CN111024118B - 一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置及方法。装置包括激光探测器、水平转台和移动终端；激光扫平仪是被校准对象，激光探测器是用于检测激光扫平仪所扫射出的激光位置信息，水平转台是用于为激光扫平仪提供一个水平旋转基面，移动终端是用于接收激光探测器发出的激光位置信息，并根据激光位置等信息解算出激光扫描仪的水平误差校准角度，进而实现对激光扫平仪的快速水平校正。本发明提供的水平误差自动校准方法可以代替传统的人工实验校准方式，避免了繁琐的实验流程及占用较大的实验场地，具有校准速度快、精度高、操作方便等优势。
Description
技术领域
本发明涉及激光扫平仪的误差校正技术领域，尤其涉及一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置及方法。
技术背景
激光扫平仪是通过快速旋转的可视激光点瞬间扫出一个大范围的水平的、垂直的或倾斜的基准面，以便于为施工人员提供平面基准，由于其具有扫描距离远，精度高，操作方便且使用灵活等优点，已被广泛应用于工程测量、建筑施工、室内装潢等工程技术领域。
目前，高精度激光扫平仪的研制仍存在一定的技术难题。虽然基于电子自动安平的激光扫平仪能够实时采集安平结构的倾角信息，并通过闭环控制手段提供一个理论上的水平参考面，但激光扫平仪的结构加工、装配以及数字倾角传感器易受温度的影响等不可避免的会引入一定的误差，导致激光扫平仪不能很好的提供一个高精度的水平基准面，因此需要对新生产的以及在不同温度条件下使用的激光扫平仪进行校正。现有的校正方法主要是通过人工实验的方式进行粗校准，调试方法繁琐，工作量较大，较为占用实验场地且校准精度低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提供一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置及方法。
一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置，包括：包括激光扫平仪，激光探测器，水平转台，移动终端，所述激光扫平仪是被校准对象，所述激光探测器 是用于检测激光扫平仪所扫射出的激光位置信息，所述水平转台是用于为激光扫平仪提供一个水平旋转基面，所述移动终端分别激光扫平仪和激光探测器实现控制与数据传输，并用于接收激光探测器检测出的激光位置等信息，并根据激光位置信息解算出激光扫平仪存在水平误差时所需的校准角度，进而对激光扫平仪进行水平校正。
所述激光扫平仪包括步进电机A 、步进电机B 、螺纹螺栓A 、螺纹螺栓B 、平衡支点、双轴倾角传感器、主控板、按键及显示器、安平平面、旋转机构、激光器、五棱镜以及若干组件。所述螺纹螺栓A 、平衡支点以及螺纹螺栓B 的中心点分别为点A、点O、点B，并且点A、点O和点B的水平连线构成一个等腰直角三角形，即角O为90度，AO等于BO。螺纹螺栓A 和螺纹螺栓B 分别固定在步进电机A 和步进电机B 的旋转轴上，主控板通过驱动步进电机A 和步进电机B 旋转来调节安平平面的水平程度或倾斜程度，其中步进电机A 用于控制安平平面的X轴方向的倾角，步进电机B 用于控制安平平面的Y轴方向的倾角。所述双轴倾角传感器具有较高的数字输出精度和频率，安装位置的与AO平行或与BO垂直，并用于输出安平平面的X轴与Y轴方向上的倾角数据，并将该数据传输给主控板，然后由主控板来控制步进电机A 和步进电机B 来对安平平面进行调平。所述激光器的发射激光方向与安平平面垂直且经过五棱镜后能够偏转90度，旋转机构带动激光器快速旋转，激光器发出的激光经过五棱镜后能够扫射出一个可以预先设定的激光平面。所述激光扫平仪通过不断获取双轴倾角传感器的倾角数据，控制步进电机A和步进电机B实现自动调节安平平面，获取预先设置的激光平面，但由于激光扫平仪存在结构加工、装配误差以及数字双轴倾角传感器受温度的影响等不可避免的会引入一定的误差，因此需要对激光扫平仪的水平误差进行校正。
