CN1147083A

CN1147083A - 间接坐标测量方法及装置

Info

Publication number: CN1147083A
Application number: CN 96100722
Authority: CN
Inventors: 郝鹏威
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-04-09

Abstract

用于坐标测量的间接方法及装置，是通过测量被测量点到定点的距离、在定点上测量与定方向所成的角度来计算被测量点的二维或三维坐标值。本发明使得测量装置的成本比现有的直接测量装置大大降低，测量装置对所需工作环境的要求也大大降低，而且测量不产生积累误差，测量精度高。本发明可用于机械工程领域的测量、测绘、制造，也可用于土木工程领域的测量、测绘、目标精确定位，或者其它宏观或微观领域的坐标测量。

Description

间接坐标测量方法及装置

本发明涉及坐标测量的间接方法及装置。

从1973年7月31日公开的US-3,749,501“测量机”，到现在实际应用的各种坐标测量装置，无论是桥式的还是悬臂式的，都是通过测量测头运动到被测量点时在各个坐标轴方向上的位移量来直接测量出坐标值的。测量在各坐标轴方向上的位移分量，除了要求代表各坐标轴方向的导轨之间要严格相互垂直外，代表各坐标轴上位移的滑动机械也必须是对应每一坐标轴至少一套，这种多套具有严格相互垂直关系的组合的相对滑动机械的设计、加工都是工艺要求非常高的，而且其使用寿命都要相互受到影响。为了增加坐标测量的精度，减少机械滑动的误差和积累误差，采用了许多提高检测位移的精度和提高滑动机械的光滑度的方法，这些方法大大提高了其成本，且对工作环境的要求也提高了。而且，由于机械加工工艺的局限，再提高测量的精度将是很困难的了，同时，测量精度也会随着使用时间的延长使滑动机械发生磨损而下降。

本发明的目的在于从测量方法上进行改变，变传统的直接测量方法为间接测量方法，使得测量设备完全脱离上述现有测量设备的缺点，显著降低测量装置的成本和运行费用，并使其应用领域大大扩展。

本发明是通过测量从被测量点到若干定点的距离、在若干定点上测量与若干定方向所成的角度来计算出被测量点的二维或三维坐标值的。其实现步骤依次如下：

(a)选取至少一个定点，即固定测量点。对于小型精密坐标测量装置，定点可以在设计测量装置时被精确固定下来。

(b)当需要测量角度时，在至少一个定点上选取至少一个定方向，即固定的测量参考方向。定方向可以在设计测量装置时被精确固定下来。

(c)确定测量坐标系及确定在该坐标系中定点的坐标、定方向的向量。测量坐标系可选用方便于确定定点坐标、确定定方向向量和简化计算被测量点坐标值的坐标系。测量坐标系及定点和定方向在测量坐标系中的坐标和向量可以在设计测量装置时被精确固定下来，也可在实测时确定，也可用系统自检测功能测出和确定。

以上三步也可合并预先完成。

(d)测量与被测量点有关的几何量：被测量点到定点的距离、被测量点相对于定点的方向与在该定点上选取的定方向所成的角度或与以该定方向为法向的平面所成的角度。本步骤也可在前一步骤之前进行，即确定测量坐标系及定点坐标、定方向向量和测量与被测量点有关的几何量两步骤的执行前后顺序可交换。

(e)利用被测量点坐标与定点坐标、定方向向量、测得几何量之间的关系计算被测量点的坐标值。

(f)实际坐标变换。根据测量坐标系与实际坐标系之间的关系把计算得到的被测量点在测量坐标系内的坐标转换为在实际坐标系中的坐标。如果测量坐标系与实际坐标系相同，则此步可省。此步也可与前一步计算合并一次完成计算任务。

在a、b、c三步骤执行一次后，d、e、f三步骤可多次执行以测量多个被测量点的坐标。

本发明的优点是，由于没有高精度的滑动机械，本发明测量装置的成本比现有的直接测量装置大大降低，测量装置对所需工作环境的要求也大大降低，测量装置的运行也不产生磨损。而且由于对每一坐标点的测量与计算都是相互独立的，因此测量不产生积累误差，测量精度高。

