CN101021564A - 基于电磁与激光复合跟踪的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法和装置。包括电磁跟踪方位引导与激光跟踪精确测量两个部分。当激光跟踪系统在测量过程中发生丢光或在初次测量前，电磁跟踪利用其大范围、对人体无遮挡的特点，依据电磁场理论，在电磁跟踪所能达到的精度范围内，迅速找到测量器上目标反射镜的粗略位置，并把测量结果传递给激光跟踪系统。激光跟踪系统以电磁跟踪的结果为指导，快速地搜索到目标反射镜，并通过绝对测距、干涉法增量测距、角度传感器测转角等功能及半径补偿算法，计算出被测点的精确位置。基于电磁与激光复合跟踪的测量方法，在保证激光跟踪测量精度不变的前提下，解决了激光跟踪测量过程中由于丢光导致操作繁琐、测量效率低下。

Description

基于电磁与激光复合跟踪的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法和装置。

背景技术

近年来大尺寸精密测量的需求随着数字化造船、大型飞行器研制、超大型电站装备的制造等重要工程的发展而显著增加。目前，激光跟踪测量系统是大尺寸测量的主要工具，它在5m内的精度达25μm，有效测量直径超过120m(LaserTrackerII，API，2005)，被广泛的运用于空间定位及大曲面测量。激光跟踪系统的最大缺点是测量过程不能丢光，若发生丢光，目标反射镜需重新回到鸟巢，测量必须重新开始。所以在测量过程中，工作人员需缓慢的移动目标反射镜，若移动速度过快、发生瞬间抖动或人体阻挡了激光，都会发生丢光。虽然API公司最新款的激光跟踪仪具有丢光续接功能，但它的搜索过程缺乏指导性，丢光续接速度很慢。所以激光跟踪测量效率较低且测量过程繁琐。电磁跟踪具有快速、大范围、对人体无遮挡的特点，但其跟踪测量的精度不高，距离测量精度约为2mm，角度测量精度约为0.5°(FASTRAK，Polhemus，2005)，被广泛的运用于虚拟现实。本发明将充分融合电磁跟踪与激光跟踪的优点，以电磁跟踪的结果为激光跟踪起引导作用，提高激光跟踪的测量效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、基于电磁激光复合跟踪的测量方法

包括电磁跟踪方位引导与激光跟踪精确测量两个部分；当激光跟踪系统在测量过程中发生丢光或初次测量前，电磁跟踪利用其大范围、对人体无遮挡的特点，依据电磁场理论，在电磁跟踪所能达到的精度范围内，找到测量器上目标反射镜粗略的空间位置，并把测量结果传递给激光跟踪系统；激光跟踪系统以电磁跟踪的结果为指导，搜索到目标反射镜，并通过绝对测距、干涉法增量测距、角度传感器测转角等功能及半径补偿算法，计算出被测点精确的空间位置。

所述的电磁跟踪方位引导过程：电磁跟踪系统利用三轴线圈发射低频磁场，用固定在测量器上的三轴磁场探测器，探测磁场的变化信息，利用电磁发射信号和感应信号之间的耦合关系，在电磁跟踪所能达到的精度范围内，计算出磁场探测器的方位；根据测量器上各个磁场探测器与目标反射镜之间已知的几何关系，计算出目标反射镜中心的空间位置，并传递给计算机，再由计算机把测量结果传递给激光跟踪系统。

所述的激光跟踪精确测量过程：激光跟踪系统把电磁跟踪的测量结果转化到自身的设备坐标系下，并驱动跟踪头上的电机，使激光束以电磁跟踪的结果为中心，按螺旋线轨迹运动，对目标反射镜进行搜索；找到目标反射镜后，激光跟踪系统利用绝对测距模块，得到跟踪头中心和目标反射镜中心之间的绝对距离；然后激光跟踪系统开始测量工作，它利用激光干涉系统，得到测量过程中目标反射镜与跟踪头中心之间的距离变化量，利用角度传感器记录跟踪头的水平角和俯仰角，再结合绝对距离值，计算出目标反射镜中心的空间位置；所得测量数据经过半径补偿算法的处理后，得到被测点的精确坐标值，并在计算机上显示测量结果；若在激光跟踪测量过程中发生丢光现象，则从新返回到电磁跟踪方位引导过程。

