CN107421515A - 一种多功能几何量精密智能测量装置及方法 - Google Patents
一种多功能几何量精密智能测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种多功能几何量精密智能测量装置及方法，包括：设计适合无合作目标和带合作目标两种测量模式的测量装置，无合作目标模式下使用软件控制转台自动扫描被测目标表面，获取仪器到被测目标的距离，记录二维角度值，最后计算出被测目标的坐标；带合作目标模式下通过视觉识别和自动照准系统测量目标点的精确坐标，或通过预输入被测目标坐标的方法，同时进行激光测距，获取被测目标的精确位置。通过本发明的测量装置和方法，可以在60米范围内对被测目标进行非接触无合作目标和带合作目标两种测量模式的三维多功能坐标测量。
Description
技术领域
本发明涉及仪器测量领域，尤其涉及一种多功能几何量精密智能测量装置及方法。
背景技术
高性能测量技术在大型装备制造过程中的有效应用能够大幅提升装备制造能力，例如在大科学装置、航天航空、船舶、雷达、重型机械、能源等制造领域，特别是在航天在轨、高温、核辐射等操作人员不易抵达的场景，对大型望远镜天线、加速器、卫星天线、航天器、航空器、船舶、油罐等大型装备的形貌、尺寸、位置和姿态等几何参数的高精度自动测量提出了迫切需求。
但现有大尺寸测量仪器存在诸多缺点，例如，视觉测量系统需要多站或多位置才能实现测量，不具备距离测量和角度测量功能，相机标定和测量过程中需要编码靶标，测量空间受限，测量精度随距离增大下降明显；激光跟踪仪需要合作目标，无法实现非合作目标测量，不能满足极端环境下的测量需求，不能对目标进行自动识别；室内GPS缺乏测距功能，需要多站交汇测量，测量精度受测站布局影响严重；计量型激光雷达可实现无合作目标扫描测量，但不能针对关键特征点进行追踪测量；申请号：201510523315.9一种自动全站仪和一种201710006615.9全站仪装置及检测方法主要用于室外测绘，仪器精度难以满足工业测量需求，测量智能化程度不够，无法进行被测目标进行非合作目标和带合作目标。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，一种多功能几何量精密智能测量装置及方法，可以在60米范围内对被测目标进行非合作目标和带合作目标两种测量模式的三维多功能坐标测量，且测量精度高。
本发明技术解决方案如下：
一种多功能几何量精密智能测量装置，包括：精密绝对测距仪01、照准相机02、电控系统03、基座04、二维转台和瞄准望远镜06；精密绝对测距仪01为装置提供精确距离测量，通过瞄准望远镜06发射激光和接收测距信号；照准相机02为装置提供被测目标中的靶标自动识别功能，电控系统03为装置提供数据采集和控制，基座04为装置提供稳定平台支撑，使测量装置不发生位移，基座04与二维转台05的轴系配合，使二维转台05的竖轴与基底04保证垂直度；二维转台05为装置提供精确二维角度指向和机械主体结构，通过二维转台旋转实现对被测目标的快速扫描和精确指向；瞄准望远镜06和照准相机02用于被测目标中的靶标识别过程中的自动瞄准功能，实现以设定范围，即60米范围内无合作目标和带合作目标两种测量模式下的高精度三维坐标测量；瞄准望远镜06镜筒光轴、精密绝对测距仪01测距激光光轴及照准相机02相机视轴之间同轴并安装在二维转台05的横轴上，电控系统03装在二维转台05的竖轴上，控制精密绝对测距仪01和二维转台05；二维转台05安装在基座04上，二维转台05横轴和竖轴为正交位置关系。
所述精密绝对测距仪01的测距方式是将被测距离值r的测量转化为光强极小值对应的频率值f的测量，通过频率值f反演出被测距离值r。