一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置的水平误差自动校准方法，过程如下：
数据接收过程，激光扫平仪在工作状态下随水平转台旋转时，移动终端通过蓝牙不断接收激光探测器检测到的激光高度信息；
误差解算过程，移动终端对接收到的激光高度信息进行处理，并解算出用于校正激光扫平仪水平误差的补偿角度值；
水平校正过程，移动终端通过蓝牙将解算出的补偿角度值传送到激光扫平仪中主控板的控制芯片内，并进行水平校正。
所述数据接收过程包括如下步骤：
将激光扫平仪的X轴方向垂直面对激光探测器，并放在已经调平的水平转台上；
打开激光扫平仪和激光探测器，待激光扫平仪自动调平结束后，打开移动终端并打开蓝牙功能分别与激光扫平仪和激光探测器连接；
通过移动终端设置激光扫平仪进入水平误差自动校准状态，然后驱动水平转台并以一定的角速度旋转360度，同时激光接收器将激光扫平仪扫射出的激光高度信息通过蓝牙传送至移动终端。
所述移动终端是能够显示出激光扫平仪随水平转台在匀速旋转360度条件下扫射在固定的激光探测器上的激光高度信息，当激光扫平仪存在水平角度误差时，移动终端则显示出一个正弦状的激光高度信息，其中水平轴为水平转台的转动角度大小，垂直轴为扫射激光在激光探测器上的高度大小，正弦的振幅大小H即为激光探测器到激光扫平仪的水平误差高度，角θ为激光扫射在激光探测器上的初始高度到最高高度时水平转台转过的角度大小，即检测高度由c点到d点时水平转台移动的角度为θ。
所述数据解算过程是基于角度θ，高度H，激光探测器 到激光扫平仪的距离L以及螺纹螺栓A 中心A到支点结构中心O的距离AO四个变量，移动终端中的解算模块能够分别解算出激光扫平仪扫射出的激光面在X轴与Y轴方向上的倾角大小，进而计算出安平平面分别在X轴和Y轴方向上的补偿角度大小，使得激光扫平仪扫射出一个高精度的激光水平基准面。
本发明的有益效果是：本发明所述的高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置及方法能够对激光扫平仪扫射出的激光平面的水平误差进行自动校正，减轻了人工实验校准的工作负担以及降低了对实验场地需求，并且在一定程度上避免了人为因素引入的校准误差，为激光扫平仪水平误差的快速、高精度校准带来了极大便捷性。本发明所述的自动校准方法可以在数分钟内完成自动校准，且能够满足激光扫平仪在-10”～+10”精度范围内的高精度校正需求，达到了便捷、快速、高精度的自动校准要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置示意图；
图2是图1中高精度激光扫平仪的结构示意图；
图中，水平转台1、激光扫平仪2、步进电机B 3、安平平面 4、激光器 5、步进电机A6、双轴倾角传感器 7、螺纹螺栓A 8、螺纹螺栓B 9 、旋转机构 10、主控板 11、按键及显示器 12、五棱镜 13、平衡支点 14、激光探测器15、移动终端16。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置，包括：激光扫平仪2，激光探测器15，水平转台1，移动终端16，所述激光扫平仪2是被校准对象，所述激光探测器15具有较远的激光探测距离和较高的探测精度，是用于检测激光扫平仪2所扫射出的激光位置信息，所述水平转台1能够以一定的角速度进行旋转，并用于为激光扫平仪2提供一个水平旋转基面，所述移动终端16是通过蓝牙控制激光扫平仪2和激光探测器15，具有较强的控制功能和结果显示效果，用于接收激光探测器15检测出的激光位置等信息，并根据激光位置等信息解算出激光扫描仪的水平误差校准角度大小，进而快速实现对激光扫平仪2进行水平校正。
