CN105758369B - 激光跟踪测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光跟踪测量系统，具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架上设有主横轴；在主横轴上固定有连杆，在连杆一端固定有一号主观测装置，在连杆另一端设有轴架，轴架上设有副横轴；在副横轴上固定有一号副观测装置，一号主观测线和一号副观测线处于同一铅垂面；上述水平回转平台的旋转为手动，主横轴的旋转为手动，副横轴的旋转为手动；所述移动靶具有半球体座和固定在半球体座上的PSD传感器，半球体座的半球体的球心在PSD传感器光敏面上。本发明在满足跟踪测量的同时，电子系统大大简化，测距过程，无需考虑实际光速，使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正。
Description
技术领域
本发明涉及激光跟踪测量系统。
背景技术
激光跟踪测量，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间坐标。目前市场上的激光跟踪测量仪，主要由瑞士LEICA、美国API、美国FARO公司提供。集激光干涉测距、光电检测、精密机械、计算机控制、数值计算等功能基于一体。
现有激光跟踪测量仪工作时，在被测目标上附加一个移动靶作为测量目标，在移动靶移动时，跟踪头在跟踪伺服机构的控制下，实时调整，跟踪移动靶并测量。现有激光跟踪测量仪，采用激光干涉测距。虽然精度很高，但是电子系统非常复杂，而且在结构上还必须增加一个“鸟巢”，才可以获得绝对距离。现有测量方法需要保证入射光原路返回，这使得移动靶结构比较复杂，比如需要角隅透镜或者猫眼透镜，这些透镜的加工精度要求非常高。此外，其测距精度取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。因为数字温度气压计，就成为激光跟踪测量仪的标准附件。一般都要求激光跟踪测量仪在室内较温度的工作条件下进行测量。见李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》第6章。
总体而言，现有激光跟踪测量仪，功能强大，精度高，但是技术复杂，受环境制约较大。
测距信息在激光扫描中具有重要作用。按照测距原理，可以分为三角法、脉冲法、相位法。三角法是一束激光照射到物体上，部分漫反射激光经过棱镜在光电探测设备上成像。三角法在应用上有很多定位参数要求，在测量设备标定上非常繁琐而且费时，实测时若系统中某项参数无法准确得到，将使得测量数据产生误差。当测量设备有微小变动时，系统中每项参数都必须重新标定。见许智钦 孙长库编著，《3D逆向工程》（中国计量出版社2002年4月第1版）p16。
何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章第二节，介绍了目前全站仪的测距原理，主要是脉冲法、相位法测距，都需要对应的复杂的电子系统。脉冲法测距，直接测定测距仪发出的脉冲往返被测距离的时间。根据叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p8，用于计时的时钟频率即便有极微小的误差，也会导致很大的测量误差。比如时钟频率为100MHz，即便有±1Hz的频率误差，测距误差也将达到±1.5m。所以脉冲法测量精度低，主要用于远程低精度测量。相位法测距，其原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得传播距离。相位法测距，涉及复杂的控制和运算，比如测尺转换和控制、光路转换控制，减光自动控制，测相节奏（时序控制）、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算等等（见叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p15）。测量的电子系统远比脉冲法复杂。由此会导致很多问题。叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p42第3章进行了分析，比如电路中的同频光电窜扰信号导致的周期误差，内部石英晶体振荡器受温度影响导致的误差。李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》p134，也提及实际测距频率和设计频率不一致导致的测距误差问题。
有一个问题对测距精度至关重要，无论脉冲测距或者相位测距，其测距精度都取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。根据李泽球主编，武汉理工大学出版社2012年7月出版之《全站仪测量技术》p22，全站仪的气象改正还与该全站仪所用测距光波的波长有关。
发明内容
本发明的目的在于提出一种测量精确、操作方便的激光跟踪测量设备。
为达到上述目的，本发明采取如下第一种技术方案：本发明具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，支架上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴；主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点；在主横轴上固定有连杆，连杆的轴心线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线；在连杆一端固定有一号主观测装置，一号主观测装置为一激光器，其光轴称为一号主观测线；一号主观测线与连杆的轴心线相交，且同时垂直于主横轴的轴心线及连杆的轴心线；在连杆另一端设有轴架，轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴；副横轴的轴心线平行于主横轴的轴心线，且与连杆的轴心线垂直相交，形成副交点；在副横轴上固定有一号副观测装置，一号副观测装置为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号副观测线；一号副观测线通过副交点且垂直于副横轴的轴心线；一号主观测线和一号副观测线处于同一铅垂面；在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副横轴和轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副横轴的旋转均为电动；所述移动靶具有半球体座和固定在半球体座上的PSD传感器，半球体座的半球体的球心在PSD传感器光敏面上；在被扫描物体上放置移动靶，测量开始时，一号主观测装置作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器的光敏面在半球体的球心处感受到一号主观测装置发射的激光时，一号副观测装置作俯仰，直至内置的CCD数字相机在一号副观测线上观察到一号主观测装置照射到PSD传感器上的激光照射点，完成第一点测量，移动靶移动，重复上述过程，完成第二点测量，由此实现跟踪测量。
为达到上述目的，本发明采取如下第二种技术方案：本发明具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，支架上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴；主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点；在主横轴上固定有连杆，连杆的轴心线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线；在连杆一端固定有二号主观测装置，二号主观测装置为一激光器，其光轴称为二号主观测线；二号主观测线与连杆的轴心线相交，且同时垂直于主横轴的轴心线及连杆的轴心线；在连杆另一端设有轴架，轴架上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴；副横轴的轴心线平行于主横轴的轴心线，且与连杆的轴心线垂直相交，形成副交点；在副横轴上固定有二号副观测装置，二号副观测装置为一激光器，其光轴称为二号副观测线；二号副观测线通过副交点且垂直于副横轴的轴心线；二号主观测线和二号副观测线处于同一铅垂面；在主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，在副横轴和轴架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副横轴的旋转均为电动；所述移动靶具有半球体座和固定在半球体座上的PSD传感器，半球体座的半球体的球心在PSD传感器光敏面上；在被扫描物体上放置移动靶，测量开始时，二号主观测装置作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置发射的激光时，驱动二号副观测装置作俯仰，直至PSD传感器的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置发射的激光，完成第一点测量，移动靶移动，重复上述过程，完成第二点测量，由此实现跟踪测量。
本发明具有如下积极效果：在满足跟踪测量的同时，电子系统大大简化，测距过程，无需考虑实际光速，故使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正。
附图说明
图1是实施例1示意图。
图2是图1的简易侧视图。
图3是实施例1测量角度示意图。
图4是实施例2示意图。
图5是图4的简易侧视图。
图6是实施例2测量角度示意图。
具体实施方式
实施例1
见图1至图3，本实施例具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，支架4上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5；主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点；在主横轴5上固定有连杆13，连杆13的轴心线13a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a；在连杆13一端固定有一号主观测装置6-1，一号主观测装置6-1为一激光器，其光轴称为一号主观测线6-1a；一号主观测线6-1a与连杆13的轴心线13a相交，且同时垂直于主横轴5的轴心线5a及连杆13的轴心线13a；在连杆13另一端设有轴架10，轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴8；副横轴8的轴心线8a平行于主横轴5的轴心线5a，且与连杆13的轴心线13a垂直相交，形成副交点；在副横轴8上固定有一号副观测装置7-1，一号副观测装置7-1为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号副观测线7-1a；一号副观测线7-1a通过副交点且垂直于副横轴8的轴心线8a；一号主观测线6-1a和一号副观测线7-1a处于同一铅垂面；在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副横轴8和轴架10相应部位之间安装副度盘12；上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转各由电机驱动，电机或是伺服电机或是超声电机。
所述移动靶具有半球体座13和固定在半球体座上的PSD传感器14，半球体座13的半球体的球心在PSD传感器14光敏面上。
