CN108680149A - 一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法 - Google Patents

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CN108680149A CN201810463153.8A CN201810463153A CN108680149A CN 108680149 A CN108680149 A CN 108680149A CN 201810463153 A CN201810463153 A CN 201810463153A CN 108680149 A CN108680149 A CN 108680149A
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Abstract

塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及方法，装置中三级动臂通过转接机构与夹具连接，二级动臂通过一个X轴转动关节与三级动臂连接、X轴伺服电机内置于该X轴转动关节，一级动臂通过Z轴转动关节与二级动臂连接、Z轴伺服电机内置于该Z轴转动关节，手持握杆通过另一个X轴转动关节与一级动臂连接，传感器安装在夹具上。方法包括S1：采样T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；S2：计算姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；S3：进行PID计算；得出补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。S4：X轴伺服电机和Z轴伺服电机执行补偿动作。具有结构简单可靠、响应速度快、执行效率高、自动化程度高、可减轻人工扶尺的劳动强度的优点。

Description

一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法
技术领域
本发明主要涉及工程测量中塔尺及棱镜杆垂直度调整技术，尤其涉及一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法。
背景技术
在工程测量过程中，需要确保塔尺及棱镜杆处于垂直状态，往往需要人工扶正且保持其稳定，长时间的立尺作业较为费力且立尺的垂度因人而异。本方法及装置在立尺随意或晃动较大的情况下依旧能确保尺身的垂度，其作为立尺作业的辅助系统能大大降低人工作业强度，确保测量精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、响应速度快、执行效率高、自动化程度高、可减轻人工扶尺的劳动强度的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，包括手持握杆、一级动臂、二级动臂、三级动臂、两个X轴转动关节、一个Z轴转动关节、X轴伺服电机、Z轴伺服电机、转接机构、夹具和传感器，所述夹具夹持在塔尺/棱镜杆上，所述三级动臂通过转接机构与夹具连接，所述二级动臂通过一个X轴转动关节与三级动臂连接、所述X轴伺服电机内置于该X轴转动关节内，所述一级动臂通过Z轴转动关节与二级动臂连接、Z轴伺服电机内置于该Z轴转动关节内，所述手持握杆通过另一个X轴转动关节与一级动臂连接，所述传感器安装在夹具上。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述转接机构包括固定台、X向铰接件、Y向铰接件和Z向铰接件，所述固定台与夹具固接，所述Z向铰接件与固定台活动套接并能绕Z向转动，所述Y向铰接件与Z向铰接件活动铰接并能绕Y向转动，所述X向铰接件与Y向铰接件活动铰接并能绕X向转动，所述X向铰接件连接所述三级动臂。
固定台包括U型台和滑杆，所述U型台的背板与夹具固接，所述滑杆固装在U型台的顶底板之间，所述Z向铰接件滑套在滑杆上。
所述Z向铰接件包括竖管和连接于竖管侧部的横管，所述竖管滑套在滑杆上，所述Y向铰接件与横管活动铰接。
所述Y向铰接件包括Y向铰接座和固装在Y向铰接座上的Y向铰轴，所述Y向铰轴与横管活动铰接，所述X向铰接件与Y向铰接座活动铰接。
所述X向铰接件包括X向铰接座和X向铰轴，所述X向铰接座通过X向铰轴与Y向铰接座活动铰接，所述X向铰接座与所述三级动臂固接。
所述夹具包括U型夹台和固装在U型夹台上的安装板，所述U型夹台的开口夹持在塔尺/棱镜杆上，所述传感器固装在安装板上，所述U型夹台的背板与固定台固接。
所述U型夹台包括L型外套板和L型内插板，所述L型内插板的背板插配于所述L型外套板的背板内，所述安装板固装在L型外套板上。
所述L型外套板于其背板的内壁安装有呈上下布置的活动夹杆。
所述L型内插板、L型外套板以及活动夹杆上设有用于和棱镜杆表面配合夹持的弧形夹持面，L型内插板和L型外套板上还设有用于和塔尺表面配合夹持的夹持平面。
