CN101655343A - 电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标、底座和基准尺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标、底座和基准尺，旨在满足电子经纬仪测量系统在水平360°，俯仰±45°角度内，沿任意方向在数十米范围上进行校准的需要。其中：靶标为轴承钢球经过线切割加工而成的半球或球缺；包括粘贴有纸质环形标志的端面，及一种放置如上所述靶标的底座，一种安装如上所述靶标的基准尺。本发明满足了电子经纬仪测量系统在水平360°，俯仰±45°角度内，沿任意方向在数十米范围上进行校准的需要，并且，应用于校准的基准点的坐标值可以用精度更高的仪器，如激光雷达扫描仪实时的修正，以保证高的校准精度和降低对基准放置点环境的依赖。

Description

电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标、底座和基准尺

技术领域

本发明涉及用于几何量计量仪器校准的靶标、底座和基准尺，尤其涉及对电子经纬仪坐标测量系统等空间大尺寸测量仪器进行校准的靶标、底座和基准尺。

背景技术

空间大尺寸测量仪器种类很多，包括经纬仪测量系统，激光测量系统，摄影测量系统等，各类仪器测量原理不同，不同的测量原理导致了对其测量精确度评价的不同方法，因而空间大尺寸测量仪器的校准长期以来都没有完全成形的标准。

国家《JJG425-2003光学经纬仪检定规程》和《JJG100-2003全站型电子速测仪检定规程》中，对单台经纬仪角度测量的校准进行了规定，而由多台电子经纬仪组成测量系统的空间坐标测量的校准却未作规定。

在大尺寸测量仪器中，目前研究较多的是有关激光跟踪仪的校准方法，中国计量科学研究院编写的《基于激光的球坐标测量系统的性能评价(征求意见稿)》、航空304所编写的《大尺寸测量系统-激光跟踪仪校准规范(报批稿)》，都对激光跟踪仪的校准做出了规定，其测量方案如附图13所示，其中使用了激光干涉仪110，参考镜120，激光跟踪仪130，靶镜140，长导轨150等，主要步骤如下：

步骤1.准备测量设施，包括激光干涉仪、直线度很好的长导轨、激光跟踪仪；

步骤2.将激光干涉仪置于长导轨的一端，被校准的激光跟踪仪位于长导轨一侧，与长导轨横向拉开距离H；

步骤3.使靶镜沿导轨移动，根据校准需要改变靶镜的移动距离，并调整激光跟踪仪的高度和与长导轨间的距离H，同时由激光干涉仪和激光跟踪仪分别测得靶镜移动的距离；

步骤4.将激光干涉仪的测量结果作为参考值，计算激光跟踪仪相对于激光干涉仪的测量偏差；

此外，美国国家标准《Performance Evaluation of Laser BasedSpherical Coordinate Measurement Systems》对激光跟踪仪的校准进行了描述，测量方案如附图14所示，其中使用了基准轴21，目标基准22，两个基准目标a和b，主要步骤如下：

步骤1.准备测量设施，包括基准尺、激光跟踪仪；

步骤2.在测量空间放置一基准尺，尺长A不小于2.3m，其两端点a和b的距离事先经过标定得到校准值；

步骤3.激光跟踪仪安装在与基准尺轴线相垂直的一侧，其高度h与基准尺的放置高度大致相同，且使其与基准尺两个端点的距离近似相等。

步骤4.变换激光跟踪仪的位置和方向，对基准尺的长度进行测量，测量结果与基准尺的校准值进行比较，并计算激光跟踪仪相对于基准尺的测量偏差。

在以上列出的两种激光跟踪仪校准方法中，方案一是采用长导轨上移动的靶镜作为比较媒介，以激光干涉仪作为标准器，测得激光跟踪仪的测量偏差。此方法操作时受长导轨方向的限制，测量范围只能沿一维方向延伸，而电子经纬仪测量系统，则需要在水平360°，俯仰±45°的范围内，沿任意方向进行校准。因此方案一不适用于电子经纬仪测量系统的校准。方案二突破了导轨方向的限制，代之以可灵活放置的基准尺，满足了对任意方向和角度的校准要求。但由于基准尺是实物基准，其长度不宜过大，一般在3m以内，否则，不仅基准尺标定困难，当温度等环境条件发生变化或者尺身发生变形时，都会使标定值失准，基准尺过长还会造成携带不便。因此该方案无法满足电子经纬仪系统在数十米范围上的校准需求。

