專利名稱：一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，尤其涉及電子經(jīng) 緯儀測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。
技術(shù)背景空間大尺寸測(cè)量?jī)x器種類很多，包括經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)，激光測(cè)量 系統(tǒng)，攝影測(cè)量系統(tǒng)等，各類儀器測(cè)量原理不同，不同的測(cè)量原理導(dǎo) 致了對(duì)其測(cè)量精確度評(píng)價(jià)的不同方法，因而空間大尺寸測(cè)量?jī)x器的校 準(zhǔn)長(zhǎng)期以來(lái)都沒(méi)有完全成形的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家《JJG425-2003光學(xué)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程》禾卩《JJG100-2003全站型電子速測(cè)儀檢定規(guī)程》中，對(duì)單臺(tái)經(jīng)緯儀角度測(cè)量的校準(zhǔn)進(jìn)行了 規(guī)定，而由多臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成測(cè)量系統(tǒng)的空間坐標(biāo)測(cè)量的校準(zhǔn)卻未 作規(guī)定。在大尺寸測(cè)量?jī)x器中，目前研究較多的是有關(guān)激光跟蹤儀的校準(zhǔn) 方法，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院編寫的《基于激光的球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的性 能評(píng)價(jià)(征求意見(jiàn)稿)》、航空304所編寫的《大尺寸測(cè)量系統(tǒng)-激光 跟蹤儀校準(zhǔn)規(guī)范(報(bào)批稿)》，都對(duì)激光跟蹤儀的校準(zhǔn)做出了規(guī)定，其 測(cè)量方案如附圖1所示，其中使用了激光干涉儀110，參考鏡120， 激光跟蹤儀130，靶鏡140，長(zhǎng)導(dǎo)軌150，距離H:步驟l.準(zhǔn)備測(cè)量設(shè)施，包括激光干涉儀、直線度很好的長(zhǎng)導(dǎo)軌、 激光跟蹤儀；步驟2.將激光干涉儀置于長(zhǎng)導(dǎo)軌的一端，被校準(zhǔn)的激光跟蹤儀位 于長(zhǎng)導(dǎo)軌一側(cè)，與長(zhǎng)導(dǎo)軌橫向拉開距離H;步驟3.使靶鏡沿導(dǎo)軌移動(dòng)，根據(jù)校準(zhǔn)需要改變耙鏡的移動(dòng)距離， 并調(diào)整激光跟蹤儀的高度和與長(zhǎng)導(dǎo)軌間的距離H，同時(shí)由激光干涉儀 和激光跟蹤儀分別測(cè)得耙鏡移動(dòng)的距離；步驟4.將激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果作為參考值，計(jì)算激光跟蹤儀相 對(duì)于激光干涉儀的測(cè)量偏差；]t匕夕卜，美國(guó)國(guó)家豐示7隹《Performance Evaluation of Laser Based Spherical Coordinate Measurement Systems》對(duì)激光雖艮蹤儀的校準(zhǔn)進(jìn)行 了描述，測(cè)量方案如附圖2所示，其中使用了基準(zhǔn)軸21，目標(biāo)基準(zhǔn) 22，測(cè)量?jī)x器高度h，測(cè)量?jī)x器距離目標(biāo)基準(zhǔn)的距離D， 2個(gè)目標(biāo)基 準(zhǔn)之間的距離A，兩個(gè)基準(zhǔn)目標(biāo)a和b。步驟l.準(zhǔn)備測(cè)量設(shè)施，包括基準(zhǔn)尺、激光跟蹤儀；步驟2.在測(cè)量空間放置一基準(zhǔn)尺，尺長(zhǎng)A不小于2.3m，其兩端 點(diǎn)a和b的距離事先經(jīng)過(guò)標(biāo)定得到校準(zhǔn)值；步驟3.激光跟蹤儀安裝在與基準(zhǔn)尺軸線相垂直的一側(cè)，其高度h 與基準(zhǔn)尺的放置高度大致相同，且使其與基準(zhǔn)尺兩個(gè)端點(diǎn)的距離近似 相等。步驟4.變換激光跟蹤儀的位置和方向，對(duì)基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè) 量，測(cè)量結(jié)果與基準(zhǔn)尺的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并計(jì)算激光跟蹤儀相對(duì)于在以上列出的兩種激光跟蹤儀校準(zhǔn)方法中，方案一是采用長(zhǎng)導(dǎo)軌上移動(dòng)的靶鏡作為比較媒介，以激光干涉儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，測(cè)得激光跟 蹤儀的測(cè)量偏差。此方法操作時(shí)受長(zhǎng)導(dǎo)軌方向的限制，測(cè)量范圍只能 沿一維方向延伸，而電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)，則需要在水平360。，俯仰 士45。的范圍內(nèi)，沿任意方向進(jìn)行校準(zhǔn)。因此方案一不適用于電子經(jīng)緯 儀測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。方案二突破了導(dǎo)軌方向的限制，代之以可靈活放 置的基準(zhǔn)尺，滿足了對(duì)任意方向和角度的校準(zhǔn)要求。但由于基準(zhǔn)尺是