还包括用于固定塔尺/棱镜杆底部并防止其绕Z轴转动的定向底座。
所述定向底座包括外壳体、用于固定塔尺的底座球台以及用于固定棱镜杆的固定块，所述底座球台位于外壳体内并与外壳体形成球面活动连接，所述固定块与底座球台顶面可拆卸式连接。
所述外壳体包括盆形底壳和设置在盆形底壳上部的环形顶壳，所述底座球台于外侧壁均匀间隔布置有多条定向母槽，各定向母槽内设置有传动滚珠，所述盆形底壳和环形顶壳于内侧壁布置有多条与各定向母槽位置相对应定向子槽，所述底座球台承载在盆形底壳内、且各传动滚珠与相应位置的定向子槽配合。
所述盆形底壳于其底板上穿设有多组垫针组件，其中一组垫针组件穿设在盆形底壳的底板的中心位置，另外的各组组垫针组件沿底板均匀间隔布置并位于同一圆形线上，所述底座球台承载在各垫针组件上。
所述垫针组件包括针杆、复位弹簧、顶盖和杆套，所述杆套与盆形底壳底板相应位置的穿孔对应并与底板固接，所述针杆活动套设在杆套内并穿过底板，所述复位弹簧固装在针杆顶部，所述顶盖固装在复位弹簧顶部，所述底座球台承载在顶盖上。
所述固定块于中心位置开设有棱镜杆插孔，固定块底部设有插接块，所述底座球台于顶部开设有与所述插接块配合的插槽。
所述底座球台的顶部中心位置还开设有塔尺定位槽，所述塔尺定位槽于中心位置还开设有中心定位孔。
一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，用上述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，包括以下步骤：
S1：通过传感器(11)采样塔尺/棱镜杆T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；
S2：根据传感器(11)反馈的姿态倾角θx(i)、θz(i)，计算T(i)时刻的姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；
S3：姿态偏差Ex(i)、Ez(i)作为PID控制程序的输入值进行PID计算；得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。
S4：X轴伺服电机和Z轴伺服电机根据输出信号Ox(i)、Oz(i)执行补偿动作；
S5：保持步骤S1至S4循环进行。
在步骤S3中，分别计算比例控制输出值KPx·Px(i)、KPz·Pz(i)、积分控制输出值KIx·Ix(i)、KIz·Iz(i)、微分控制输出值KDx·Dx(i)、KDz·Dz(i)得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)，其中，KP为比例控制系数；KI为积分控制时间；KD为微分控制系数。由于系统具备2台伺服电机，程序对其单独控制，每台伺服电机具备一组控制系数，用下标x、z进行区分。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，当手持握杆发生抖动时，塔尺/棱镜杆在手持握杆的三个线位移作用下仅产生两类位移响应，姿态由正垂转变为倾斜；在手持抖动的瞬间，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器信号之前，X轴伺服电机和Z轴伺服电机会保持当前姿态，手持握杆的抖动会整体改变一级动臂、二级动臂和三级动臂的空间位置，但三个动臂之间相对位置不会发生改变，在本次手持抖动瞬间之后，下一次抖动开始之前，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器信号后，X轴伺服电机和Z轴伺服电机开始矫正塔尺/棱镜杆姿态，由于传感器对姿态变位的采样频率远高于握杆的抖动频率，程序的PID控制器执行补偿的周期亦远低于手持握杆抖动的周期，因此在机构执行补偿的过程中，手持握杆的空间位置可认为是保持不变的，程序的PID控制器不断比对采样数据同正垂状态的偏差，并发出脉冲信号驱动X轴伺服电机和Z轴伺服电机执行步进补偿动作。比例积分控制器PI把积累的偏差作为输出对伺服机构进行控制，用以减少稳态误差，提高控制精度；比例微分控制器PD根据偏差的变化速度对伺服机构进行控制，用以提高补偿响应速度和动态性能，塔尺/棱镜杆在两处伺服电机的两个角位移作用下产生两类位移响应，姿态由倾斜转变为正垂。较传统方式而言，该装置可大大减轻人工扶尺的劳动强度，实时、自动、快速、准确的调整尺身垂直度，使塔尺/棱镜杆垂直度不受手持端晃动等因素干扰而始终保持正垂状态，且能始终保持尺身朝向观测者；其结构简单可靠。本发明的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，用上述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，因此具备上述塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置相应的技术效果。
