CN108051016A - 一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于几何测量装置检定装置技术领域，涉及一种激光测距仪检定装置，尤其是一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，包括一固定台，该固定台一端安装有夹持装置，该夹持装置用于与检定台的一端进行固定，所述固定台内安装有一手动角位移台，该手动角位移台的上方固定安装有一手动旋转台，所述手动旋转台的上方安装有一固定座，该固定座内用于放置待检的手持式激光测距仪，在放置手持式激光测距仪状态下，所述手持式激光测距仪的激光出射方向与检定台的延伸方向平行延伸；所述固定座包括一底板，该底板上端面平整设置，所述底板位于靠近检定台一侧和背向检定台一侧分别竖直安装有一基准板。

Description

一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台
技术领域
本发明属于几何测量装置检定装置技术领域，涉及一种激光测距仪检定装置，尤其是一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台。
背景技术
在长度几何量的计量、检测过程中，普遍存在着信息源头正确性问题。计量标准器与被测要素之间的相对测量位置不理想是影响信息源头正确性的典型情况之一，在系统中引入额外误差，影响检定结果的准确性。
以全长50.423m，宽度为124.23mm的大理石检定台为例，其上表面，单侧的侧表面为标准工作面，大理石检定台出厂时理论精度为：上表面平面度，直线度均可达0.015mm，上表面与标准侧表面垂直度可达0.02mm，标准侧表面直线度为0.015mm，两侧的侧表面之间平行度为0.1mm。
因此，大理石检定台在理论精度情况下工作面条件基本不会在检定过程中引入误差。但是在实际使用过程中，检定台工作面的精度不可避免的会受到来自外部环境的振动、温度以及检定过程引入的干扰因素影响，因此需要对使用一段时间后的检定台上表面直线度定期进行测量，分别在15m，25m，40m，50m位置处测量竖直方向与水平方向直线度，测量结果如表1所示。
表1
分析可得，上表面工作面竖直方向直线度为3.8mm，水平方向直线度为1.7mm。即测车行走过程中测距仪的出射光线有可能脱离反射板，若此时测车在远端，则调整测距仪的位姿完成寻靶的过程将会十分困难。
为了提高检测质量、提升检定系统抗干扰能力，简化操作流程，本项目组针对手持激光测距仪的检定过程设计研制一台具备多自由度调整能力的装置。该装置在满足前、后基准固定测距仪的同时，具有高精细度的角度调节能力。
在目前国内外的市场中，还没有专门的针对手持式激光测距仪定位与调整的装置出现。因此，无论是填补国内计量标准仪器的空白，还是提升测距仪的检定结果的准确度，研制多自由度定位调整云台具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理，操作简便，提升检测质量，抗干扰能力强的一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，其特征在于：包括一固定台，所述固定台一端安装有夹持装置，该夹持装置用于与检定台的一端进行固定，所述固定台内安装有一手动角位移台，该手动角位移台的上方固定安装有一手动旋转台，所述手动旋转台的上方安装有一固定座，该固定座内用于放置待检的手持式激光测距仪，在放置手持式激光测距仪状态下，所述手持式激光测距仪的激光出射方向与检定台的延伸方向平行延伸。
而且，所述固定座包括一底板，该底板上端面平整设置，其所在平面与检定台的上端面所在平面相互平行，所述底板位于靠近检定台一侧和背向检定台一侧分别竖直安装有一基准板，靠近检定台一侧的基准板中部制出一通孔，该通孔内用于手持式激光测距仪的激光出射，位于底板的旁侧安装有一压紧装置，该压紧装置用于将手持式激光测距仪的压紧固定在底板上端面内。
而且，所述压紧装置包括升降杆，多个升降杆竖直间隔安装在底板旁侧，所述升降杆外套装有升降压片。