實(shí)物基準(zhǔn)，其長(zhǎng)度不宜過(guò)大(一般在3m以內(nèi))，否則，不僅基準(zhǔn)尺
標(biāo)定困難，當(dāng)溫度等環(huán)境條件發(fā)生變化或者尺身發(fā)生變形時(shí)，都會(huì)使 標(biāo)定值失準(zhǔn)，基準(zhǔn)尺過(guò)長(zhǎng)還會(huì)造成攜帶不便。因此該方案無(wú)法滿足電 子經(jīng)緯儀系統(tǒng)在數(shù)十米范圍上的校準(zhǔn)需求。
到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)其它電子經(jīng)緯儀空間三維坐標(biāo)測(cè)量校準(zhǔn) 研究的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種電子經(jīng)緯儀校準(zhǔn)用的方法，
滿足電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)在水平360。，俯仰士45。角度內(nèi)，沿任意方向 在數(shù)十米范圍上進(jìn)行校準(zhǔn)的需要，并且，要求應(yīng)用于校準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)的 坐標(biāo)值可以用精度更高的儀器實(shí)時(shí)的修正，以保證高的校準(zhǔn)精度和降 低對(duì)基準(zhǔn)放置點(diǎn)環(huán)境的依賴。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為 一種電子經(jīng)緯 儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，包括如下歩驟儀一臺(tái)，多臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成的待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)一套，靶標(biāo) 是能夠同時(shí)滿足激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀測(cè)量要求的專用靶標(biāo)；
激光雷達(dá)掃描儀放置于實(shí)驗(yàn)室中間；
電子經(jīng)緯儀均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍。
步驟2、用激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)賦值，組成標(biāo)準(zhǔn)器具組； 由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)g P"依次進(jìn)行測(cè)量，得到激光雷達(dá)掃 描儀坐標(biāo)系下各靶標(biāo)的空間三維坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，記錄為(X,標(biāo)，》標(biāo)，Zl
標(biāo))，(x2標(biāo)，y2標(biāo)，z2標(biāo))......(xn標(biāo)，yn標(biāo)，zn標(biāo))；
步驟3、被校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)靶標(biāo)得到測(cè)量值；
首先由電子經(jīng)緯儀在測(cè)量坐標(biāo)系下對(duì)靶標(biāo)S P 依次進(jìn)行測(cè)量， 得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)空間三維坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值；對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行 3次測(cè)量，每次測(cè)量需要對(duì)經(jīng)緯儀系統(tǒng)的位置進(jìn)行調(diào)整，得到3種不 同狀態(tài)下測(cè)量值，對(duì)于每一種狀態(tài)下的一組測(cè)量值，用以下步驟進(jìn)行 處理，得到每種狀態(tài)下每個(gè)測(cè)量值的相對(duì)誤差；
步驟4、將電子經(jīng)緯儀的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐 標(biāo)系下；通過(guò)歩驟4.1 4.2完成；
步驟4.1、電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系和激光雷達(dá)掃描儀的測(cè) 量坐標(biāo)系關(guān)系的確定通過(guò)步驟4丄1 步驟4丄3完成；
步驟4丄1、布置基準(zhǔn)尺，這些基準(zhǔn)尺上的耙標(biāo)，作為公共標(biāo)志占.