图1为本发明测量装置的结构方框图。

图2是依据本发明测量二维坐标的一实施例的概略示意图。

图3是依据本发明测量三维坐标的一实施例的概略示意图。

图4是依据本发明测量三维坐标的一实施例的概略示意图。

图5是依据本发明测量三维坐标的一实施例的概略示意图。

图6是依据本发明测量三维坐标的一实施例的概略示意图。

参照附图1，从图中可以看出，间接坐标测量装置包括三部分：距离/角度的测量装置，坐标值的计算装置，坐标值的应用、存储、显示或其它形式的输出装置。距离/角度的测量可以采用机械的、或电子的、或电磁波的、或声学的、或光学的手段进行，也可以采用多种以上手段的组合进行。根据使用测量手段或测量传感器的不同及使用测量传感器数量的不同，本发明的间接坐标测量装置可有许许多多的变形，以下就是一些简单的实施例。

在图2的测量二维坐标一实施例的概略示意图中，该例为采用超声波距离测量手段的坐标测量系统。该系统在测量坐标系X轴的两个定点上安装了两个超声波接收传感器1、2，一个超声波发射传感器3安装在一个可以把它移动到被测量点的机械臂4上，机械臂4还可旋转发射传感器3使接收传感器1、2总是位于3的发射方向角范围之内。

其工作过程如下：控制机械臂4使发射传感器3移动到被测量点并旋转之使接收传感器1、2都位于3的发射方向角范围之内。然后，把相应计数器5、6清零，并启动3发射超声波同时也启动计数器5、6开始计数。当某一接收传感器接收到超声波时，立即对相应计数器发出停止计数脉冲使相应计数器停止计数。等所有计数器都停止计数后，把所有计数器的值读入到计数/距离转换器7中把计数值转换为相应的发射和接收传感器间的距离值。最后，把得到的两个距离值送到坐标计算装置8中进行二维坐标计算，并用坐标记录装置9把坐标值记录下来。这样就完成了一次二维坐标的测量。

在该系统中，如果增加接收传感器的数目并使之分布均匀，则可提高坐标的测量精度。同样，以下几例也可有类似的变形。

在图3的测量三维坐标一实施例的概略示意图中，和图2类似，该例也是采用超声波距离测量手段的坐标测量系统。该系统在测量坐标系的X轴和Y轴的三个定点上安装了三个超声波接收传感器1、2、3，一个超声波发射传感器4安装在一个可以把它移动到被测量点的机械臂5上，机械臂5还可旋转发射传感器4使接收传感器1、2、3总是位于4的发射方向角范围之内。

其工作过程如下：控制机械臂5使发射传感器4移动到被测量点并旋转之使接收传感器1、2、3都位于4的发射方向角范围之内。然后，把所有计数器6、7、8清零，并启动4发射超声波同时也启动所有计数器6、7、8开始计数。当某一接收传感器接收到超声波时，立即对相应计数器发出停止计数的脉冲使相应计数器停止计数。等所有计数器都停止计数后，把所有计数器的值读入到计数/距离转换器9中把计数值转换为相应的发射和接收传感器间的距离值。最后，把得到的三个距离值送到坐标计算装置10中进行三维坐标计算，并用坐标记录装置11把坐标值记录下来。这样，就完成了一次三维坐标的测量。

在图4的测量三维坐标一实施例的概略示意图中，该例为采用电磁距离测量手段的坐标测量系统。该系统在测量坐标系的X轴和Y轴的三个定点上安装了三个霍尔元件传感器1、2、3，一个微型强磁发生器4安装在一个可以把它移动到被测量点的机械臂5上。

其工作过程如下：控制机械臂5使强磁发生器4移动到被测量点。然后，启动4产生定量强磁。等4产生的磁场稳定后，启动所有A/D转换器6、7、8开始工作。A/D转换完毕再把所有A/D转换器的值读入到数值/距离转换器9中把数值转换为相应的定点和被测量点间的距离值。最后，把得到的三个距离值送到坐标计算装置10中进行三维坐标计算，并用坐标记录装置11把坐标值记录下来。这样，就完成了一次三维坐标的测量。