围绕手持式激光测距仪在检定过程中位姿调整的需求，本课题组设计研制多自由度精密调整云台。取沿检定台代表线方向为x轴方向，水平面内垂直检定台代表线方向为y轴方向，铅垂线方向为z轴，该装置可以沿x、y、z轴方向的精密位移和绕y、z轴方向的精密旋转调整，可以提供立体空间内的精确位置，保证激光测距仪出射光线在整个检定过程中尽可能投射在反射板中心位置处。
本发明的优点和积极效果是：
1、本云台中，固定台通过夹持装置与检定台的一侧端部进行安装固定，该固定台内搭载安装有手动角位移台和手动旋转台，手动旋转台上方安装固定座，手动角位移台和手动旋转台相配合，可用于调整固定座的位置，形成x、y、z轴三自由度的调节方式，具有高精细度的角度调节能力；
2、本云台中，手动角位移台用于调整俯仰角，手动旋转台用于调整旋转角，结构合理，便于操作；
3、本云台中，底板两侧安装的基准板的间距与待检的手持式激光测距仪相配合，满足前、后基准固定手持式激光测距仪的要求；压紧装置通过升降杆配合升降压片用于将放置于底板上端面的手持式测距仪进行限位固定，保证其与固定座的同步，同角度调整；
4、本发明中，固定台、手动角位移台、手动旋转台和固定座配合形成一多自由度调整云台，其用于搭载待检测的手持式激光测距仪，手动角位移台和手动旋转台相配合，可调整固定台的俯仰角和旋转角，固定座配合压紧装置将待检测的手持式激光测距仪进行固定，保证固定座与手持式激光测距仪的同步同角度位移，继而通过调整固定座的位置即可实现对手持式激光测距仪出射光的调整，进而降低甚至消除检定过程中检定台工作面振动、温度以及检定过程引入的其他干扰因素影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为俯仰角调整对比图；
图3为阿贝误差分析原理图；
图4为余弦误差分析原理图。
1.升降杆、2.升降压片、3.底板、4.基准板、5.夹持装置、6.检定台、7.固定台、8.手动角位移台、9.手动旋转台、10.凹槽
具体实施方式
一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台的误差分析
1、多自由度调整必要性分析：
如图2所示，在调节反射板上光斑位置沿z轴方向移动过程中，手持式激光测距仪分别使用平移和俯仰两种方式调整光斑位移量为h时，此时实际光程长度分别为L和L’，且角位移为θ时，俯仰调节方式引入光程差e为
θ＝arctanh/L (3-2)
验证俯仰调整引入的光程差，分别计算在L＝1m，1.5m，2m，20m时光斑移动距离h所需要调节的俯仰角θ大小，得到俯仰角θ与理论光程差e，实测光程差e′如表2与表3所示。
表2 俯仰角θ大小
表3 理论光程差e与实际光程差e′(单位mm)
分析数据可知，光斑调整量h在15mm以内时，以微小角度俯仰调节测距仪即可实现反射板上光斑位置调整，实验过程中发现测车在20m内行程移动时光斑移动量均保持在5mm以内，因此在实际检定过程中前20m行程内不对测距仪位姿进行调整也能保证光线不脱离反射板。在20m处俯仰调整引入的实际光程差基本稳定在0.1mm，已知所选用测距仪示值重复性为0.1mm，因此俯仰角引入的光程差对测距仪示值误差检定结果造成的影响可忽略不计。
2、固定机构设计
已知绕y轴方向俯仰角自由度调节依赖于手动角位移台实现，结合手持式激光测距仪检定过程中前基准板与后基准板的各自检定要求，设计配套固定机构，完成云台设计。
结合手动角位移台角度调节原理近似于圆弧绕圆心旋转，分析可知需要调整位姿的手持式激光测距仪固定在角位移台转动圆弧圆心位置处时调节过程对测距仪姿态改变最小，当测距仪中心位置在圆心时，设测距仪长度为M，调整角度为θ，则光线出射点位置变动△h大小为当测距仪前基准或后基准位于圆心位置时，调整同样角度θ，Δh'大小为Δh′＝M×tanθ，即后者情况下调整角度时测距仪位姿变化更大。因此将测距仪前基准或后基准定位在圆心位置处可以在更小角度调整时更有效的改变位姿。
综上分析，设计固定结构夹持测距仪后进行位姿调整，保持测距仪前基准或后基准位置在圆心处，考虑测距仪前后基准板检定过程特点。前、后基准板均采用精加工金属块做限位，升降杆与两片升降压片做压舌定测距仪进行夹持固定，操作方便灵活，测距仪任意位置下升降压片即可完成固定也保证了在不同外形的测距仪的检定过程中均能适用。