附图说明
图1是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置的结构示意图。
图2是图1的A处放大结构示意图。
图3是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中转接机构的局部放大结构示意图。
图4是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中夹具的结构示意图(收缩状态)。
图5是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中夹具的结构示意图(展开状态)。
图6是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中定向底座的结构示意图。
图7是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中定向底座的立体分解示意图。
图8是本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中垫针组件的结构示意图。
图中各标号表示：
1、手持握杆；2、一级动臂；3、二级动臂；4、三级动臂；5、X轴转动关节；6、Z轴转动关节；7、X轴伺服电机；8、Z轴伺服电机；9、转接机构；91、固定台；911、U型台；912、滑杆；92、X向铰接件；921、X向铰接座；922、X向铰轴；93、Y向铰接件；931、Y向铰接座；932、Y向铰轴；94、Z向铰接件；941、竖管；942、横管；10、夹具；101、U型夹台；1011、L型外套板；1012、L型内插板；1013、活动夹杆；1014、弧形夹持面；1015、夹持平面；102、安装板；11、传感器；12、定向底座；121、外壳体；1211、盆形底壳；1212、环形顶壳；1213、定向子槽；122、底座球台；1221、定向母槽；1222、传动滚珠；1223、插槽；1224、塔尺定位槽；1225、中心定位孔；123、固定块；1231、棱镜杆插孔；1232、插接块；124、垫针组件；1241、针杆；1242、复位弹簧；1243、顶盖；1244、杆套。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1至图8示出了本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置的一种实施例，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，包括手持握杆1、一级动臂2、二级动臂3、三级动臂4、两个X轴转动关节5、一个Z轴转动关节6、X轴伺服电机7、Z轴伺服电机8、转接机构9、夹具10和传感器11，夹具10夹持在塔尺/棱镜杆上，三级动臂4通过转接机构9与夹具10连接，二级动臂3通过一个X轴转动关节5与三级动臂4连接、X轴伺服电机7内置于该X轴转动关节5内，一级动臂2通过Z轴转动关节6与二级动臂3连接、Z轴伺服电机8内置于该Z轴转动关节6内，手持握杆1通过另一个X轴转动关节5与一级动臂2连接，传感器11安装在夹具10。该结构中，当手持握杆1发生抖动时，塔尺/棱镜杆在手持握杆1的三个线位移作用下仅产生两类位移响应，姿态由正垂转变为倾斜；在手持抖动的瞬间，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器11信号之前，X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8会保持当前姿态，手持握杆1的抖动会整体改变一级动臂2、二级动臂3和三级动臂4的空间位置，但三个动臂之间相对位置不会发生改变，在本次手持抖动瞬间之后，下一次抖动开始之前，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器11信号后，X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8开始矫正塔尺/棱镜杆姿态，由于传感器11对姿态变位的采样频率远高于握杆的抖动频率，程序的PID控制器执行补偿的周期亦远低于手持握杆1抖动的周期，因此在机构执行补偿的过程中，手持握杆1的空间位置可认为是保持不变的，程序的PID控制器不断比对采样数据同正垂状态的偏差，并发出脉冲信号驱动X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8执行步进补偿动作。比例积分控制器PI把积累的偏差作为输出对伺服机构进行控制，用以减少稳态误差，提高控制精度；比例微分控制器PD根据偏差的变化速度对伺服机构进行控制，用以提高补偿响应速度和动态性能，塔尺/棱镜杆在两处伺服电机的两个角位移作用下产生两类位移响应，姿态由倾斜转变为正垂。较传统方式而言，该装置可大大减轻人工扶尺的劳动强度，实时、自动、快速、准确的调整尺身垂直度，使塔尺/棱镜杆垂直度不受手持端晃动等因素干扰而始终保持正垂状态，且能始终保持尺身朝向观测者；其结构简单可靠。