所述照准相机02实时获取被测目标中心位置与瞄准望远镜的视准轴中心十字丝位置的偏差，基于目标图像提取算法，实现亚像素提取，满足60米处照准精度要求，并且照准相机02通过标定计算出被测目标中的靶标中心位置与瞄准望远镜06的视准轴中心十字丝位置的水平和垂直角度偏差，从而计算出被测目标中靶标位置的精确三维坐标。
所述电控系统包括电机驱动模块、控制器、数据采集模块、数据通信模块和供电电源模块；在无合作目标扫描测量模式中，控制器采用智能扫描算法，对被测目标进行分区扫描；在带合作目标的逐点测量模式中，控制器与照准相机02中的自动视觉目标识别系统相配合，实现对被测目标的快速逐点测量和精确指向；电机驱动模块驱动二维转台05快速旋转，实现对被测目标的快速扫描。
所述二维转台05采用配对使用的角接触滚动轴承设计二维转台05的轴系，使得二维转台05的轴系精密性和灵活性高。
所述二维转台05中还采用硬件和软件补偿方式，提高测量装置对空间目标的精确指向和高精度三维坐标测量；所述硬件补偿是补偿二维转台05中的高精度光栅测角系统进行补偿，所述软件补偿是采用多读数头补偿方法。
为了确保二维转台05横轴和竖轴的正交位置关系，其中竖轴线与横轴线角度关系通过光学方法进行测量，并通过研磨修切环进行调整，竖轴线与横轴线距离通过三坐标测量机进行测量，在二维转台05中回型框与竖轴连接端设计螺纹顶丝，在不改变横竖轴角度关系的前提下调整横轴线与竖轴线的距离。
所述瞄望远镜06镜筒光轴、精密绝对测距仪01测距激光光轴及照准相机02相视轴之间同轴并安装在二维转台05的横轴上需精确装调重合，三者与二维转台05横轴轴线垂直，安装工艺为：先对照准相机02相机视轴与瞄准望远镜06镜筒光轴进行调节，使两者重合，再对精密绝对测距仪01测距激光光轴与瞄准望远镜06镜筒光轴进行调节，确保二维转台05横轴在装配瞄准望远镜06、精密绝对测距仪01与照准相机02轴线满足配准要求；在此基础上，利用正倒镜方式调节精密绝对测距仪01测距激光光轴与二维转台05横轴的垂直度。
所述瞄准望远镜06中，通过基于目标识别方法和照明技术识别贴在被测目标的表面的靶标11，对识别出来的图像进行处理，配合安装的照准相机02，获取被测目标的中心与瞄准望远镜的视准轴中心十字丝位置的偏差，计算精密绝对测距仪01中的测距激光光板与被测目标中的靶标11中的实际特征点10之间的像素偏差，通过事先标定的图像与二维转台坐标系转换关系，反演出被测目标与激光指向的角度偏差，计算被测目标中的靶标11的精确位置，从而实现对目标点的坐标精确测量。
一种多功能几何量精密智能测量方法，能够实现无合作目标和带合作目标两种测量模式，具体实现方式如下：
a、无合作目标测量模式下，根据被测目标的范围，设定扫描程序，通过电控系统03控制二维转台05自动扫描被测目标，使用精密绝对测距仪01按一定的时间或空间间隔测量距离，获得距离测量值r，同时根据二维转台05中的高精度光栅测角系统记录二维角度值方位角E和俯仰角A，根据公式(3)计算出各点的三维坐标X、Y、Z：
b、带合作目标测量模式下，分为手动瞄准和预输入两种，手动瞄准方式为手动大致瞄准被测目标中的靶标11，再通过照准相机02中的视觉自动照准系统自动瞄准被测目标中的靶标11；预输入方式为预先输入被测目标中的靶标11三维坐标，或建立坐标系，通过CAD模型设计数据导入被测目标中的靶标11三维坐标数据，根据被测目标中的靶标11三维坐标位置通过电控系统03自动控制二维转台05指向每个被测目标中的靶标11，在接近被测目标中的靶标11时，由照准相机02自动采集被测目标中的靶标图像，识别被测目标中的靶标11并获取其精确位置，获得二维角度值E和A，同时使用精密绝对测距仪01进行激光测距，获得距离测量值r，最后根据公式(3)计算出各被测目标中的靶标11的三维坐标X、Y、Z。
