一种应用于飞机总装配的平显数字化校靶方法 【技术领域】
本发明涉及校靶方法，尤其涉及一种应用于飞机总装配的平显数字化校靶方法。
背景技术
平显是一套比光学瞄准具功能更全的光电显示设备，其定位、安装精度将直接影响飞机火控系统的精度。因此，必须对平显的安装和定位进行校准，以确保飞机系统火控精度。多年来我国的平显校靶方法依然沿袭着传统的光学校靶手段，自动化程度低，测量数据的可信度差，工作现场所占的空间大，严重抑制了校靶精度的提高和校靶效率的提升。
【发明内容】
本发明的目的是针对传统光学校靶技术的不足和提升飞机总装配自动化、集成化水平的迫切需求，提出了一种应用于飞机总装配的平显数字化校靶方法。
1)将飞机调平，将激光跟踪仪放置在下站位位置，激光跟踪仪的测量坐标系与下站位的装配坐标系统一，调整平显校靶装置上的水泡居中；
2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线；
3)将跟踪仪移动到上站位位置，激光跟踪仪的测量坐标系与上站位的装配坐标系统一；
4)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成平显校靶装置上靶标点测量；
5)计算并图形显示平显校靶装置相对飞机构造水平面和对称轴线的偏差情况，即以虚拟靶板模拟真实靶板给出图像化的平显校靶结果，提示调整方向。如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成平显校靶，否则继续；
6)根据计算机的提示，人工调整平显校靶装置安装位置，完成调整后，重复步骤4)～步骤5)，直至达到平显校靶要求。
所述的平显校靶装置包括平显校靶模板、靶标、水泡，平显校靶模板上设有靶标和水泡。
所述的利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线步骤包括：
1)利用激光跟踪仪测量2#、12#两个测量点P2#，P12#：
P2#＝(x2#，y2#，z2#)，P12#＝(x12#，y12#，z12#)；
2)将P2#，P12#投影至XOZ平面，获得投影点P2#⊥XOZ，P12#⊥XOZ：
3)则P12#⊥XOZP2#⊥XOZ即确定飞机对称轴线L：
其中，
表征飞机对称轴线L的方向。
所述的计算并图形显示平显校靶装置相对飞机构造水平面和对称轴线的偏差步骤包括：
1)利用激光跟踪仪测量平显校靶装置上的4个靶标点PM1，PM2，PM3，PM4：PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，PM3＝(xM3，yM3，zM3)，PM4＝(xM4，yM4，zM4)；
2)根据PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，将其向XOY平面投影，可计算平显校靶装置的俯仰误差θpitch：
3)根据PM3＝(xM3，yM3，zM3)，PM4＝(xM4，yM4，zM4)，将其向YOZ平面投影，可计算平显校靶装置的滚动误差θroll：
4)根据PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，将其向XOZ平面投影，可计算平显校靶装置的方位误差θazimuth：
5)计算平显校靶装置在模拟靶板上瞄准点的位置：
——靶标点PM1在模拟靶板上的投影点，
——靶标点PM3在模拟靶板上的投影点，
——靶标点PM4在模拟靶板上的投影点，
——瞄准点PMA在模拟靶板上的投影点，
——PMA⊥相对PM1⊥的偏移量，
其中，
D——靶标点PM1至实际靶板的距离；
——平显校靶装置相对飞机对称轴线的空间偏角，其计算如下：
首先，计算平显校靶装置的航向方向
则，
瞄准点PMA⊥的计算过程如下：
由PM1PM2确定直线LC：
LC(t)＝PM1+tdC
其中，
表征直线LC的方向
则，PMA＝LC(t′)＝PM1+t′dC
其中，
根据
即求得PMA⊥。