3、系统误差分析
在采用多自由度云台对手持式激光测距仪精准调整定位后，测距仪示值结果测量误差主要来自于测距仪本身和测车上搭载的反射板。结合系统结构特点分别对系统中存在的阿贝误差，余弦误差以及系统误差进行分析。
(1)阿贝误差
阿贝原理的内容是：在面向长度量的测量过程中，标准线与被测线的延长线应处于同一直线。即量具或仪器的标准量所在直线和被测长度所在直线成串联关系，若出现二者成并联排列，则该长度量具的设计原理以及使用方法违背阿贝原理，阿贝误差由此产生，如图3所示。阿贝误差就是由于被测件轴线与测量仪器的轴线不同轴而产生。当测量系统的测量轴线存在角误差,而被测仪器轴线与被测件轴线又无法在一起时,就会引入阿贝误差。根据角度偏移量的大小,使测出来的值相对于实际值偏大或偏小。阿贝误差计算过程如公式3-3所示。
阿贝误差＝偏移量×偏移角的正切＝A0×tanθ (3-3)
在测距仪的检定过程中，被测激光束与钢卷尺完全重合为理想情况，此时的阿贝误差为零。实际上，激光束与标准钢卷尺不重合、激光束与反射靶垂直度误差、检定台台面与反射靶垂直度误差、前轮和后轮高度差导致检测车的前后的俯仰误差、四轮行走的滚转误差都会引入阿贝误差，当反射靶出现俯仰偏差，与检定台台面不完全垂直时，激光束与钢卷尺的高度差L为阿贝臂，此时的阿贝误差ΔL＝L×tanθ。而反射板出现绕Z轴定位偏差时不存在阿贝臂因此系统不引入阿贝误差。阿贝误差量值为角度θ的一阶项，在测量过程中不可忽略，因此需要修正实际测量过程中引入的阿贝误差。
为了尽可能缩短阿贝臂，减小阿贝误差，项目组在设计测车机构时降低了反射板高度，将反射板设计在测车的前端面，使测距仪出射光束尽可能贴近钢卷尺，阿贝臂长度控制在50mm以内。同时设计机械结构对反射板进行固定，保证了测车行进过程中反射板位姿基本保持与检定台台面垂直。测车设计为三轮行走结构，主动轮由步进电机带动，从动轮选用标准轴承，避免了四轮行走的滚转误差。通过增加测车配重使行走过程更加稳定，从硬件结构设计上控制阿贝误差。
(2)余弦误差
测量过程中由于测量轴线与待检轴线之间未对准，导致测得距离示值与真值之间存在误差，这一误差的量值大小往往和两轴所成夹角的余弦成比例，因此称为余弦误差。在本系统中，当测距仪出射光束在测车全行程中始终能够对准靶标中心且与台面平行时，余弦误差不会产生，也不会对测量结果产生影响。因此余弦误差的引入只会对测量精度产生影响，对测量的重复性无影响。如图4所示，角θ为测量运动轴与比例尺轴之间的夹角，测量长度L与尺长LS之间关系为
L＝LS×tanθ (3-4)
不同于阿贝误差，余弦误差是变值误差，它与测量长度之间存在函数关系,误差大小e′＝(1-cosθ)×L。在本系统中，测距仪激光束轴线与标准钢卷尺存在夹角时，余弦误差被引入并造成测量结果与真实距离之间存在偏差。假设激光束轴线与标准钢卷尺之间的夹角为θ，被测对象沿运动方向移动距离为X，则测距仪示值为：X′＝X/cosθ，示值与实际位移之差ΔX＝X′-X＝X×(1/cosθ-1)，在实际测量过程中，夹角θ为微小角度量，即θ→0，可求得误差：
余弦误差为夹角θ的二阶项，一般情况下θ很小，误差可忽略不计。但在特殊应用场合，需根据公式3-5分析引入余弦误差大小并进行补偿，提高测量精度。
(3)环境误差
手持式激光测距仪检定过程中环境因素同样可能引入测量误差。温度引发的材料热膨胀主要影响测量过程的环境因素之一。由于材料或机器设备的尺寸与周围环境温度存在函数关系，因此需要对被测设备以及云台，反射板等系统结构在不同温度下的膨胀和收缩进行修正。若已知材料热膨胀系数α和测量时材料温度T，则材料温度补偿系数K＝1-α·(T-20)，且补偿后材料尺寸为
L1＝L2×K (3-6)
其中L1为标准温度(20℃)下长度值，L2为温度T下长度值。本系统中大理石检定台架设于约20℃恒温环境中，环境温度引入测量误差可忽略不计。
(4)云台测量重复性实验