本实施例中，转接机构9包括固定台91、X向铰接件92、Y向铰接件93和Z向铰接件94，固定台91与夹具10固接，Z向铰接件94与固定台91活动套接并能绕Z向转动，Y向铰接件93与Z向铰接件94活动铰接并能绕Y向转动，X向铰接件92与Y向铰接件93活动铰接并能绕X向转动，X向铰接件92连接三级动臂4。该结构中，通过X向铰接件92、Y向铰接件93和Z向铰接件94的相互配合，使得手持握杆1的三个线位移能快速准确的传递至固定台91，从而通过夹具10传递至塔尺/棱镜杆，大大提高了敏感度，保证了响应速度和精度。
本实施例中，固定台91包括U型台911和滑杆912，U型台911的背板与夹具10固接，滑杆912固装在U型台911的顶底板之间，Z向铰接件94滑套在滑杆912上。该结构中，滑杆912固定在U型台911内，使得X向铰接件92、Y向铰接件93和Z向铰接件94连同手持握杆1、一级动臂2、二级动臂3和三级动臂4可一并绕Z向转动，并确保手持握杆1的Z向位移过滤而不传至塔尺/棱镜杆。
本实施例中，Z向铰接件94包括竖管941和连接于竖管941侧部的横管942，竖管941滑套在滑杆912上，Y向铰接件93与横管942活动铰接。该结构中，竖管941和横管942形成T型滑套结构，其可沿滑杆912Z向滑动及绕轴转动。
本实施例中，Y向铰接件93包括Y向铰接座931和固装在Y向铰接座931上的Y向铰轴932，Y向铰轴932与横管942活动铰接，X向铰接件92与Y向铰接座931活动铰接。该结构中，Y向铰接座931通过Y向铰轴932与横管942活动铰接以实现绕Y向转动，X向铰接件92与Y向铰接座931活动铰接以实现绕X向转动。
本实施例中，X向铰接件92包括X向铰接座921和X向铰轴922，X向铰接座921通过X向铰轴922与Y向铰接座931活动铰接，X向铰接座921与三级动臂4固接。该结构中，X向铰接座921通过X向铰轴922与Y向铰接座931活动铰接以实现绕X向转动。
本实施例中，夹具10包括U型夹台101和固装在U型夹台101上的安装板102，U型夹台101的开口夹持在塔尺/棱镜杆上，传感器11固装在安装板102上，U型夹台101的背板与固定台91固接。该结构中，U型夹台101用于夹持塔尺/棱镜杆，其背板与固定台91固接，传感器11固装在安装板102上，用于实时感应塔尺/棱镜杆的倾斜变化。
本实施例中，U型夹台101包括L型外套板1011和L型内插板1012，L型内插板1012的背板插配于L型外套板1011的背板内，安装板102固装在L型外套板1011上。该结构中，通过L型内插板1012和L型外套板1011的相互配合能实现U型夹台101的开口的可调，以适应塔尺/棱镜杆不同的杆身截面，提高了其适应能力。
本实施例中，L型外套板1011于其背板的内壁安装有呈上下布置的活动夹杆1013。该结构中，活动夹杆1013为可起立活动件，活动夹杆1013与L型内插板1012之间形成的开口用于夹持棱镜杆，活动夹杆1013转动与水平位置时，则U型夹台101的大开口用于夹持塔尺，其结构简单、设计巧妙。
本实施例中，L型内插板1012、L型外套板1011以及活动夹杆1013上设有用于和棱镜杆表面配合夹持的弧形夹持面1014，L型内插板1012和L型外套板1011上还设有用于和塔尺表面配合夹持的夹持平面1015。弧形夹持面1014与棱镜杆表面配合，保证了对棱镜杆的夹持力，而夹持平面1015与塔尺表面配合，同样保证了对塔尺的夹持力。
本实施例中，还包括用于固定塔尺/棱镜杆底部并防止其绕Z轴转动的定向底座12。该结构中，定向底座12用于满足塔尺/棱镜杆的限位要求。在定向底座12的约束下，塔尺/棱镜杆及夹具10在抖动发生瞬间均不会发生Z轴角位移。
本实施例中，定向底座12包括外壳体121、用于固定塔尺的底座球台122以及用于固定棱镜杆的固定块123，底座球台122位于外壳体121内并与外壳体121形成球面活动连接，固定块123与底座球台122顶面可拆卸式连接。该结构中，底座球台122在外壳体121内能实现球面转动，即适应了塔尺/棱镜杆的动态变化，固定块123用于固定棱镜杆，当目标为塔尺时，则取下固定块123，将塔尺底部与底座球台122形成固定即可。
本实施例中，外壳体121包括盆形底壳1211和设置在盆形底壳1211上部的环形顶壳1212，底座球台122于外侧壁均匀间隔布置有多条定向母槽1221，各定向母槽1221内设置有传动滚珠1222，盆形底壳1211和环形顶壳1212于内侧壁布置有多条与各定向母槽1221位置相对应定向子槽1213，底座球台122承载在盆形底壳1211内、且各传动滚珠1222与相应位置的定向子槽1213配合。该结构中，通过定向母槽1221、定向子槽1213以及传动滚珠1222的相互配合保证了底座球台122的倾斜转动，以适应塔尺/棱镜杆的动态变化。