本发明的优点在于：1)较之现有的传统光学校靶方法，，数字化校靶测量系统可有效提高校靶精度，大幅提升校靶效率，并显著减轻了校靶过程对工作现场空间大小的依赖；2)进一步提高了飞机总装的自动化、集成化水平。
【附图说明】
图1(a)为依据本发明实施方式的平显校靶模板和原望远镜示意图；
图1(b)为依据本发明实施方式的平显校靶模板和平显校靶装置示意图；
图1(c)为依据本发明实施方式的平显校靶装置俯视图；
图2(a)为依据本发明实施方式的平显校靶测量布局侧视图；
图2(b)为依据本发明实施方式的平显校靶测量布局正视图；
图3为依据本发明实施方式的平显校靶计算示意图；
图4为依据本发明实施方式的平显校靶软件系统流程图。
图中：平显校靶模板1、原望远镜2、靶标3、水泡4、某型飞机5、激光跟踪仪上站位6、平显校靶装置(装有靶标和水泡)7、上下站位统一坐标系共用测量点8、激光跟踪仪下站位9、确定飞机对称轴线的2#和12#测量点10。
【具体实施方式】
本发明结合了先进的激光跟踪仪测量技术和辅助校靶装置，利用数字化测量手段实现某型飞机平显校靶的工艺过程。其实现过程主要包含两个步骤：首先，合理选择反映平显校靶模板(实际应用中，拆下平显，以平显校靶模板替代平显进行校靶)位姿的测量点，以高精度的激光跟踪测量技术获取其实际安装位姿；继而，计算实际安装位姿相对理论目标位姿的偏差，同时将偏差结果在计算机上予以直观的图像化显示，并且，一旦当位姿偏差超出给定阈值时，系统自动给出有效可行的平显校靶模板位姿调整方案。本发明有机融合了机械设计、激光测量、数据处理、计算机成像、网络通信等诸多技术，较之现有的传统光学校靶方法，数字化校靶测量系统可有效提高校靶精度，大幅提升校靶效率。。
以下从平显校靶的装置及其工作原理，测量方法，测量精度分析，偏差计算方法和软件模块的设计五个方面对平显数字化校靶系统予以介绍。
某型飞机平显校靶的技术要求是：正确校准平显校靶装置的俯仰、滚动和方位方向。
1.平显校靶装置及其工作原理
平显校靶装置如图1所示，由平显校靶模板、4个用于激光跟踪测量的靶标及水泡组成。其技术参数和性能指标如下：
1)校靶模板能够代替平显安装到平显安装座上，模板的工作平面和工作轴线能正确反映平显的位置和方向，其偏差不超过0.04度；
2)平显校靶系统的校靶精度能够满足飞机平显校靶的设计要求；
3)校靶装置安装简单，操作方便。
工作原理：
调整水泡居中，以保证平显校靶装置在横滚方向正确校准，并且通过测量两侧安装座上的2个靶标点，并将测量值向YOZ平面投影，可计算平显校靶装置的横滚误差；通过测量中央安装座上的2个靶标点，并将测量值分别向XOZ平面和XOY平面投影，可计算平显校靶装置的方位误差和俯仰误差。
2.测量布局和测量实施方法
测量布局：
平显校靶布局如图2所示。激光跟踪仪放在某型飞机5的侧面，分上站位6和下站位9，激光跟踪仪处于下站位9时，负责测量2#，12#测量点10，激光跟踪仪处于上站位6时，负责测量平显校靶装置上的靶标7。
为了统一两个站位的测量坐标系，在地面上设置4个在两个站位均能测量到的固定共用靶标点8。
平显校靶装置上靶标布置如图1所示，布置4个靶标，靶标中心的连线与当前的望远镜的中心线一致。
测量实施方法：
1)将飞机调平，即调整飞机的横向方向和纵向方向水平，做法是：在飞机的左右机翼对称布置两个测量点，两点的高度差在0.5mm内即达到横向调平，沿飞机机身方向布置两个测量点，两点的高度差在0.5mm内即达到纵向调平，其次，将激光跟踪仪放置在下站位位置，激光跟踪仪的测量坐标系与下站位的装配坐标系统一，这里，激光跟踪仪的测量坐标系指激光跟踪仪开启后，自动默认建立的空间坐标系，而下站位的装配坐标系指根据现场飞机总装配的布局由设计人员所定义的空间坐标系，统一两者的方法是：通过测量布置在地面上的若干个公共观测点，获得这些公共观测点的实测值，即上述点在激光跟踪仪测量坐标系下的空间坐标值，继而，读取上述公共观测点在下站位的装配坐标系下的名义值，对上述两类数值应用经典的点匹配算法，即可实现两个坐标系的统一，调整平显校靶装置上的水泡居中；
2)利用激光跟踪仪测量2#、12#测量点，在计算机内构建飞机对称轴线；