二、一种基于电磁与激光复合跟踪的测量装置

包括测量器、电磁跟踪系统和激光跟踪系统；其中：

1)测量器：测量器把手为椭圆形，测量器把手内安装有电源，测量器把手末端安装有报警指示灯和正常工作指示灯；球形的目标反射镜位于测量器底端，三个磁场探测器所在轴的轴心线过目标反射镜的球心，且三个磁场探测器和目标反射镜球心之间的距离是已知的；

2)电磁跟踪系统：包括电磁发射器、三个磁场探测器、电磁跟踪控制系统和控制软件；三个磁场探测器安装在测量器上，测量器和电磁跟踪控制系统之间由电缆相连，控制软件安装在计算机上；电磁发射器、电磁跟踪控制系统和计算机之间都用电缆连接；

3)激光跟踪系统：包括目标反射镜、激光跟踪头、激光跟踪控制系统和控制软件；目标反射镜安装在测量器的底端，控制软件安装在计算机上；激光跟踪头、激光跟踪控制系统和计算机之间都用电缆连接；测量器通过启动开关控制其工作状态，顶端安装有电磁信号处理器及电磁信号接口；三个磁场探测器位于测量器的中间轴上，且按直线、等间距分布；

本发明具有的有益效果是：

利用电磁跟踪快速、大范围、对人体无遮挡的特点，可实现激光跟踪测量过程中快速的丢光续接，使目标反射镜可以以任意速度变换测量位置。所以基于电磁与激光复合跟踪的测量方法，在保证激光跟踪精度不变的前提下，解决了激光跟踪测量过程中由于丢光导致操作繁琐、测量效率低下的问题。

附图说明

图1是基于电磁与激光复合跟踪的测量器结构示意图；

图2是基于电磁与激光复合跟踪的测量系统连接关系示意图；

图3是跟踪头以螺旋线轨迹寻找目标反射镜过程示意图；

图4是基于电磁与激光复合跟踪的测量方法流程图。

图中：1、测量器，2、电磁信号接口，3、启动开关，4、电磁信号处理器，5、磁场探测器，6、测量器把手，7、电源，8、报警指示灯，9、正常工作指示灯，10、目标反射镜，11、激光跟踪头，12、激光跟踪控制系统，13、电磁发射器，14、电缆，15、电磁跟踪控制系统，16、计算机，17、激光，18、电磁场，19、被测曲面。

具体实施方式

如图1所示，测量器1通过启动开关3控制其工作状态，测量器1顶端安装有电磁信号处理器4及电磁信号接口2。三个磁场探测器5位于测量器1的中间轴上，且按直线、等间距分布，磁场探测器5由独立的相互正交的三组线圈绕组构成，它们与电磁信号处理器4均有导线连接。测量器把手6为椭圆形，测量器把手6内安装有电源7，测量器把手6末端安装有报警指示灯8和正常工作指示灯9。球形的目标反射镜10位于测量器底端，三个磁场探测器5所在轴的轴心线过目标反射镜10的球心，且三个磁场探测器5和目标反射镜球心之间的距离是已知的。测量开始后，首先通过启动开关3启动测量器，若测量器1完好，则正常工作指示灯9亮绿光。操作员手持测量器把手6，使目标反射镜10与被测曲面19接触。磁场探测器5探测到的电磁信号通过导线传递到电磁信号处理器4，进行预处理，结束后通过电磁信号接口2传递给电磁跟踪控制系统15。当测量器1发生故障或电源7不足时，正常工作指示灯9灭且报警指示灯8亮闪烁红光。当被测量的是金属曲面时，电磁发射器13生成的电磁场与金属造成的电磁场会相互干扰，从而影响发射器磁场的形状，使测量产生较大的误差。本发明中，测量器1的设计使磁场探测器5与被测曲面19之间相隔一定的距离，从而避免了较大误差的产生。