本实施例中，盆形底壳1211于其底板上穿设有多组垫针组件124，其中一组垫针组件124穿设在盆形底壳1211的底板的中心位置，另外的各组组垫针组件124沿底板均匀间隔布置并位于同一圆形线上，底座球台122承载在各垫针组件124上。该结构中，垫针组件124设置为可伸缩结构，用以调整定向底座12与地面接触点，以适应地面的不平整。
本实施例中，垫针组件124包括针杆1241、复位弹簧1242、顶盖1243和杆套1244，杆套1244与盆形底壳1211底板相应位置的穿孔对应并与底板固接，针杆1241活动套设在杆套1244内并穿过底板，复位弹簧1242固装在针杆1241顶部，顶盖1243固装在复位弹簧1242顶部，底座球台122承载在顶盖1243上。该结构中，针杆1241活动套设在杆套1244内并穿过底板可沿其上下滑动，当顶盖1243受压时，针杆1241向下滑动(盆形底壳1211于该处向上)，针杆1241回缩，压力卸载后盆形底壳1211下沉，针杆1241向上自动伸出，地面测量点一般会高出地面，当安放定向底座12时，先将盆形底壳1211正中央处垫针组件124放置于地面测量点位之上，继续下放定向底座12，位于测量点上的针杆1241回缩，继而周边三处垫针组件124着地完成测量点对中。
本实施例中，固定块123于中心位置开设有棱镜杆插孔1231，固定块123底部设有插接块1232，底座球台122于顶部开设有与插接块1232配合的插槽1223。该结构中，固定块123通过插接块1232与插槽1223配合，实现固定块123的拆装功能，棱镜杆插孔1231用于固定棱镜杆，其结构简单可靠。
本实施例中，底座球台122的顶部中心位置还开设有塔尺定位槽1224，塔尺定位槽1224于中心位置还开设有中心定位孔1225。该结构中，当目标对象为棱镜杆时，则棱镜杆的底尖伸至中心定位孔1225内，保证棱镜杆的对中安装，当目标对象为塔尺时，则取下固定块123，塔尺底部固定在塔尺定位槽1224内，其结构简单可靠。
本发明塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，用上述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，包括以下步骤：
S1：通过传感器(11)采样塔尺/棱镜杆T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；
S2：根据传感器(11)反馈的姿态倾角θx(i)、θz(i)，计算T(i)时刻的姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；
S3：姿态偏差Ex(i)、Ez(i)作为PID控制程序的输入值进行PID计算；得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。
S4：X轴伺服电机和Z轴伺服电机根据输出信号Ox(i)、Oz(i)执行补偿动作；
S5：保持步骤S1至S4循环进行。
采用该方法，当手持握杆1发生抖动时，塔尺/棱镜杆在手持握杆1的三个线位移作用下仅产生两类位移响应，姿态由正垂转变为倾斜；在手持抖动的瞬间，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器11信号之前，X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8会保持当前姿态，手持握杆1的抖动会整体改变一级动臂2、二级动臂3和三级动臂4的空间位置，但三个动臂之间相对位置不会发生改变，在本次手持抖动瞬间之后，下一次抖动开始之前，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器11信号后，X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8开始矫正塔尺/棱镜杆姿态，由于传感器11对姿态变位的采样频率远高于握杆的抖动频率，程序的PID控制器执行补偿的周期亦远低于手持握杆1抖动的周期，因此在机构执行补偿的过程中，手持握杆1的空间位置可认为是保持不变的，程序的PID控制器不断比对采样数据同正垂状态的偏差，并发出脉冲信号驱动X轴伺服电机7和Z轴伺服电机8执行步进补偿动作。比例积分控制器PI把积累的偏差作为输出对伺服机构进行控制，用以减少稳态误差，提高控制精度；比例微分控制器PD根据偏差的变化速度对伺服机构进行控制，用以提高补偿响应速度和动态性能，塔尺/棱镜杆在两处伺服电机的两个角位移作用下产生两类位移响应，姿态由倾斜转变为正垂。较传统方式而言，该装置可大大减轻人工扶尺的劳动强度，实时、自动、快速、准确的调整尺身垂直度，使塔尺/棱镜杆垂直度不受手持端晃动等因素干扰而始终保持正垂状态，且能始终保持尺身朝向观测者；其操作简单可靠。