3)将跟踪仪移动到上站位位置，激光跟踪仪的测量坐标系与上站位的装配坐标系统一，坐标系统一的方法同步骤1)；
4)启动测量程序，采用手动测量模式或自动测量模式完成平显校靶装置上靶标点测量；
5)计算并图形显示平显校靶装置相对飞机构造水平面和对称轴线的偏差情况，即以虚拟靶板模拟真实靶板给出图像化的平显校靶结果，提示调整方向。如果计算偏差在允许偏差范围之内则完成平显校靶，否则继续；
6)根据计算机的提示，人工调整平显校靶装置安装位置，完成调整后，重复步骤4)～步骤5)，直至达到平显校靶要求。
3.测量精度分析
Leica AT901‑LR型激光跟踪仪的精度指标：在全量程(水平方向360°，垂直方向±45°，可达到测头的最大测量范围80m)范围内，对单点测量的不确定度为：Uxyz＝±15μm+6μm/m，其中，“Uxyz”定义为被测点的实测三维坐标值和名义三维坐标值之间的偏差。
测量靶标点时，激光跟踪测量系统的误差主要来源于四个方面：1、激光跟踪仪的测量误差a，2、靶标安装座的定位误差b，3、激光跟踪仪转站误差c，4、地基震动误差d。结合相关的误差分析计算，可得a≤±15μm+120μm，b＝±0.0127mm，c＝0.05mm，d＝0.006mm。
综合以上四方面的误差，在测量靶标点的过程中，激光跟踪测量系统总的不确定度为：
根据平显校靶装置上靶标点的间距L和靶标后点距离靶板的距离D，可计算出航向测量误差，如下：
Dε_航向＝Dtanθε_航向＝21000×tan(0.030°)＝10.88mm
4.偏差计算方法
图3是平显校靶计算示意图，其基本计算过程如下：
1)利用激光跟踪仪测量2#、12#两个测量点：
P2#＝(x2#，y2#，z2#)，P12#＝(x12#，y12#，z12#)；
将P2#，P12#投影至XOZ平面，获得投影点P2#⊥XOZ，P12#⊥XOZ：
则P12#⊥XOZP2#⊥XOZ即确定飞机对称轴线L：
其中，
表征飞机对称轴线L的方向。
2)利用激光跟踪仪测量4个靶标点PM1，PM2，PM3，PM4：
PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，PM3＝(xM3，yM3，zM3)，PM4＝(xM4，yM4，zM4)；
3)根据PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，将其向XOY平面投影，可计算平显校靶装置的俯仰误差θpitch：
4)根据PM3＝(xM3，yM3，zM3)，PM4＝(xM4，yM4，zM4)，将其向YOZ平面投影，可计算平显校靶装置的滚动误差θroll：
5)根据PM1＝(xM1，yM1，zM1)，PM2＝(xM2，yM2，zM2)，将其向XOZ平面投影，可计算平显校靶装置的方位误差θazimuth：
6)计算平显校靶装置在模拟靶板上瞄准点的位置，如图3所示：
——靶标点PM1在模拟靶板(YOZ平面)上的投影点，
——靶标点PM3在模拟靶板(YOZ平面)上的投影点，
——靶标点PM4在模拟靶板(YOZ平面)上的投影点，
——瞄准点PM4在模拟靶板(YOZ平面)上的投影点，
——PMA⊥相对PM1⊥的偏移量，
其中，
D——靶标点PM1至实际靶板(建坐标系时使其平行于YOZ平面)的距离；
——平显校靶装置相对飞机对称轴线的空间偏角，其计算如下：
首先，计算平显校靶装置的航向方向
则，
瞄准点PMA⊥的计算过程如下：
由PM1PM2确定直线LC：
LC(t)＝PM1+tdC
其中，
表征直线LC的方向
则，PMA＝LC(t′)＝PM1+t′dC
其中，
根据
即求得PMA⊥；
5.软件模块设计
根据平显校靶的工艺步骤和特点，提供图示化向导式操作界面，使得操作人员可以根据图示化的操作向导，按照指定的步骤高效完成平显校靶任务；依次实现飞机对称轴线数据的读取、靶标点自动或手动测量、平显校靶装置俯仰、倾斜及航向偏差计算、计算结果的可视化显示(以虚拟靶板模拟真实靶板给出图像化的平显校靶结果)、调整方法提示等功能。其基本流程如图4所示。