水平度盘3用于测量水平回转平台2的回转角。主度盘11用于测量连杆13的轴心线13a与竖轴9的轴心线9a之间的夹角即主俯仰角α的大小。副度盘12用于测量一号副观测线7-1a与连杆13的轴心线13a之间的夹角即副俯仰角β的大小。
在水平回转平台2的作用下，一号主观测装置6-1和一号副观测装置7-1能同步水平回转。当一号主观测装置6-1和一号副观测装置7-1作俯仰时，一号主观测线6-1a和一号副观测线7-1a在同一平面内转动，可以交会于一点。
本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。
在测站点设置激光跟踪测量仪，在被扫描物体上放置移动靶。测量开始时，水平回转平台2电动旋转，主横轴5被电机驱动带动连杆13及一号主观测装置6-1作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器14的光敏面在半球体的球心处感受到一号主观测装置6-1发射的激光时，水平度盘3给出水平回转平台2的回转角度，主度盘11给出主俯仰角α的值。副横轴8被电机驱动带动一号副观测装置7-1作俯仰，直至内置的CCD数字相机在一号副观测线7-1a上观察到一号主观测装置6-1照射到PSD传感器14上的激光照射点，副度盘12给出副俯仰角β的值，完成第一点测量。根据主俯仰角α、副俯仰角β，根据一号主观测线6-1a与连杆13的轴心线13a的交点至一号副观测线7-1a与连杆13的轴心线13a的交点之间的距离h，以及主交点在连杆13的轴心线13a的位置，可以获得该点距离主交点的距离S值及垂直角γ。由此确定该点相对主交点的坐标。移动靶移动，根据PSD传感器14的反馈，一号主观测装置6-1自动跟踪移动靶，直至当PSD传感器14的光敏面在半球体的球心处感受到一号主观测装置6-1发射的激光，重复上述过程，完成另一点测量。由此，实现跟踪测量。
实施例2
见图4至图6，本实施例具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，支架4上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5；主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点；在主横轴5上固定有连杆13，连杆13的轴心线13a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a；在连杆13一端固定有二号主观测装置6-2，二号主观测装置6-2为一激光器，其光轴称为二号主观测线6-2a；二号主观测线6-2a与连杆13的轴心线13a相交，且同时垂直于主横轴5的轴心线5a及连杆13的轴心线13a；在连杆13另一端设有轴架10，轴架10上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴8；副横轴8的轴心线8a平行于主横轴5的轴心线5a，且与连杆13的轴心线13a垂直相交，形成副交点；在副横轴8上固定有二号副观测装置7-2，二号副观测装置7-2为一激光器，其光轴称为二号副观测线7-2a；二号副观测线7-2a通过副交点且垂直于副横轴8的轴心线8a；二号主观测线6-2a和二号副观测线7-2a处于同一铅垂面；在主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，在副横轴8和轴架10相应部位之间安装副度盘12；上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转各由电机驱动，电机或是伺服电机或是超声电机。
所述移动靶具有半球体座13和固定在半球体座上的PSD传感器14，半球体座13的半球体的球心在PSD传感器14光敏面上。
水平度盘3用于测量水平回转平台2的回转角。主度盘11用于测量连杆13的轴心线13a与竖轴9的轴心线9a之间的夹角即主俯仰角α的大小。副度盘12用于测量二号副观测线7-2a与竖轴9的轴心线9a之间的夹角即副俯仰角β的大小。
在水平回转平台2的作用下，二号主观测装置6-2和二号副观测装置7-2能同步水平回转。当二号主观测装置6-2和二号副观测装置7-2作俯仰时，二号主观测线6-2a和二号副观测线7-2a在同一平面内转动，可以交会于一点。
本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。
在测站点设置激光跟踪测量设备，在被扫描物体上放置移动靶。测量开始时，二号主观测装置6-2打开，二号副观测装置7-2关闭。水平回转平台2电动旋转，主横轴5被驱动带动连杆13及二号主观测装置6-2作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器14的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置6-2发射的激光时，水平度盘3给出水平回转平台2的回转角度，主度盘11给出主俯仰角α的值，二号主观测装置6-2关闭，二号副观测装置7-2打开。副横轴8被驱动带动二号副观测装置7-2作俯仰，直至PSD传感器14的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置7-2发射的激光，副度盘12给出副俯仰角β的值，完成第一点测量。根据主俯仰角α、副俯仰角β，根据二号主观测线6-2a与连杆13的轴心线13a的交点至二号副观测线7-2a与连杆13的轴心线13a的交点之间的距离h，以及主交点在连杆13的轴心线13a的位置，可以获得该点距离主交点的距离S值及垂直角γ。由此确定该点相对主交点的坐标。二号副观测装置7-2关闭，二号主观测装置6-2打开。移动靶移动，根据PSD传感器14的反馈，二号主观测装置6-2自动跟踪移动靶，直至当PSD传感器14的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置6-2发射的激光，重复上述过程，完成另一点测量。由此，实现跟踪测量。