到目前为止，国内外尚无其它电子经纬仪空间三维坐标测量校准研究的报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种电子经纬仪空间坐标测量系统的校准用的靶标和基准尺，满足电子经纬仪测量系统在水平360°，俯仰±45°角度内，沿任意方向在数十米范围上进行校准的需要，并且，要求应用于校准的基准点的坐标值可以用精度更高的仪器实时的修正，以保证高的校准精度和降低对基准放置点环境的依赖。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其中，靶标整体为钢球经过加工得到的半球或球缺，钢球由于切割而具有一个经过球心的端面，在此端面上粘贴有环形目标。

如上所述的一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其中，所述靶标为一个沿钢球最大截圆平面切入八分之五的深度，然后沿与最大截圆平面呈120°方向进行切除所形成的球缺。

如上所述的一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其中，环形目标为纸质环形目标，其图案为三个同心圆，中心画有十字线，纸质环形目标与钢球同心。

一种放置如上所述的靶标的底座，其中，底座采用圆柱形钢加工而成，圆柱一端有加工出的放置靶标的孔，孔的外边缘有倒出的与靶标相配合的光滑圆角，孔的内部有加工出的阶梯孔，阶梯孔中装有稀土磁石。

一种安装如上所述的靶标的基准尺，包括测量杆，工装，手柄部分，其中，工装固连在测量杆两端，为L形钢，长边中心加工有阶梯孔，L形钢短边中心加工有沉孔。

一种如上所述的一种安装如上所述的靶标的基准尺，其中，基准尺长度在900mm～1100mm之间，测量杆部分采用碳纤维材料。

本发明的有益效果在于：提供了一种电子经纬仪空间坐标测量系统的校准用的靶标和基准尺，满足电子经纬仪测量系统在水平360°，俯仰±45°角度内，沿任意方向在数十米范围上进行校准的需要，并且，应用于校准的基准点的坐标值可以用精度更高的仪器，如激光雷达扫描仪实时的修正，以保证高的校准精度和降低对基准放置点环境的依赖。

附图说明

图1是球缺靶标主视图；

图2是球缺靶标左视图；

图3是半球靶标主视图；

图4是半球靶标左视图；

图5是两种仪器对靶标测量示意图；

图6是球缺靶标和底座结合使用时的主视图；

图7是球缺靶标和底座结合使用时的左视图；

图8是校准时空间靶标布局示意图；

图9是半球靶标和基准尺结合使用时的主视图；

图10是半球靶标和基准尺结合使用时的俯视图；

图11是基准尺上的工装主视图；

图12是基准尺上的工装剖视图；

图13是激光跟踪仪校准方案1示意图；

图14是激光跟踪仪校准方案2示意图；

其中，R为球半径，Z为两个切割面交线与球心的距离，∠A为两个切割面的夹角，31电子经纬仪测量系统，32电子经纬仪，33测量靶标，34激光雷达扫描仪，41环形目标，42球缺靶标，43磁石，44底座，L校准空间的长度，M校准空间的宽度，H校准空间的高度，61环状目标，62球状靶标，63测量杆，64手柄，65工装，110激光干涉仪，120参考镜，130激光跟踪仪，140靶镜，150长导轨，H距离，21基准轴，22目标基准，h测量仪器高度，D测量仪器距离目标基准的距离，A 2个目标基准之间的距离，a基准目标，b基准目标。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一

此靶标为将一个半径30mm的钢球，沿最大截圆平面切入八分之五的深度，然后沿与最大截圆平面呈120°方向进行切除所形成的球缺，如图1所示，其中，R为球半径，Z为两个切割面交线与球心的距离，∠A为两个切割面的夹角。