本发明与现有技术相比的优点在于：
目前市场中精密测量仪器以激光跟踪仪、全站仪、视觉测量系统为主，激光跟踪仪是应用最广泛的精密仪器之一，但其需要带合作目标测量，无法实现无合作目标测量，不能满足极端环境下的测量需求，不能对被测目标进行自动识别；全站仪主要用于室外远距离测绘，仪器精度难以满足工业测量需求，测量智能化程度不够；视觉测量系统需要多站或多位置才能实现测量，不具备距离测量和角度测量功能，相机标定和测量过程中需要编码靶标，测量空间受限，测量精度随距离增大下降明显；室内GPS缺乏测距功能，需要多站交汇测量，测量精度受测站布局影响严重；计量型激光雷达可实现无合作目标扫描测量，但不能针对关键特征点进行追踪测量；
本发明的优点：
(1)本装置既可以进行带合作目标测量，也可以进行无合作目标测量，弥补激光跟踪仪、室内GPS和计量型激光雷达在测量模式上的不足，实现仪器的多功能使用性，可针对不同被测目标选择合适的测量模式，扩大装置的使用范围；
(2)本装置通过照准相机02可以进行自动照准，可实现对被测靶标11的精确照准，无需人工手动照准，照准精度高，智能化程度高，弥补全站仪智能化程度不高的不足；
(3)本装置通过精密绝对测距仪01实现距离测量，弥补室内GPS无距离测量功能的不足；通过二维转台05中的高精度测角系统实现角度测量，通过对被测靶标11的测量实现坐标测量功能，可以满足工业测量环境下的高精度测量，弥补全站仪在工业测量中精度不足的缺点。
附图说明
图1是本发明的多功能几何量精密智能测量装置的结构示意图；
图2是带合作目标逐点测量模式示意图；
图3是带合作目标自动视觉照准示意图；
图4是无合作目标测量模式示意图；
图5是被测目标中的靶标示意图；
01-精密绝对测距仪；02-照准相机；03-电控系统；04-基座；05-二维转台；06-瞄准望远镜；07-第一被测目标；08-仪器主机；09-上位机；10-实际特征点；11-靶标；12-激光点；13-第二被测目标；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种多功能几何量精密智能测量装置包括：精密绝对测距仪01、照准相机02、电控系统03、基座04、二维转台05和瞄准望远镜06；瞄准望远镜06镜筒光轴、精密绝对测距仪01测距激光光轴及照准相机02相机视轴之间同轴并安装在二维转台05的横轴上，电控系统03装在二维转台05的竖轴上，二维转台05安装在基座04上，二维转台05横轴和竖轴为正交位置关系。
精密绝对测距仪01为装置提供精确距离测量，通过瞄准望望远镜06发射激光和接收测距信号；精密绝对测距仪01的测距方式是将被测距离值r的测量转化为光强极小值对应的频率值f的测量，通过频率值f反演出被测距离值r。
具体测距方式如下：
精密绝对测距仪01探测到的光强信号与相位差成余弦关系，相位差与频率值的关系为：
其中，r为待测距离，C为光速，f为光强极小值对应的频率值。通过改变调制频率，由精密绝对测距仪01中的探测器探测到的光强极小值即为零相差点，此时所测距离正好为调制波半波长的整数倍，被测距离r与零相差点对应的调制频率f的关系为：
从而可将被测距离值r的测量转化为光强极小值对应的频率值f的测量。此方法避免了传统相位测距中鉴相精度的制约，可实现大量程、高精度绝对测距。
照准相机02为装置提供被测目标中靶标11自动识别功能。照准相机02实时获取被测目标中心位置与瞄准望远镜06的视准轴中心十字丝位置的偏差，基于目标图像提取算法，实现亚像素提取，满足60米处照准精度要求，并且照准相机02通过标定计算出被测目标中的靶标11中心位置与瞄准望远镜06的视准轴中心十字丝位置的水平和垂直角度偏差，从而计算出被测目标中的靶标11位置的精确三维坐标。