设计重复性实验验证多自由度云台装置在测距仪位姿调整过程中的重复性。实验过程为在检定台上的多个位置固定测车，之后调整激光测距仪使出射光线投射在反射板中心位置处，记录示值，调整出射光离开反射板中心，再次重复测量过程直至当前测量点处得到八次动态测量示值Ti，随后到下一测量点处重复上述过程，对比Ti与静态连续五次测量结果Si，如表4所示。
表4 云台调整重复性实验数据
通过分析表中数据可知，在测距仪瞄准反射板中心位置处静态连续五次采集过程中，由标准差表征重复性，其示值重复性保持在0.07mm以内。
下面通过实施例对本发明作详细说明，所述实施例是说明性的，而非限制性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，本发明的创新在于，包括一固定台6，所述固定台一端安装有夹持装置5，该夹持装置用于与检定台的一端进行固定，所述固定台7内安装有一手动角位移台8，该手动角位移台的上方固定安装有一手动旋转台9，所述手动旋转台的上方安装有一固定座，该固定座内用于放置待检的手持式激光测距仪，在放置手持式激光测距仪状态下，所述手持式激光测距仪的激光出射方向与检定台的延伸方向平行延伸。
本实施例中，所述固定座包括一底板3，该底板上端面平整设置，其所在平面与检定台的上端面所在平面相互平行，所述底板位于靠近检定台一侧和背向检定台一侧分别竖直安装有一基准板4，所述底板和基准板形成一凹槽10。所述基准板靠近检定台一侧的基准板中部制出一通孔，该通孔内用于手持式激光测距仪的激光出射，位于底板的旁侧安装有一压紧装置，该压紧装置用于将手持式激光测距仪的压紧固定在底板上端面内。
本实施例中，所述压紧装置包括升降杆1，多个升降杆竖直间隔安装在底板旁侧，所述升降杆外套装有升降压片2。
本发明的使用过程是：
本发明使用时，将实验环境设置为20摄氏度的恒温环境中，将调整云台通过夹持装置固定在检定台一侧，配合检定台内搭载的测车进行使用，所述测车为三轮结构，主动轮由步进电机带动，从动轮选用标准轴承，其可沿检定台台面行走，所述测车的上端安装有反射板，该反射板用于反射待检的手持式激光测距仪出射的激光束，在使用过程中，操作人员通过手动角位移台调整激光束的俯仰角，另外，可通过手动旋转台调整激光束的旋转角，使得手持式测距仪投射激光束的光斑投射在反射板的检定位置。
本发明中，固定台、手动角位移台、手动旋转台和固定座配合形成一多自由度调整云台，其用于搭载待检测的手持式激光测距仪，手动角位移台和手动旋转台相配合，可调整固定台的俯仰角和旋转角，固定座配合压紧装置将待检测的手持式激光测距仪进行固定，保证固定座与手持式激光测距仪的同步同角度位移，继而通过调整固定座的位置即可实现对手持式激光测距仪出射光的调整，进而降低甚至消除检定过程中检定台工作面振动、温度以及检定过程引入的其他干扰因素影响。

Claims (3)

1.一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，其特征在于：包括一固定台，所述固定台一端安装有夹持装置，该夹持装置用于与检定台的一端进行固定，所述固定台内安装有一手动角位移台，该手动角位移台的上方固定安装有一手动旋转台，所述手动旋转台的上方安装有一固定座，该固定座内用于放置待检的手持式激光测距仪，在放置手持式激光测距仪状态下，所述手持式激光测距仪的激光出射方向与检定台的延伸方向平行延伸。
2.根据权利要求1所述的一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，其特征在于：所述固定座包括一底板，该底板上端面平整设置，其所在平面与检定台的上端面所在平面相互平行，所述底板位于靠近检定台一侧和背向检定台一侧分别竖直安装有一基准板，靠近检定台一侧的基准板中部制出一通孔，该通孔内用于手持式激光测距仪的激光出射，位于底板的旁侧安装有一压紧装置，该压紧装置用于将手持式激光测距仪的压紧固定在底板上端面内。
3.根据权利要求2所述的一种手持式激光测距仪检定用多自由度调整云台，其特征在于：所述压紧装置包括升降杆，多个升降杆竖直间隔安装在底板旁侧，所述升降杆外套装有升降压片。
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