球缺是筛选过的，中心球冠高为半径大小，公差范围为-0.02mm～-0.05mm之内。

在过球心的平面上粘贴有纸质环形目标，纸质环形目标图案为三个同心圆，中心画有十字线。中心圆为直径1mm，线宽0.4mm，第二个圆为直径8mm，线宽1mm，外圆为直径16mm，线宽3mm，三个圆同心度小于0.003mm，中心十字线长20mm，宽0.2mm。

此过程中需要在万能工具显微镜下对靶标找中心，利用专用工装保证靶标回转的情况下中心位置不变。将纸质靶标粘贴球心所在平面，尽量保证靶标中心与球同心，并且利用万能工具显微镜对其进行检验。

并且粘贴后需要测量粘贴靶标后中心点球冠高，球冠高要求与球半径差小于0.01mm，不满足要求的在靶标中心粘入纸片，调整到半球矢高与标准半径差小于0.005mm。

靶标放置于底座上，如图6所示，其中，环形目标41，半球靶标42，磁石43，底座44，底座由直径30mm，长60mm的圆柱形45钢加工而成，圆柱一端加工直径20mm，深8mm的孔，用于放置靶标，孔的外边缘倒出和靶标配合的光滑圆角，内部加工出直径10mm，深10mm的阶梯孔，在阶梯孔中填充适当大小的磁石，整个工件发黑处理。

由于磁石的磁性传导，球缺靶标被吸附在底座上，在施加外力情况下可以在孔中顺畅的旋转。

上述的靶标和底座放置于距离电子经纬仪10m处左右后，即使左右旋转，环形靶标的中心位移量也会很小，可以供电子经纬仪校准用。

实施例二

为一个半球靶，是将半径为30mm钢球切除一半形成的，如图3所示，其中R为球半径。

半球是筛选过的，中心球冠高为半径大小，公差范围为-0.02mm～-0.05mm之内。

在过球心的平面上粘贴有纸质环形目标，纸质环形目标图案为三个同心圆，中心画有十字线。中心圆为直径1mm，线宽0.4mm，第二个圆为直径8mm，线宽1mm，外圆为直径16mm，线宽3mm，三个圆同心度小于0.003mm，中心十字线长20mm，宽0.2mm。

此过程中需要在万能工具显微镜下对靶标找中心，利用专用工装保证靶标回转的情况下中心位置不变。将纸质靶标粘贴球心所在平面，尽量保证靶标中心与球同心，并且利用万能工具显微镜对其进行检验。

并且粘贴后需要测量粘贴靶标后中心点球冠高，球冠高要求与球半径差小于0.01mm，不满足要求的在靶标中心粘入纸片，调整到半球矢高与标准半径差小于0.005mm。

此半球靶放置于基准尺两端，如图9所示，其中，环状目标61，球状靶标62，基准尺长1148.726mm，当然根据需求可以对基准尺长进行选取，最好控制在900mm～1200mm内。基准尺过短会影响校准的效果，太长的话不仅基准尺标定困难，当温度等环境条件发生变化或者尺身发生变形时，都会使标定值失准，基准尺过长还会造成携带不便。基准尺中间安装有手柄，两端固连有放置如上所述靶标的工装，工装是能保证靶标的球面和平面都能被观测到的环形结构，工装如附图11所示，此处，工装为L形钢，长边长46mm，宽38mm，厚4mm；长边中心加工有阶梯孔，小孔直径28mm，沉孔直径31mm，深3mm；L形钢短边长14mm，宽38mm，厚8mm，中心加工有直径为5mm的孔，沉孔直径7mm，深2mm用于加装紧固螺钉。

当然，半球靶标也可以和底座配合使用，球缺靶标也可以和基准尺配合使用。

靶标使用时被两种仪器同时测量的情况如图5所示，其中，电子经纬仪测量系统31，电子经纬仪32，测量靶标33，激光雷达扫描仪34，经纬仪建立的空间坐标测量系统采用的是纸质环形目标，激光雷达扫描仪采用的是金属球面靶标。专门研究设计的具有半球结构的靶标适合不同种类的仪器进行测量，并且反应相同的测量目标。利用靶标即可实现对大尺寸仪器校准。