电控系统03为装置提供数据采集和控制。电控系统03集成于基座04上，电控系统包括电机驱动模块、控制器、数据采集模块、数据通信模块和供电电源模块；如图4所示，在无合作目标扫描测量模式中，根据第二被测目标13的形面特点，在上位机09中设置针对被测目标的预扫描路径，仪器主机08根据扫描路径对被测目标进行分区扫描测量；如图2所示，在带合作目标的逐点测量模式中，二维转台05、电控系统03与照准相机02中的自动视觉目标识别系统相配合，仪器主机08通过照准相机02自动照准被测靶标11，使用二维转台05中的高精度测角系统结合上位机09为装置提供精确指向，电控系统03使装置能够快速指向被测靶标11，通过对设置在被测目标表面的多个被测靶标11的测量，实现在带合作目标模式下对第一被测目标07的坐标测量；采用二维转台05中的直驱电机保证装置快速旋转，实现对被测目标的快速扫描。
基座04为装置提供稳定平台支撑，使测量装置不发生位移，基座04与二维转台05的轴系配合，使二维转台05的竖轴与基底04保证垂直度；
二维转台05为装置提供精确二维角度指向和机械主体结构，通过二维转台旋转实现对被测目标的快速扫描和精确指向。
二维转台05采用配对使用的角接触滚动轴承设计二维转台05的轴系，轴承是轴系回转精度的重要影响因素，因此选用高精度角接触滚动轴承为二维转台05提供精确的转动性能，同时为二维转台05在轴向和径向上提供良好的支撑性能，保证转台的稳定性，使得二维转台05的轴系精密性和灵活性高。
二维转台05中还采用硬件和软件补偿方式，提高测量装置对空间目标的精确指向和高精度三维坐标测量；所述硬件补偿是补偿二维转台05中的高精度光栅测角系统进行补偿，通过使用高精度测角光栅并采用多读数头对径布置方式，消除读数头带来的偏心误差，提高测角系统的测量精度；软件补偿是采用多读数头补偿方法，通过多读数头的测量值分析误差分布，得出补偿值，将补偿值加入测量数据，实现对测量值的补偿。
为了确保二维转台05横轴和竖轴的正交位置关系，其中竖轴线与横轴线角度关系通过光学方法进行测量，通过CCD得到竖轴线与横轴线角度偏差值，根据偏差值调整竖轴线的方向，并通过研磨修切环进行调整，竖轴线与横轴线距离通过三坐标测量机进行测量，在二维转台05中回型框与竖轴连接端设计螺纹顶丝，增加螺纹顶丝的预紧力可缩短横轴线与竖轴线的距离，减小螺纹顶丝的预紧力可增大横轴线与竖轴线的距离，在不改变横竖轴角度关系的前提下调整横轴线与竖轴线的距离。
瞄准望远镜06用于被测目标中的靶标11识别过程中的自动瞄准功能，实现60米范围内无合作目标和带合作目标两种测量模式下的高精度三维坐标测量；瞄准望远镜06镜筒光轴、精密绝对测距仪01测距激光光轴及照准相机02相视轴之间同轴并安装在二维转台05的横轴上需精确装调重合，三者与二维转台05横轴轴线垂直，安装工艺为：先对照准相机02相机视轴与瞄准望远镜06镜筒光轴进行调节，使两者重合，再对精密绝对测距仪01测距激光光轴与瞄准望远镜06镜筒光轴进行调节，确保二维转台05横轴在装配瞄准望远镜06、精密绝对测距仪01与照准相机02轴线满足配准要求；在在此基础上，利用正倒镜方式调节精密绝对测距仪01测距激光光轴与二维转台05横轴的垂直度。
如图5所示，在被测目标的表面的贴有靶标11，瞄准望远镜06通过基于目标识别方法和照明技术识别贴在被测目标的表面的靶标11，对识别出来的图像进行处理，配合安装的照准相机02，获取被测目标的中心与瞄准望远镜06的视准轴中心十字丝位置的偏差，计算精密绝对测距仪01中的测距激光光板与图3中靶标11中的实际特征点10之间的像素偏差，通过事先标定的图像与二维转台05坐标系转换关系，反演出被测目标与激光指向的角度偏差，计算被测目标中的靶标11的精确位置，从而实现对目标点的坐标精确测量。