在步骤S3中，分别计算比例控制输出值KPx·Px(i)、KPz·Pz(i)、积分控制输出值KIx·Ix(i)、KIz·Iz(i)、微分控制输出值KDx·Dx(i)、KDz·Dz(i)得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)，其中，KP为比例控制系数；KI为积分控制时间；KD为微分控制系数。由于系统具备2台伺服电机，程序对其单独控制，每台伺服电机具备一组控制系数，用下标x、z进行区分。其补偿精度高、响应快速。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (19)

1.一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，其特征在于：包括手持握杆(1)、一级动臂(2)、二级动臂(3)、三级动臂(4)、两个X轴转动关节(5)、一个Z轴转动关节(6)、X轴伺服电机(7)、Z轴伺服电机(8)、转接机构(9)、夹具(10)和传感器(11)，所述夹具(10)夹持在塔尺/棱镜杆上，所述三级动臂(4)通过转接机构(9)与夹具(10)连接，所述二级动臂(3)通过一个X轴转动关节(5)与三级动臂(4)连接、所述X轴伺服电机(7)内置于该X轴转动关节(5)内，所述一级动臂(2)通过Z轴转动关节(6)与二级动臂(3)连接、Z轴伺服电机(8)内置于该Z轴转动关节(6)内，所述手持握杆(1)通过另一个X轴转动关节(5)与一级动臂(2)连接，所述传感器(11)安装在夹具(10)上。
2.根据权利要求1所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述转接机构(9)包括固定台(91)、X向铰接件(92)、Y向铰接件(93)和Z向铰接件(94)，所述固定台(91)与夹具(10)固接，所述Z向铰接件(94)与固定台(91)活动套接并能绕Z向转动，所述Y向铰接件(93)与Z向铰接件(94)活动铰接并能绕Y向转动，所述X向铰接件(92)与Y向铰接件(93)活动铰接并能绕X向转动，所述X向铰接件(92)连接所述三级动臂(4)。
3.根据权利要求2所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：固定台(91)包括U型台(911)和滑杆(912)，所述U型台(911)的背板与夹具(10)固接，所述滑杆(912)固装在U型台(911)的顶底板之间，所述Z向铰接件(94)滑套在滑杆(912)上。
4.根据权利要求3所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述Z向铰接件(94)包括竖管(941)和连接于竖管(941)侧部的横管(942)，所述竖管(941)滑套在滑杆(912)上，所述Y向铰接件(93)与横管(942)活动铰接。
5.根据权利要求4所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述Y向铰接件(93)包括Y向铰接座(931)和固装在Y向铰接座(931)上的Y向铰轴(932)，所述Y向铰轴(932)与横管(942)活动铰接，所述X向铰接件(92)与Y向铰接座(931)活动铰接。
6.根据权利要求5所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述X向铰接件(92)包括X向铰接座(921)和X向铰轴(922)，所述X向铰接座(921)通过X向铰轴(922)与Y向铰接座(931)活动铰接，所述X向铰接座(921)与所述三级动臂(4)固接。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述夹具(10)包括U型夹台(101)和固装在U型夹台(101)上的安装板(102)，所述U型夹台(101)的开口夹持在塔尺/棱镜杆上，所述传感器(11)固装在安装板(102)上，所述U型夹台(101)的背板与固定台(91)固接。
8.根据权利要求7所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述U型夹台(101)包括L型外套板(1011)和L型内插板(1012)，所述L型内插板(1012)的背板插配于所述L型外套板(1011)的背板内，所述安装板(102)固装在L型外套板(1011)上。
9.根据权利要求8所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述L型外套板(1011)于其背板的内壁安装有呈上下布置的活动夹杆(1013)。
10.根据权利要求9所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述L型内插板(1012)、L型外套板(1011)以及活动夹杆(1013)上设有用于和棱镜杆表面配合夹持的弧形夹持面(1014)，L型内插板(1012)和L型外套板(1011)上还设有用于和塔尺表面配合夹持的夹持平面(1015)。
