CN104296655A - 一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，包括：使跟踪仪的靶球固定不动，先控制电动旋转台旋转跟踪仪，再控制俯仰电机上下扫描，使照射到PSD上的光斑经过PSD的跟踪零点；固定方位电机，控制俯仰电机上下扫描，使光斑过PSD跟踪零点且光斑的移动平行于X′或Y′轴，记录多个(X′，Y′)坐标；根据得到的多个(X′，Y′)坐标拟合扫描直线的斜率，根据斜率求出相应的像旋公式初始角。本发明的方法借助对电机的自动控制完成对靶球的扫描，实现像旋公式初始角的标定，具有操作简便、成本低廉、方便实用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及仪器测量和校准领域，尤其涉及一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法。
背景技术
激光跟踪仪是国际上近十年发展起来的新型大尺寸空间三维坐标测量仪器，可对运动目标进行实时跟踪测量，具有安装操作简便、测量精度及效率高等优点，是大尺寸工业测量和科学测量的主要手段，近年来得到了迅速发展。
激光跟踪仪的基本工作原理是：激光器发射出的测量光束，经过干涉分光镜分为两束，一束直接传输到干涉仪上，另一束通过跟踪转镜射向目标反射器。经目标反射器反射的光线平行于原光束返回，到达分光镜后一部分激光束被反射到光斑位置敏感器上，另一部分光束经干涉分光镜反射进入激光干涉仪进行位移干涉测量。当目标反射器移动时，跟踪头必须实时调整光束方向对准反射器，激光干涉仪才能进行空间距离测量。所以跟踪控制是实现干涉测量的前提。
激光跟踪仪的跟踪控制系统通常采用位置敏感检测器(PositionSensitive Detector，PSD)作为位置反馈传感器，通过对PSD表面光斑位置的准确解析驱动方位和俯仰转台对合作目标(靶球)进行实时跟踪。经过预先精密调整，从跟踪仪内部的激光器发出的激光与竖轴基本同轴。当出射激光经跟踪镜入射到靶球时，调整靶球使得脱靶量为(0，0)，跟踪仪左右或上下轻微转动，经靶球反射到PSD器件的光斑移动轨迹为PSD表面的两条线段，规定由此两条线段延伸作为坐标轴形成的坐标系为(X″，Y″)。则当方位角旋转一定角度α，由新的轨迹形成的坐标系(X″，Y″)也旋转了角度α。即坐标系(X″，Y″)是随着方位角同步旋转的。规定正方形的PSD自身构成一个二维坐标系(X′，Y′)。当(X″，Y″)旋转到满足X″与X′，Y″与Y′分别平行且方向一致，则此时的角度α定义为像旋公式的初始角。由于初始角的标定结果直接影响跟踪仪的跟踪性能和测量精度，通常需要对其进行精密标定。而现有技术的标定方法非常的复杂，速度慢，因此迫切需要开发一种像旋公式初始角的标定方法，能够快速准确地对像旋公式初始角进行标定。
发明内容
基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，以提高像旋公式初始角标定的准确性、加快标定速度和降低标定装置的复杂程度。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，包括下列步骤：
所述激光跟踪仪的靶球固定不动，先控制电动转台旋转所述激光跟踪仪，再控制俯仰电机上下扫描，使照射到PSD上的光斑经过PSD的跟踪零点；
固定方位电机，控制俯仰电机上下扫描，使光斑经过PSD的跟踪零点且光斑移动平行于X′或Y′轴，记录多个(X′，Y′)坐标；
根据上述得到的PSD上的多个(X′，Y′)坐标拟合扫描直线的斜率，根据斜率求出相应的像旋公式初始角。
其中所述拟合斜率的方法为最小二乘法。
所述激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法还包括下列步骤：
重复上述操作几次，得到多个像旋公式初始角的数值，对其求平均值，作为最终的像旋公式初始角。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，包括下列步骤：
将所述激光跟踪仪放在电动旋转台上，并使所述激光跟踪仪的竖轴与所述电动旋转台的竖轴重合；
将所述激光跟踪仪的靶球放在球座上，所述靶球距离所述激光跟踪仪一定距离，所述靶球与所述激光跟踪仪水平轴中心高度相当；
调整方位电机锁定在固定角度，控制俯仰电机上下往复旋转扫描所述靶球表面，直到经所述靶球反射后的激光光斑通过标定的PSD跟踪零点；
通过PSD上光斑的(X′，Y′)坐标计算光斑位移的直线斜率，根据斜率求出相应的像旋公式初始角。
其中所述靶球距离所述激光跟踪仪的距离为2m。
其中所述计算光斑位移的直线斜率的方法为最小二乘法。
所述激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法还包括下列步骤：
重复上述操作几次，得到多个像旋公式初始角的数值，对其求平均值，作为最终的像旋公式初始角。
通过上述技术方案可知，本发明的方法不需要额外的仪器设备，仅仅利用靶球移动与电机转动能够产生等效脱靶量的思路，借助对电机的自动控制完成对靶球的扫描，实现了像旋公式初始角的标定，因此整个方法只有操作简便、成本低廉、方便实用等特点。