所述激光扫平仪2的结构示意图如图2所示，包括，步进电机A 6、步进电机B 3、螺纹螺栓A 8、螺纹螺栓B 9 、平衡支点 14、双轴倾角传感器 7、主控板 11、按键及显示器12、安平平面 4、旋转机构 10、激光器 5、五棱镜 13 以及若干组件。所述螺纹螺栓A 8、平衡支点 14 以及螺纹螺栓B 9 的中心点分别为点A、点O、点B，并且点A、点O和点B的水平连线构成一个等腰直角三角形，即角O为90度，AO等于BO。螺纹螺栓A 8和螺纹螺栓B 9分别固定在步进电机A 6和步进电机B 3的旋转轴上，主控板 11通过驱动步进电机A 6和步进电机B 3旋转来调节安平平面 4的水平程度或倾斜程度，其中步进电机A 6用于控制安平平面 4的X轴方向的倾角，步进电机B 3用于控制安平平面 4的Y轴方向的倾角。所述双轴倾角传感器 7具有较高的数字输出精度和频率，安装位置的与AO平行或与BO垂直，并用于输出安平平面 4的X轴与Y轴方向上的倾角数据，并将该数据传输给主控板 11，然后由主控板 11来控制步进电机A 6和步进电机B 3来对安平平面 4进行调平。所述激光器5的发射激光方向与安平平面 4垂直且经过五棱镜 13后能够偏转90度，旋转机构10带动激光器5快速旋转，激光器5发出的激光经过五棱镜13后能够扫射出一个可以预先设定的激光平面。所述激光扫平仪2通过不断获取双轴倾角传感器7的倾角数据，控制步进电机A 6和步进电机B 3实现自动调节安平平面4 ，获取预先设置的激光平面，但由于激光扫平仪2 存在结构加工、装配误差以及数字双轴倾角传感器 7 受温度的影响等不可避免的会引入一定的误差，因此需要对激光扫平仪 2 的水平误差进行校正。
在一种实施方式中，一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准方法包括三个步骤，分别是数据接收，误差解算，水平校正。
数据接收阶段，首先将具有如图2所示特征的待校准激光扫平仪2的X轴方向垂直面对激光探测器15，并放在已经调平的水平转台1上；然后，打开激光扫平仪2和激光探测器15，待激光扫平仪2自动调平结束后，打开移动终端16并打开蓝牙功能分别与激光扫平仪2和激光探测器15连接；最后，通过移动终端16设置激光扫平仪进入水平误差自动校准状态，然后驱动水平转台1并以一定的角速度顺时针旋转360度，同时激光接收器15将激光扫平仪2扫射出的激光高度信息通过蓝牙传送至移动终端16。
误差解算阶段，需要说明的是移动终端16能够显示出激光扫平仪2随水平转台1在匀速旋转360度条件下扫射在固定的激光探测器15上的激光高度信息，可以用激光高度曲线描述。当激光扫平仪2存在水平角度误差时，移动终端16则显示出一个正弦状的激光高度曲线，其中水平轴为水平转台1的转动角度大小，垂直轴为扫射激光在激光探测器15上的高度大小，正弦的振幅大小H即为激光探测器15到激光扫平仪2的水平误差高度，角θ为激光扫射在激光探测器15上的初始高度到最高高度时水平转台转过的角度大小，即移动终端16上显示的检测高度由c点到d点时水平转台移动的角度为θ。基于角度θ，高度H，激光探测器15到激光扫平仪2的距离L以及螺纹螺栓A 6中心A到支点结构14中心O的距离AO四个变量，移动终端16中的解算模块能够分别解算出激光扫平仪2扫射出的激光面在X轴与Y轴方向上的倾角大小，进而计算出安平平面4分别在X轴和Y轴方向上的补偿角度大小，使得激光扫平仪2扫射出一个高精度的激光水平基准面。
水平校正阶段，将误差解算阶段获取的在X轴和Y轴方向上的补偿角度由移动终端16通过蓝牙传送到激光扫平仪2中主控板11的控制芯片内，重新实施数据接收步骤。较优地，在误差结算阶段，移动终端16上显示的激光高度曲线将近似于一条直线，曲线的最大高度大小H小于设定的精度大小时，则认为激光扫平仪2已校正完毕。若移动终端16上显示的激光高度曲线的最大高度未满足设定的精度值时，则重复实施数据接收、误差结算、水平校正三个过程，并将上次的补偿角度数据与这次补偿角度数据取平均后作为本次的水平校正数据。
Claims (2)
1.一种高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置，其特征在于，包括：水平转台（1）、激光探测器（15）、移动终端（16），激光扫平仪（2）是被校准对象，所述激光探测器（15）用于检测激光扫平仪（2）所扫射出的激光位置信息，所述水平转台（1）用于为激光扫平仪（2）提供一个水平旋转基面，所述移动终端（16）分别与激光扫平仪（2）和激光探测器（15）实现控制与数据传输，用于接收激光探测器（15）检测出的激光位置信息，并根据激光位置信息解算出激光扫平仪（2）存在水平误差时所需的校准角度，进而对激光扫平仪（2）进行水平校正；