11.根据权利要求2至6中任一项所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：还包括用于固定塔尺/棱镜杆底部并防止其绕Z轴转动的定向底座(12)。
12.根据权利要求11所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述定向底座(12)包括外壳体(121)、用于固定塔尺的底座球台(122)以及用于固定棱镜杆的固定块(123)，所述底座球台(122)位于外壳体(121)内并与外壳体(121)形成球面活动连接，所述固定块(123)与底座球台(122)顶面可拆卸式连接。
13.根据权利要求11所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述外壳体(121)包括盆形底壳(1211)和设置在盆形底壳(1211)上部的环形顶壳(1212)，所述底座球台(122)于外侧壁均匀间隔布置有多条定向母槽(1221)，各定向母槽(1221)内设置有传动滚珠(1222)，所述盆形底壳(1211)和环形顶壳(1212)于内侧壁布置有多条与各定向母槽(1221)位置相对应定向子槽(1213)，所述底座球台(122)承载在盆形底壳(1211)内、且各传动滚珠(1222)与相应位置的定向子槽(1213)配合。
14.根据权利要求13所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述盆形底壳(1211)于其底板上穿设有多组垫针组件(124)，其中一组垫针组件(124)穿设在盆形底壳(1211)的底板的中心位置，另外的各组组垫针组件(124)沿底板均匀间隔布置并位于同一圆形线上，所述底座球台(122)承载在各垫针组件(124)上。
15.根据权利要求14所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述垫针组件(124)包括针杆(1241)、复位弹簧(1242)、顶盖(1243)和杆套(1244)，所述杆套(1244)与盆形底壳(1211)底板相应位置的穿孔对应并与底板固接，所述针杆(1241)活动套设在杆套(1244)内并穿过底板，所述复位弹簧(1242)固装在针杆(1241)顶部，所述顶盖(1243)固装在复位弹簧(1242)顶部，所述底座球台(122)承载在顶盖(1243)上。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述固定块(123)于中心位置开设有棱镜杆插孔(1231)，固定块(123)底部设有插接块(1232)，所述底座球台(122)于顶部开设有与所述插接块(1232)配合的插槽(1223)。
17.根据权利要求16所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述底座球台(122)的顶部中心位置还开设有塔尺定位槽(1224)，所述塔尺定位槽(1224)于中心位置还开设有中心定位孔(1225)。
18.一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，其特征在于，用权利要求1至17中任一项塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，包括以下步骤：
S1：通过传感器(11)采样塔尺/棱镜杆T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；
S2：根据传感器(11)反馈的姿态倾角θx(i)、θz(i)，计算T(i)时刻的姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；
S3：姿态偏差Ex(i)、Ez(i)作为PID控制程序的输入值进行PID计算；得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。
S4：X轴伺服电机(7)和Z轴伺服电机(8)根据输出信号Ox(i)、Oz(i)执行补偿动作；
S5：保持步骤S1至S4循环进行。
19.根据权利要求18所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，其特征在于：在步骤S3中，分别计算比例控制输出值KPx·Px(i)、KPz·Pz(i)、积分控制输出值KIx·Ix(i)、KIz·Iz(i)、微分控制输出值KDx·Dx(i)、KDz·Dz(i)得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)，其中，KP为比例控制系数；KI为积分控制时间；KD为微分控制系数。由于系统具备2台伺服电机，程序对其单独控制，每台伺服电机具备一组控制系数，用下标x、z进行区分。
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