上述实施例中提到内置CCD数字相机望远镜，可见何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章。另见梅文胜、杨红著，武汉大学出版社2011年11月出版之《测量机器人开发与应用》第2章。
Claims (2)
1.一种激光跟踪测量系统，其特征在于：具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座（1）、水平回转平台（2）、支架（4）和竖轴（9），支架（4）固定在水平回转平台（2）上，竖轴（9）与基座（1）固定连接，水平回转平台（2）处于基座（1）上且围绕竖轴（9）的轴心线（9a）旋转，竖轴（9）与水平回转平台（2）之间安装有水平度盘（3），支架（4）上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴（5）；主横轴（5）的轴心线（5a）与竖轴（9）的轴心线（9a）相交，形成主交点；在主横轴（5）上固定有连杆（13），连杆（13）的轴心线（13a）通过主交点且垂直于主横轴（5）的轴心线（5a）；在连杆（13）一端固定有一号主观测装置（6-1），一号主观测装置为一激光器，其光轴称为一号主观测线（6-1a）；一号主观测线（6-1a）与连杆（13）的轴心线（13a）相交，且同时垂直于主横轴（5）的轴心线（5a）及连杆（13）的轴心线（13a）；在连杆（13）另一端设有轴架（10），轴架（10）上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴（8）；副横轴（8）的轴心线（8a）平行于主横轴（5）的轴心线（5a），且与连杆（13）的轴心线（13a）垂直相交，形成副交点；在副横轴（8）上固定有一号副观测装置（7-1），一号副观测装置为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号副观测线（7-1a）；一号副观测线（7-1a）通过副交点且垂直于副横轴（8）的轴心线（8a）；一号主观测线（6-1a）和一号副观测线（7-1a）处于同一铅垂面；在主横轴（5）和支架（4）相应部位之间安装主度盘（11），在副横轴（8）和轴架（10）相应部位之间安装副度盘（12）；上述水平回转平台（2）、主横轴（5）和副横轴（8）的旋转均为电动；所述移动靶具有半球体座（13）和固定在半球体座上的PSD传感器（14），半球体座（13）的半球体的球心在PSD传感器（14）光敏面上；在被扫描物体上放置移动靶，测量开始时，一号主观测装置（6-1）作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器（14）的光敏面在半球体的球心处感受到一号主观测装置（6-1）发射的激光时，一号副观测装置（7-1）作俯仰，直至内置的CCD数字相机在一号副观测线（7-1a）上观察到一号主观测装置（6-1）照射到PSD传感器（14）上的激光照射点，完成第一点测量，移动靶移动，重复上述过程，完成第二点测量，由此实现跟踪测量。
2.一种激光跟踪测量系统，其特征在于：具有激光跟踪测量仪和移动靶，所述激光跟踪测量仪包括基座（1）、水平回转平台（2）、支架（4）和竖轴（9），支架（4）固定在水平回转平台（2）上，竖轴（9）与基座（1）固定连接，水平回转平台（2）处于基座（1）上且围绕竖轴（9）的轴心线（9a）旋转，竖轴（9）与水平回转平台（2）之间安装有水平度盘（3），支架（4）上设有水平的且能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴（5）；主横轴（5）的轴心线（5a）与竖轴（9）的轴心线（9a）相交，形成主交点；在主横轴（5）上固定有连杆（13），连杆（13）的轴心线（13a）通过主交点且垂直于主横轴（5）的轴心线（5a）；在连杆（13）一端固定有二号主观测装置（6-2），二号主观测装置为一激光器，其光轴称为二号主观测线（6-2a）；二号主观测线（6-2a）与连杆（13）的轴心线（13a）相交，且同时垂直于主横轴（5）的轴心线（5a）及连杆（13）的轴心线（13a）；在连杆（13）另一端设有轴架（10），轴架（10）上设有能围绕自身轴心线进行旋转的副横轴（8）；副横轴（8）的轴心线（8a）平行于主横轴（5）的轴心线（5a），且与连杆（13）的轴心线（13a）垂直相交，形成副交点；在副横轴（8）上固定有二号副观测装置（7-2），二号副观测装置为一激光器，其光轴称为二号副观测线（7-2a）；二号副观测线（7-2a）通过副交点且垂直于副横轴（8）的轴心线（8a）；二号主观测线（6-2a）和二号副观测线（7-2a）处于同一铅垂面；在主横轴（5）和支架（4）相应部位之间安装主度盘（11），在副横轴（8）和轴架（10）相应部位之间安装副度盘（12）；上述水平回转平台（2）、主横轴（5）和副横轴（8）的旋转为均电动；所述移动靶具有半球体座（13）和固定在半球体座上的PSD传感器（14），半球体座（13）的半球体的球心在PSD传感器（14）光敏面上；在被扫描物体上放置移动靶，测量开始时，二号主观测装置（6-2）作俯仰，自动搜寻移动靶，当PSD传感器（14）的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置（6-2）发射的激光时，驱动二号副观测装置（7-2）作俯仰，直至PSD传感器（14）的光敏面在半球体的球心处感受到二号主观测装置（7-2）发射的激光，完成第一点测量，移动靶移动，重复上述过程，完成第二点测量，由此实现跟踪测量。
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