具体测试时布置靶标的方式如图8所示，其中，测试用靶标1～16，长L为20m，宽M为14m，高N为7m，一方面在空间上布置若干靶标，利用靶标中心反应空间坐标点，建立空间坐标实物标准，激光雷达扫描仪作为空间坐标量值传递装置，得到各个靶标空间坐标标准值，然后经纬仪测量系统对靶标进行测量，测量结果与标准值比较完成对经纬仪系统校准过程。

另一方面，为了方便激光雷达扫描仪和电子经纬仪系统现场校准的需求，利用半球靶标制作了多用途基准尺，方便不同仪器的现场校准需求，即基准尺可以有两个方面的用途，一是在进行上述校准之前对激光雷达扫描仪进行校准，以保证激光雷达扫描仪的结果的可靠性，二是可以直接用于电子经纬仪的校准。

除了上述的校准以外，通过对靶标的进一步改进，可以拓展到其它相关类型影像式大尺寸测量仪器，实现不同仪器测量结果校准和比较，这也为大尺寸测量仪器的校准开辟了新途径。

使用时的详细步骤介绍如下：

步骤1、放置仪器和靶标；

在校准进行的实验室内放置仪器和靶标，仪器包括激光雷达扫描仪一台，多台电子经纬仪组成的待校准的电子经纬仪系统一套，靶标是能够同时被激光雷达扫描仪和电子经纬仪测量且对不同测量仪器反应空间同一点坐标的专用靶标；

激光雷达扫描仪放置于实验室中间；

电子经纬仪系统：电子经纬仪均布在激光雷达扫描仪周围。

在步骤1中，实验室通常是选用20m×10m×10m左右的测量空间，场地内采光良好，四周固定靶标的墙体坚实牢固的实验室，以保证得到的数据的准确性。

此外，通常经纬仪系统中每两台电子经纬仪间的距离控制在3m～4m内互瞄精度较高，所以将每台电子经纬仪放置于距激光雷达扫描仪1.5m左右，这样可以保证电子经纬仪的互瞄精度，电子经纬仪高度调整至实验者操作方便的高度。

电子经纬仪系统中电子经纬仪的组成台数是不一定的，但是其台数不影响本校准方法的使用。

电子经纬仪由于工作过程中会自行确认各台经纬仪的确切位置，所以放置电子经纬仪时不需要十分精确，大致均匀的放置于激光雷达扫描仪四周即可，如待校准的电子经纬仪系统由4台电子经纬仪组成时，按相互间隔90°均布在激光雷达扫描仪周围。

靶标数量和位置根据实验空间大小和环境条件灵活设定，数量在16～30之间，设置靶标时，高低方向上须照顾到经纬仪测量的俯仰角度范围，控制在每台经纬仪的观测角都为±45°内；实际布置方法的示意图如图8所示；其中，1～16测试用靶标，L长20m，M宽14m，N高7m；

步骤2、用激光雷达扫描仪对靶标赋值，组成标准器具组；

由激光雷达扫描仪对测量靶标P₁～P_n依次进行测量，得到激光雷达扫描仪坐标系下各测量靶标的空间三维坐标标准值，记录为(x_1标，y_1标，z_1标)，(x_2标，y_2标，z_2标)……(x_n标，y_n标，z_n标)；

在步骤2中，由激光雷达扫描仪对测量靶标P₁～P_n依次进行测量时，可以是每个测点经过3次测量取平均值。

步骤3、被校准的电子经纬仪系统测量每个靶标得到测量值；

首先由电子经纬仪在测量坐标系下对测量靶标P₁～P_n依次进行测量，得到电子经纬仪测量系统对测量靶标空间三维坐标的实测值；对靶标进行3次测量，每次测量需要对经纬仪系统的位置进行调整，得到3种不同状态下测量值，对于每一种状态下的一组测量值，用以下步骤进行处理，得到每种状态下每个测量值的相对误差；