采用所述的装置对激光扫平仪进行水平误差自动校准，方法如下：
数据接收过程，激光扫平仪（2）在工作状态下随水平转台（1）旋转时，移动终端（16）不断接收激光探测器（15）检测到的激光高度信息；
误差解算过程，移动终端（16）对接收到的激光高度信息进行处理，并解算出用于校正激光扫平仪（2）水平误差的补偿角度值；
水平校正过程，移动终端（16）将解算出的补偿角度值传送到激光扫平仪（2）中主控板（11）的控制芯片内，并进行水平校正；
所述数据接收过程包括如下步骤：
将激光扫平仪（2）的X轴方向垂直面对激光探测器（15），并放在调平的水平转台（1）上；
打开激光扫平仪（2）和激光探测器（15），待激光扫平仪（2）自动调平结束后，移动终端（16）分别与激光扫平仪（2）和激光探测器（15）无线连接；
通过移动终端（16）设置激光扫平仪（2）进入水平误差自动校准状态，然后驱动水平转台（1）并以一定的角速度旋转360度，同时激光探测器（15）将激光扫平仪（2）扫射出的激光高度信息传送至移动终端（16）；
所述移动终端（16）显示出激光扫平仪（2）随水平转台（1）在匀速旋转360度条件下扫射在固定的激光探测器（15）上的激光高度信息，当激光扫平仪（2）存在水平角度误差时，移动终端（16）则显示出一个正弦状的激光高度信息，其中水平轴为水平转台（1）的转动角度大小，垂直轴为扫射激光在激光探测器（15）上的高度大小，正弦的振幅大小H即为激光探测器（15）到激光扫平仪（2）的水平误差高度，角θ为激光扫射在激光探测器（15）上的初始高度到最高高度时水平转台转过的角度大小，即检测高度由c点到d点时水平转台移动的角度为θ；
所述误差解算过程是基于角度θ，高度H，激光探测器（15）到激光扫平仪（2）的距离L以及螺纹螺栓A（8）中心A到平衡支点（14）中心O的距离AO四个变量，移动终端（16）中的解算模块分别解算出激光扫平仪（2）扫射出的激光面在X轴与Y轴方向上的倾角大小，进而计算出安平平面（4）分别在X轴和Y轴方向上的补偿角度大小，使得激光扫平仪（2）扫射出一个高精度的激光水平基准面。
2.如权利要求1所述的高精度激光扫平仪的水平误差自动校准装置，其特征在于，所述激光扫平仪（2）包括步进电机A（6）、步进电机B（3）、螺纹螺栓A（8）、螺纹螺栓B（9）、平衡支点（14）、双轴倾角传感器（7）、主控板（11）、按键及显示器（12）、安平平面（4）、旋转机构（10）、激光器（5）、五棱镜（13）；所述螺纹螺栓A（8）、平衡支点（14）以及螺纹螺栓B（9）的中心点分别为点A、点O、点B，并且点A、点O和点B的水平连线构成一个等腰直角三角形，即角O为90度，AO等于BO，螺纹螺栓A（8）和螺纹螺栓B（9）分别固定在步进电机A（6）和步进电机B（3）的旋转轴上，主控板（11）通过驱动步进电机A（6）和步进电机B（3）旋转来调节安平平面（4）的水平程度或倾斜程度，其中步进电机A（6）用于控制安平平面（4）的X轴方向的倾角，步进电机B（3）用于控制安平平面（4）的Y轴方向的倾角，所述双轴倾角传感器（7）的安装位置与AO平行且与BO垂直，用于输出安平平面（4）的X轴与Y轴方向上的倾角数据，并将该倾角数据传输给主控板（11），然后由主控板（11）来控制步进电机A（6）和步进电机B（3）来对安平平面（4）进行调平；所述激光器（5）的发射激光方向与安平平面（4）垂直且经过五棱镜（13）后偏转90度，旋转机构（10）带动激光器（5）旋转，激光器（5）发出的激光经过五棱镜（13）后扫射出一个激光平面；所述激光扫平仪（2）通过不断获取双轴倾角传感器（7）的倾角数据，控制步进电机A（6）和步进电机B（3）实现自动调节安平平面（4），获取预先设置的激光平面。
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