件条件，可提供相当高的精度和可靠性的测量手段，能提供千分之一至百万分之一的相对精度；5就其发展而言，它是一种基于数字信息和图像处理以及人工智能的技术，可以提供实时在线的现场测量，可以作为土木工程中结构的安装，结构的安全实时在线监测系统。通过数字影像来识别人工标志点随工件变形的运动来获得观测范围内工件的位移场与应变场。运用数字摄影测量中的影像定向与定位理论，可以有效的消除实验观测过程中人为因素引起的误差。本课题相较于以往技术，将数字近景摄影测量技术使用到变形测量中，使变形测量的成本相对降低，测量点增多，测量结果更加丰富，测量局限性减小并作为一种非接触测量的方式，在大变形破坏性实验中尤为适用，并为研究复杂受力的工件提供了可靠的实验依据，在工件的机械载荷试验、热负载试验、环境试验、破裂试验、拉伸试验等复杂受力情况下的位移场和变形场测量中有较大的应用前景。15主要研究内容和技术路线151主要研究内容为了满足静态变形测量和分析的需要，本文对如何将摄影测量技术引入静态变形测量中去，如何对测量所获取的数据进行需要的变形分析进行了研究。本论文的主要研究内容如下1静态变形测量方案设计。设计了一种根据摄影测量技术原理和静态变形测量实际要求的变形测量方法。实现变形测量的准确高效；2变形状态重建结束后的坐标系统一问题。主要包括变形状态坐标配准方案设计、坐标配准算法研究。对配准算法进行了详细的推导和程序验证；3各个变形状态中相同变形点的匹配问题。主要包括邻域搜索算法。对算法进行了详细的推导和程序验证；4相关拼合研究。在坐标配准和相同变形点匹配的基础上对相关拼合方法进行了研究。5元素拟合。包括面拟合算法、圆拟合算法、球拟合算法。对算法进行了详细的推导和程序验证；6空间元素关系计算。主要包括面面交线算法、点线间距算法、点面间距算法、两条不平行直线间的最短距离算法、线线夹角算法、线面夹角算法、面面夹角算法。对算法进行了详细的推导和程序验证；7在对变形测量整体方案和相关算法进行详细研究的基础上，在WINDOWSXP环境下利用VC60开发出一套静态变形测量系统。并用于了大型钢结构件的变形测量实验和矿层挖掘的模拟实验中。152技术路线静态变形测量市场需求分析测量整体方案设计坐标拼合算法研究摄影测量重建变形信息大型钢结构件的变形测量实验和相似材料模型实验总结与展望拼合精度分析相同变形点关联研究邻域搜索算法研究静态变形测量实验变形测量系统处理结果结果分析系统完善元素拟合算法研究拟合结果分析空间元素关系计算结果分析系统完善坐标拼合实现方案设计相关拼合研究图11技术路线图本文根据根据摄影测量的基本原理和静态变形测量的要求，设计了静态变形测量系统的整体测量方案，并设计了其中关键实施步骤的实现方案和算法。并根据测量分析的实际需要，对于测量结果的元素拟合和分析算法进行了研究。同时对得到的结果进行严格的精度验证与应用分析，最后得出结论与下一步的展望。具体的技术路线图如图11所示。EQUATIONCHAPTERNEXTSECTION12静态变形测量方案设计21引言本文的最终目的是开发出一套可以应用于实际生产检测过程的自动化静态变形测量系统，因此需要首先提出系统的实现方案。该系统实现主要存在两大技术问题各个变形状态的坐标配准和各个变形状态中相同变形点的匹配。这两个技术问题的解决将在第3章做详细介绍。如何设计一套静态变形的测量方案将摄影测量技术与静态变形测量目的相结合，满足静态变形测量的要求，将是本章研究的主要问题。本章首先对摄影测量技术进行了简单介绍，然后提出了静态变形测量系统的方案，并对方案进行了详细说明。22摄影测量技术简介被测物体重建完成标志点识别图像预定向捆绑调整非编码点匹配应用比例尺放置标志点获取被测物体图像信息图21摄影测量流程示意图图22编码标志点类型（A）同心圆环型一（B）同心圆环型二（C）分布型一（D）分布型二图23常用非编码标志点图案1放置标志点根据被测物体的尺寸和形状特征，在被测物体的周围和被测物体表面放置编码标志点（如图22），作为摄影测量中的控制点使用，然后在被测物体的测量关键位置粘贴非编码标志点（如图23），作为测量中的关键点使用。2获取图像，图像识别从不同的角度对被测物体进行图像获取，作为摄影测量处理的数据使用。根据所获取的被测物体图像数据，对每幅图像进行标志点识别，获取每幅图像中所有编码标志点和非编码标志点的中心坐标。3预定向根据每幅图像中编码标志点的中心坐标，按照两幅图像中公共编码标志点数目的多少，选用此两幅图像进行相对定向，计算出五个外参数（使用共面方程列误差方程，迭代运算），如果此两副图像相机夹角小于30度则改用使用下一对满足条件的图像进行相对定向，直到找出相机夹角大于30度的两副图像，完成相对定向，并重建出至少5个编码标志点的三维坐标作为控制点。然后根据这些图像包含的控制点数目，依次循环处理剩余的图像首先利用控制点定向该图像，然后与已经定向好的图像分别搜索公共的未重建的编码标志点，然后重建出来。每定向完毕一幅图像后，利用光束平差算法同时调整外参数和重建出的物体点三维坐标。4捆绑调整，非编码点重建所有图像都定向完毕后，利用光束平差算法同时调整内、外参数和重建出的物体点三维坐标。然后利用极线约束匹配并重建非编码标志点，再利用光束平差算法同时调整内、外参数和重建出的物体点三维坐标。5添加比例尺根据比例尺信息和测量温度，加入比例尺和温度补偿，获得最终的物体点三维坐标。23静态变形测量系统实现核心问题231坐标配准在摄影测量过程中，各个变形状态所重建的空间坐标信息均是在各自的摄影测量坐标系中，由于坐标系的不统一则无法对相同变形点进行匹配同时也无法计算各个变形状态中的变形量信息，所以为了静态变形测量中相同变形点的匹配和变形量的计算必须在摄影测量结束后将所有变形状态之间的坐标系统一。