如图2所示，本发明包括电磁跟踪系统、激光跟踪系统和测量器1三部分。本发明使用的电磁跟踪系统为Polhemus公司的FASTRAK定位器(POLH02)，激光跟踪系统为美国API公司的LaserTracker II。电磁跟踪系统有电磁发射器13、磁场探测器5、电磁跟踪控制系统15及控制软件组成。其中三个磁场探测器5安装在测量器1上，测量器1和电磁跟踪控制系统15之间由电缆14相连，控制软件安装在计算机16上。电磁发射器13、电磁跟踪控制系统15和计算机16之间都用电缆连接。激光跟踪系统由目标反射镜10、激光跟踪头11、激光跟踪控制系统12及控制软件组成。其中目标反射镜安装在测量器的低端，控制软件安装在计算机上。激光跟踪头11、激光跟踪控制系统12和计算机16之间都用电缆14连接。

由于交流变化的磁场会导致二级磁场的产生，使磁场模式发生畸变，所以本发明采用直流式电磁跟踪系统。如图2所示，电磁发射器13由三组正交的线圈组成。通过电磁控制系统15中的控制程序，发射器周期性地依次以直流电驱动三组发射线圈，使每一组线圈分时产生一个脉冲时间的直流电磁场18。在每一个时区内，电磁发射器13上的磁场探测器5均测得相应的磁场数据。之后再有第四个时间区间，发射器不工作，三个发射轴均不产生脉冲直流磁场，在这个时间段磁场探测器测得环境磁场。测量器1所测得的磁场信息经过电磁信号处理器4处理后通过电缆传递到电磁控制系统15。由于磁场探测器5也由独立的、相互正交的三组线圈绕组构成，所以一个测量周期内每一个磁场探测器获得共4组12个数据。其中最后一组为环境磁场数据，其余三组数据减去环境磁场数据即得到分别对应于发射器三轴的磁场信息，从中可求得磁场探测器5相对于电磁发射器13的方位。电磁控制系统15中的运算程序利用两个电磁探测器5的坐标值就可以解出测量器1中间轴的直线方程，利用电磁探测器5和目标反射镜10之间的已知位置关系，可以计算出目标反射镜10中心的位置，第三个电磁探测器的坐标值作为冗余点参与运算，以提高测量精度。由于电磁定位的距离精度约为2mm，角度测量精度约为0.5°，而且测量过程中附带有环境磁场的干扰，所以电磁定位只是一个粗略定位。接着，计算机16将电磁跟踪的结果传递给激光跟踪控制系统12，根据电磁跟踪的结果，激光跟踪控制系统12驱动激光跟踪头11上的电机，使其发射的激光17光束以电磁跟踪的结果为中心，按螺旋线轨迹运动(如图3)，对目标反射镜10进行搜索，以快速地找到目标反射镜。找到后，激光跟踪系统利用绝对测距系统，测量出目标反射镜10中心和跟踪头11中心之间的绝对距离S，在随后的测量过程中利用激光干涉系统测量距离的变化量ΔS，利用角度测量传感器记录跟踪头11的水平转角α和俯仰角β，并把结果传递给计算机16上的控制软件。控制软件以跟踪头11中心为原点建立球坐标，按(1)式计算出目标反射镜中心的位置。

$\left\{\begin{array}{c}x=L\·\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\α}\\ y=L\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\α}\\ z=L\·\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中L＝S+ΔS

然后控制软件利用半径补偿算法计算出被测点的位置，并在计算机上显示计算结果。

如图3所示，描述了激光跟踪控制系统12根据电磁定位的结果——点O为指导，驱动激光跟踪头11上的电机，使其发射的激光17以点O为中心，按螺旋线轨迹运动，以快速的找到目标反射镜。

基于电磁与激光复合跟踪的测量方法流程图，如图4所示。进行初次测量前，先对系统进行预热，对设备参数及电磁发射器13、激光跟踪头11的位置进行准确的校准。然后电磁跟踪系统启动，由电磁发射器13向测量器1方向发射低频磁场，测量器1上的磁场探测器5探测该处的感应信号，且把探测结果传递给电磁信号处理器4，预处理后通过电磁信号接口2、传递给电磁跟踪控制系统15进行运算处理，然后以通过计算机16传递到激光跟踪控制系统12，激光跟踪控制系统12以电磁跟踪的结果为引导，驱动激光跟踪头11上的电机，使激光束以电磁跟踪的结果为中心，按螺旋线轨迹运动，对目标反射镜进行搜索，以快速地找到目标反射镜。找到后，激光跟踪系统利用绝对测距模块，得到跟踪头中心和目标反射镜中心的绝对距离。然后激光跟踪系统开始测量工作，它利用激光干涉系统，得到测量过程中目标反射镜与跟踪头之间的距离变化量，利用角度传感器记录跟踪头的水平转角和俯仰角，再结合绝对距离值，由激光跟踪控制系统12计算出目标反射镜中心的精确位置。接着控制软件通过半径补偿算法，换算出被测量点的精确位置。此时，若测量还没结束，则由激光跟踪系统继续测量，一旦发生丢光，则返回到电磁跟踪过程。