附图说明
图1是激光跟踪仪的基本结构及像旋原理的示意图；
图2是本发明的像旋公式初始角的标定方法的原理示意图；
图3是电控旋转台旋转角度的估算方法的示意图。
附图标记说明：
1、俯仰电机，2、方位电机，3、角反射器，4、跟踪反射镜，5、分光镜，6、反射镜，7、跟踪仪主体，8、电控旋转台，9、出射光线，10、PSD，11、跟踪零点。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，激光跟踪仪包括俯仰电机1、方位电机2、角反射器3、跟踪反射镜4和跟踪仪主体7，跟踪器主体7中包括分光镜5、反射镜6、出射光线9和PSD10。激光器发出的出射光线9通过反射镜6反射，穿过分光镜5照射到跟踪反射镜4上，然后被跟踪反射镜4反射到角反射器3，经多次反射再照射到跟踪反射镜4，再次被反射到分光镜5，然后被分光镜5反射到PSD10上形成光斑。俯仰电机1和方位电机2调整跟踪反射镜4的方位和俯仰角度，以控制反射到PSD10上光斑的位置和形状。
参见图2，本发明的像旋公式初始角的标定方法的基本原理如下：
1、角反射器3固定不动，先控制电动转台旋转跟踪仪，使得出射光线对准靶球，再控制俯仰电机上下扫描。操作完全自动化并仅借用一台电控转台，使得标定过程简化。
2、根据预先标定的PSD跟踪零点，微调方位电机角度，使得俯仰电机上下扫描时，光斑恰好经过PSD的跟踪零点。。
3、开展多次实验，分别计算一下PSD(X′，Y′)坐标系内扫描直线的斜率，根据斜率求出相应的初始角θ，对多次初始角求其平均值作为实际初始角。
更具体地，本发明的借助电控旋转台的像旋公式初始角的标定方法按下列步骤完成：
1、将跟踪仪放在电动旋转台上，并尽量使跟踪仪的竖轴与转台的竖轴重合；
2、将靶球放在球座上，靶球距离跟踪仪一定距离，例如约1.5m、2m，靶球与跟踪仪水平轴中心高度大致相当；
3、调整方位电机锁定在固定角度，控制俯仰电机上下往复旋转扫描靶球表面，直到经靶球反射后的激光光斑通过标定的PSD跟踪零点；
4、通过PSD(X′，Y′)坐标拟合计算光斑位移的直线斜率，拟合斜率的方法例如为最小二乘法。然后根据斜率反求初始角，tgθ＝斜率，则θ＝arctg(斜率)。如图3所示，θ即为初始角；
5、重复步骤4、5，得到3至5组初始角。对其求均值，作为像旋公式的初始角θ。
由此可见，本发明利用靶球移动与电机转动能够产生等效脱靶量的思路，借助对电机的自动控制完成对靶球的扫描，实现像旋公式初始角的标定，具有操作简便、成本低廉、方便实用等特点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，包括下列步骤：
所述激光跟踪仪的靶球固定不动，先控制电动转台旋转所述激光跟踪仪，再控制俯仰电机上下扫描，使照射到PSD上的光斑经过PSD的跟踪零点；
固定方位电机，控制俯仰电机上下扫描，使光斑经过PSD的跟踪零点且光斑移动平行于X′或Y′轴，记录多个(X′，Y′)坐标；
根据上述得到的PSD上的多个(X′，Y′)坐标拟合扫描直线的斜率，根据斜率求出相应的像旋公式初始角。
2.根据权利要求1所述的激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，其中所述拟合斜率的方法为最小二乘法。
3.根据权利要求1所述的激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，还包括下列步骤：
重复上述操作几次，得到多个像旋公式初始角的数值，对其求平均值，作为最终的像旋公式初始角。
4.一种激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，包括下列步骤：
将所述激光跟踪仪放在电动旋转台上，并使所述激光跟踪仪的竖轴与所述电动旋转台的竖轴重合；
将所述激光跟踪仪的靶球放在球座上，所述靶球距离所述激光跟踪仪一定距离，所述靶球与所述激光跟踪仪水平轴中心高度相当；
调整方位电机锁定在固定角度，控制俯仰电机上下往复旋转扫描所述靶球表面，直到经所述靶球反射后的激光光斑通过标定的PSD跟踪零点；
通过PSD上光斑的(X′，Y′)坐标计算光斑位移的直线斜率，根据斜率求出相应的像旋公式初始角。
5.根据权利要求4所述的激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，其中所述靶球距离所述激光跟踪仪的距离为2m。
6.根据权利要求4所述的激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，其中所述计算光斑位移的直线斜率的方法为最小二乘法。
7.根据权利要求4所述的激光跟踪仪像旋公式初始角的标定方法，还包括下列步骤：
重复上述操作几次，得到多个像旋公式初始角的数值，对其求平均值，作为最终的像旋公式初始角。
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