本发明的多功能几何量精密智能测量方法，能够实现无合作目标和带合作目标两种测量模式，具体实现方式如下：
a、无合作目标测量模式下，根据被测目标的范围，设定扫描程序，通过电控系统03控制二维转台05自动扫描被测目标，使用精密绝对测距仪01按一定的时间或空间间隔测量距离，获得距离测量值r，同时根据二维转台05中的高精度光栅测角系统记录二维角度值方位角E和俯仰角A，根据公式(3)计算出各点的三维坐标X、Y、Z：
b、带合作目标测量模式：带合作目标测量模式分为手动瞄准和预输入两种，手动瞄准方式为手动大致瞄准被测目标中的靶标11，再通过照准相机02中的视觉自动照准系统自动瞄准第一被测目标07中的靶标11，视觉自动照准示意图如图3所示；预输入方式为预先输入被测目标中靶标11三维坐标，或建立坐标系，通过CAD模型设计数据导入被测目标中靶标11三维坐标数据，根据被测目标中的靶标11三维坐标位置通过电控系统03自动控制二维转台05指向每个被测目标中靶标11，在接近被测目标中靶标11时，由照准相机02自动采集被测目标中靶标11的图像，识别第一被测目标07中靶标11并获取其精确位置，获得二维角度值E和A，同时使用精密绝对测距仪01进行激光测距，获得距离测量值r，最后根据公式(3)计算出各点的三维坐标X、Y、Z。
Claims (10)
1.一种多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于包括：精密绝对测距仪、照准相机、电控系统、基座、二维转台和瞄准望远镜；精密绝对测距仪为装置提供精确距离测量，通过瞄准望远镜发射激光和接收测距信号；照准相机为装置提供被测目标中的靶标自动识别功能，电控系统为装置提供数据采集和控制，基座为装置提供稳定平台支撑，使测量装置不发生位移，基座与二维转台的轴系配合，使二维转台的竖轴与基底保证垂直度；二维转台为装置提供精确二维角度指向和机械主体结构，通过二维转台旋转实现对被测目标的快速扫描和精确指向；瞄准望远镜和照准相机用于被测目标中的靶标识别过程中的自动瞄准功能，实现设定范围内无合作目标和带合作目标两种测量模式下的高精度三维坐标测量；瞄准望远镜镜筒光轴、精密绝对测距仪测距激光光轴及照准相机相机视轴之间同轴并安装在二维转台的横轴上，电控系统装在二维转台的竖轴上，控制二维转台；二维转台安装在基座上，二维转台横轴和竖轴为正交位置关系。
2.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述精密绝对测距仪的测距方式是将被测距离值r的测量转化为光强极小值对应的频率值f的测量，通过频率值f反演出被测距离值r。
3.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述照准相机实时获取被测目标中心位置与瞄准望远镜的视准轴中心十字丝位置的偏差，基于目标图像提取算法，实现亚像素提取，满足60米处照准精度要求，并且照准相机通过标定计算出被测目标中的靶标中心位置与瞄准望远镜的视准轴中心十字丝位置的水平和垂直角度偏差，从而计算出被测目标中的靶标位置的精确三维坐标。
4.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述电控系统包括电机驱动模块、控制器、数据采集模块、数据通信模块和供电电源模块；在无合作目标扫描测量模式中，控制器采用智能扫描算法，对被测目标进行分区扫描；在带合作目标的逐点测量模式中，控制器与照准相机中的自动视觉目标识别系统相配合，实现对被测目标的快速逐点测量和精确指向；电机驱动模块驱动二维转台快速旋转，实现对被测目标的快速扫描。