Claims (4)

1.一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法，其特征在于：包括电磁跟踪方位引导与激光跟踪精确测量两个部分；当激光跟踪系统在测量过程中发生丢光或初次测量前，电磁跟踪利用其大范围、对人体无遮挡的特点，依据电磁场理论，在电磁跟踪所能达到的精度范围内，找到测量器上目标反射镜粗略的空间位置，并把测量结果传递给激光跟踪系统；激光跟踪系统以电磁跟踪的结果为指导，搜索到目标反射镜，并通过绝对测距、干涉法增量测距、角度传感器测转角等功能及半径补偿算法，计算出被测点精确的空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法，其特征在于：所述的电磁跟踪方位引导过程：电磁跟踪系统利用三轴线圈发射低频磁场，用固定在测量器上的三轴磁场探测器，探测磁场的变化信息，利用电磁发射信号和感应信号之间的耦合关系，在电磁跟踪所能达到的精度范围内，计算出磁场探测器的方位；根据测量器上各个磁场探测器与目标反射镜之间已知的几何关系，计算出目标反射镜中心的空间位置，并传递给计算机，再由计算机把测量结果传递给激光跟踪系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁与激光复合跟踪的测量方法，其特征在于：所述的激光跟踪精确测量过程：激光跟踪系统把电磁跟踪的测量结果转化到自身的设备坐标系下，并驱动跟踪头上的电机，使激光束以电磁跟踪的结果为中心，按螺旋线轨迹运动，对目标反射镜进行搜索；找到目标反射镜后，激光跟踪系统利用绝对测距模块，得到跟踪头中心和目标反射镜中心之间的绝对距离；然后激光跟踪系统开始测量工作，它利用激光干涉系统，得到测量过程中目标反射镜与跟踪头中心之间的距离变化量，利用角度传感器记录跟踪头的水平角和俯仰角，再结合绝对距离值，计算出目标反射镜中心的空间位置；所得测量数据经过半径补偿算法的处理后，得到被测点的精确坐标值，并在计算机上显示测量结果；若在激光跟踪测量过程中发生丢光现象，则从新返回到电磁跟踪方位引导过程。

4.一种基于电磁与激光复合跟踪的测量装置，其特征在于：包括测量器(1)、电磁跟踪系统和激光跟踪系统；其中：

1)测量器(1)：测量器把手(6)为椭圆形，测量器把手(6)内安装有电源(7)，测量器把手(6)末端安装有报警指示灯(8)和正常工作指示灯(9)；球形的目标反射镜(10)位于测量器(1)底端，三个磁场探测器(5)所在轴的轴心线过目标反射镜(10)的球心，且三个磁场探测器(5)和目标反射镜(10)球心之间的距离是已知的；

2)电磁跟踪系统：包括电磁发射器(13)、三个磁场探测器(5)、电磁跟踪控制系统(15)和控制软件；三个磁场探测器(5)安装在测量器(1)上，测量器(1)和电磁跟踪控制系统(15)之间由电缆相连，控制软件安装在计算机(16)上；电磁发射器(13)、电磁跟踪控制系统(15)和计算机(16)之间都用电缆连接；

3)激光跟踪系统：包括目标反射镜(10)、激光跟踪头(11)、激光跟踪控制系统(12)和控制软件；目标反射镜(10)安装在测量器(1)的底端，控制软件安装在计算机(16)上；激光跟踪头(11)、激光跟踪控制系统(12)和计算机(16)之间都用电缆连接；测量器(1)通过启动开关(3)控制其工作状态，顶端安装有电磁信号处理器(4)及电磁信号接口(2)；三个磁场探测器(5)位于测量器(1)的中间轴上，且按直线、等间距分布。

Images