在图5的测量三维坐标一实施例的概略示意图中，该例为采用光学与机械相结合的距离测量手段的坐标测量系统。该系统在测量坐标系的X轴和Y轴的三个定点上安装了三个机械的测角传感器1、2、3，一个激光发生器4安装在一个可以移动它使它产生的激光能照射到被测量点上的机械臂5上。

其工作过程如下：控制机械臂5使激光发生器4移动到使它产生的激光能照射到被测量点6上。然后，控制测角传感器1、2、3使它们对准激光照射的被测量点6并且使测角传感器1、2、3输出所测角度量。接着启动所有A/D转换器7、8、9开始工作。A/D转换完毕后，把所有A/D转换器的值读入到数值/角度转换器10中把数值转换为被测量点相对于相应的定点的方向与定方向的角度值。最后，把得到的三个角度值送到坐标计算装置11中进行三维坐标计算，并用坐标记录装置12把坐标值记录下来。这样，就完成了一次三维坐标的测量。

在图6的测量三维坐标一实施例的概略示意图中，该例为采用距离测量手段和角度测量手段相结合的坐标测量系统。该系统在测量坐标系的X轴和Y轴的三个定点上安装了两个测角传感器1、2和一个测距传感器3，一个起定位作用的传感器4安装在一个可以把它移动到被测量点的机械臂5上。其中，测角传感器1、2能跟踪定位传感器4的位置输出角度量，测距传感器3能根据定位传感器4的位置输出距离量。其工作过程与前面所述几例类似，等A/D转换器6、7转换完毕且计数器8停止计数后，就把A/D转换器6、7的值读入到数值/角度转换器9中把数值转换为被测量点相对于相应的定点的方向与定方向所成的角度值，以及把计数器8的值读入到计数/距离转换器10中把计数值转换为相应的定点和被测量点间的距离值。最后，把得到的两个角度值和一个距离值送到坐标计算装置11中进行三维坐标计算，并用坐标记录装置12把坐标值记录下来。这样，就完成了一次三维坐标的测量。

实现本发明的最好方式，即减少测量误差的方法有：

(a)提高距离和角度测量的精度。

(b)选择比可以确定被测量点坐标的最少定点数多的定点进行测量。

(c)选择比可以确定被测量点坐标的最少定方向数多的定方向进行测量。

(d)定点的分布尽量均匀，定点间的距离与到被测量目标的距离尽量相近。

本发明可用于机械工程领域的测量、测绘、制造，也可用于土木工程领域的测量、测绘、目标精确定位，或者其它宏观或微观领域的坐标测量。

Claims

1.用于坐标测量的间接方法，包括以下几个步骤：

(a)选取至少一个定点；

(b)当需要测量角度时，在至少一个定点上选取至少一个定方向；

(c)确定测量坐标系及确定在该坐标系中定点的坐标、定方向的向量；

(d)测量与被测量点有关的几何量：被测量点到定点的距离、被测量点相对于定点的方向与在该定点上选取的定方向所成的角度或与以该定方向为法向的平面所成的角度；

(e)利用被测量点坐标与定点坐标、定方向向量、测得几何量之间的关系计算被测量点的坐标；

(f)实际坐标变换。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，a、b、c三步骤可合并预先完成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，c、d两步骤的执行顺序可交换。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，e、f两步骤可合并一次完成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，选取的测量坐标系与实际坐标系相同且不执行f步。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，a、b、c三步骤执行一次后，d、e、f三步骤可多次执行以测量多个被测量点的坐标。

7.用于间接坐标测量的装置，包括：距离/角度的测量装置；坐标值的计算装置；坐标值的应用、存储、显示或其它形式的输出装置。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，距离/角度的测量装置用于测量与被测量点有关的几何量：被测量点到定点的距离、被测量点相对于定点的方向与在该定点上选取的定方向所成的角度或与以该定方向为法向的平面所成的角度。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，在距离/角度的测量装置中，定点、定方向、测量坐标系是固定不变的。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，在距离/角度的测量装置中，定点、定方向、测量坐标系是实地测出和确定的。

11.根据权利要求7所述的装置，其中，坐标计算装置利用被测量点坐标与定点坐标、定方向向量、测得几何量之间的关系及测量坐标系与实际坐标系之间的关系计算被测量点的实际坐标。