5.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述二维转台采用配对使用的角接触滚动轴承设计二维转台的轴系，使得二维转台的轴系精密性和灵活性高。
6.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述二维转台中还采用硬件和软件补偿方式，提高测量装置对空间目标的精确指向和高精度三维坐标测量；所述硬件补偿是补偿二维转台中的高精度光栅测角系统进行补偿，所述软件补偿是采用多读数头补偿方法。
7.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：为了确保二维转台横轴和竖轴的正交位置关系，其中竖轴线与横轴线角度关系通过光学方法进行测量，并通过研磨修切环进行调整，竖轴线与横轴线距离通过三坐标测量机进行测量，在二维转台中回型框与竖轴连接端设计螺纹顶丝，在不改变横竖轴角度关系的前提下调整横轴线与竖轴线的距离。
8.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述瞄望远镜镜筒光轴、精密绝对测距仪测距激光光轴及照准相机相视轴之间同轴并安装在二维转台的横轴上需精确装调重合，三者与二维转台横轴轴线垂直，安装工艺为：先对照准相机相机视轴与瞄准望远镜镜筒光轴进行调节，使两者重合，再对精密绝对测距仪测距激光光轴与瞄准望远镜镜筒光轴进行调节，确保二维转台横轴在装配瞄准望远镜、精密绝对测距仪与照准相机轴线满足配准要求；在此基础上，利用正倒镜方式调节精密绝对测距仪测距激光光轴与二维转台横轴的垂直度。
9.根据权利要求1所述的多功能几何量精密智能测量装置，其特征在于：所述瞄准望远镜中，通过基于目标识别方法和照明技术识别贴在被测目标的表面的靶标，对识别出来的图像进行处理，配合安装的照准相机，获取被测目标的中心与瞄准望远镜的视准轴中心十字丝位置的偏差，计算精密绝对测距仪中的测距激光光板与被测目标中的靶标中的实际特征点之间的像素偏差，通过事先标定的图像与二维转台坐标系转换关系，反演出被测目标与激光指向的角度偏差，计算被测目标中的靶标的精确位置，从而实现对目标点的坐标精确测量。
10.多功能几何量精密智能测量方法，其特征在于：能够实现无合作目标和带合作目标两种测量模式，具体实现方式如下：
a、无合作目标测量模式下，根据被测目标的范围，通过电控系统设定扫描程序，控制二维转台自动扫描被测目标，使用精密绝对测距仪按一定的时间或空间间隔测量距离，获得距离测量值r，同时根据二维转台中的高精度光栅测角系统记录二维角度值方位角E和俯仰角A，根据公式(3)计算出各点的三维坐标X、Y、Z：
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b、带合作目标测量模式下，分为手动瞄准和预输入两种，手动瞄准方式为手动大致瞄准被测目标中的靶标，再通过照准相机中的视觉自动照准系统自动瞄准被测目标中的靶标；预输入方式为预先输入被测目标中的靶标三维坐标，或建立坐标系通过CAD模型设计数据导入被测目标中的靶标三维坐标数据，根据被测目标中的靶标三维坐标位置通过电控系统自动控制二维转台指向每个被测目标中的靶标，在接近被测目标中的靶标时，由照准相机自动采集被测目标中的靶标图像，识别被测目标中的靶标并获取精确位置，获得二维角度值E和A，同时使用精密绝对测距仪进行激光测距，获得距离测量值r，最后根据公式(3)计算出各被测目标中的靶标的三维坐标X、Y、Z。
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