在步骤3中，具体操作时，可以是电子经纬仪测量系统对测量靶标空间三维坐标，每个测点经过2或4次测量取平均值，测量时均方根误差控制在0.05mm以内；

步骤4、将电子经纬仪的测量值转换到激光雷达扫描仪的测量坐标系下；通过步骤4.1～4.2完成；

步骤4.1、电子经纬仪系统的测量坐标系和激光雷达扫描仪的测量坐标系关系的确定：通过步骤4.1.1～步骤4.1.3完成；

步骤4.1.1、布置基准尺，这些基准尺上的靶标，作为公共标志点；

基准尺布置在电子经纬仪系统和激光雷达扫描仪都能够测量的地方。

在步骤4.1.1中，基准尺可分别取电子经纬仪最短工作距离1.5m左右和实验空间允许的最大距离处放置，并尽量放置于最低处，即观测角接近-45°，和最高处，即观测角接近+45°的不同位置。

这样的点用于坐标转换时，可以保证得到的转换公式能最大限度的适用于所有的测量点。

步骤4.1.2、激光雷达扫描仪和电子经纬仪分别测量公共标志点，分别得到公共标志点的三维坐标；

步骤4.1.3、根据公共点在两种仪器的测量坐标系下的测量值，利用迭代解算的方法可以得到两个坐标系关系，主要包括坐标系角度旋转和坐标系平移，按照这种关系电子经纬仪坐标系下的点就可以转换到激光雷达扫描仪坐标系下；

步骤4.2、电子经纬仪系统的测量值的转换；利用上述的关系，将电子经纬仪系统得到的测量值的转换为激光雷达扫描仪坐标系下的值，得到转换后的坐标值(x_1转，y_1转，z_1转)，(x_2转，y_2转，z_2转)……(x_n转，y_n转，z_n转)；

步骤5、经转换的电子经纬仪测量值与其标准值比较，并通过以下步骤，分析得到电子经纬仪测量系统的测量偏差及测量不确定度评估；

步骤5.1、点集比较：转换坐标值与标准坐标值进行比较：

Δx_i＝x_i转-x_i标，Δy_i＝y_i转-y_i标，Δz_i＝z_i转-z_i标，i＝1～n，

步骤5.2、求得转换坐标值与标准坐标值的空间坐标综合偏差，

$D_i=\sqrt{{\left({\mathrm{\Δx}}_i\right)}^2+{\left({\mathrm{\Δy}}_i\right)}^2+{\left({\mathrm{\Δz}}_i\right)}^2},i=1~n;$

步骤5.3、标准极径：计算激光雷达测量仪测得的各测量靶标极径L_i，

步骤5.4、空间坐标测量相对误差计算；

测量靶标P_i的空间坐标综合偏差D_i与其标准极径L_i的比值D_i/L_i即为电子经纬仪测量系统对该点的空间坐标测量相对误差。D₁/L₁，D₂/L₂，…，D₁₆/L₁₆，……中的最大值即为电子经纬仪测量系统空间坐标测量的最大相对误差。

Claims (6)

1.一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其特征在于：靶标整体为钢球经过加工得到的半球或球缺，钢球由于加工而具有一个经过球心的端面，在此端面上粘贴有环形目标。

2.如权利要求1所述的一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其特征在于：所述靶标为一个沿钢球最大截圆平面切入八分之五的深度，然后沿与最大截圆平面呈120°方向进行切除所形成的球缺。

3.如权利要求1至2中任一项所述的一种电子经纬仪空间坐标测量系统校准用靶标，其特征在于：环形目标为纸质环形目标，其图案为三个同心圆，中心画有十字线，纸质环形目标与钢球同心。

4.一种放置如权利要求1所述靶标的底座，其特征在于：底座采用圆柱形钢加工而成，圆柱一端有加工出的放置靶标的孔，孔的外边缘有倒出的与靶标相配合的光滑圆角，孔的内部有加工出的阶梯孔，阶梯孔中装有稀土磁石。

5.一种安装如权利要求1所述靶标的基准尺，包括测量杆，工装，手柄部分，其特征在于：工装固连在测量杆两端，为L形钢，长边中心加工有阶梯孔，L形钢短边中心加工有沉孔。

6.一种如权利要求5所述的一种安装如权利要求1所述靶标的基准尺，其特征在于：基准尺长度在900mm～1100mm之间，测量杆部分采用碳纤维材料。

Images