八、"
步驟4丄2、激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀分別測(cè)量公共標(biāo)志點(diǎn)， 分別得到公共標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；步驟4丄3、根據(jù)公共點(diǎn)在兩種儀器的測(cè)量坐標(biāo)系下的測(cè)量值， 利用迭代解算的方法可以得到兩個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系，主要包括坐標(biāo)系角度 旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)系平移，按照這種關(guān)系電子經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)就可以轉(zhuǎn) 換到激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下；
步驟4.2、電子經(jīng)諱儀系統(tǒng)的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換；利用上述的關(guān)系， 將電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)得到的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換為激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下 的值，得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值(x,轉(zhuǎn)，y]轉(zhuǎn)，z,轉(zhuǎn))，(X2轉(zhuǎn)，y2& z2 )
步驟5、經(jīng)轉(zhuǎn)換的電子經(jīng)緯儀測(cè)量值與其標(biāo)準(zhǔn)值比較，并通過(guò)以 下步驟，分析得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量偏差及測(cè)量不確定度評(píng)
步驟5.1、點(diǎn)集比較轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較:
步驟5.2、求得轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的空間坐標(biāo)綜合偏差，
<formula>formula see original document page 10</formula> 步驟5.3、標(biāo)準(zhǔn)極徑計(jì)算激光雷達(dá)測(cè)量?jī)x測(cè)得的各靶標(biāo)極徑丄,，<formula>formula see original document page 10</formula>步驟5.4、空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差計(jì)算；
耙標(biāo)P,的空間坐標(biāo)綜合偏差D,與其標(biāo)準(zhǔn)極徑丄,的比值D, /丄,即 為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該點(diǎn)的空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差。A/丄,， /)2/丄2，…，D16/￡16，……中的最大值即為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)空 間坐標(biāo)測(cè)量的最大相對(duì)誤差，然后取3種不同狀態(tài)下測(cè)量結(jié)果中最大相對(duì)誤差的最大值；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其
中在步驟1中，實(shí)驗(yàn)室是選用20mxl0mxl0m左右，場(chǎng)地內(nèi)采光良好，四周固定靶標(biāo)的墻體堅(jiān)實(shí)牢固的實(shí)驗(yàn)室；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在步驟1中，每臺(tái)電子經(jīng)緯儀距激光雷達(dá)掃描儀1.5m左右,電子經(jīng)緯儀高度調(diào)整至實(shí)驗(yàn)者操作方便的高度；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在步驟1中，待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)由4臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成時(shí)，按相互間隔90。均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在步驟1中，耙標(biāo)數(shù)量在16 30之間，設(shè)置靶標(biāo)時(shí)，高低方向上須控制在每臺(tái)經(jīng)緯儀的觀測(cè)角都為±45°內(nèi)；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在歩驟2中，由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)Pi P"依次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)3次測(cè)量取平均值。
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在步驟3中，電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)空間三維坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)2或4次測(cè)量取平均值，測(cè)量時(shí)均方根誤差控制在0.05mm以內(nèi)；
如上所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其中在步驟4丄1中，基準(zhǔn)尺分別取電子經(jīng)緯儀最短工作距離1.5m左右和實(shí)驗(yàn)空間允許的最大距離處放置，并放置于最低處，觀測(cè)角接近一45° ，和最高處，觀測(cè)角接近+ 45°的不同位置。本發(fā)明的有益效果在于
提供了一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，滿足電子
經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)在水平360。，俯仰±45°角度內(nèi)，沿任意方向在數(shù)十米
范圍上進(jìn)行校準(zhǔn)的需要，其中，使用了精度更高的如激光雷達(dá)掃描儀實(shí)時(shí)修正，保證了高的校準(zhǔn)精度和降低對(duì)基準(zhǔn)靶標(biāo)放置點(diǎn)環(huán)境的依賴性。
圖1是激光跟蹤儀校準(zhǔn)方案1示意圖；圖2是激光跟蹤儀校準(zhǔn)方案2示意圖3是測(cè)量流程圖4是球缺靶標(biāo)主視圖5是球缺靶標(biāo)左視圖6是半球靶標(biāo)主視圖7是半球靶標(biāo)左視圖8是兩種儀器對(duì)靶標(biāo)測(cè)量示意圖9是球缺耙標(biāo)和底座結(jié)合使用時(shí)的主視圖IO是球缺靶標(biāo)和底座結(jié)合使用時(shí)的左視圖11是校準(zhǔn)時(shí)空間靶標(biāo)布局示意圖12是半球靶標(biāo)和基準(zhǔn)尺結(jié)合使用時(shí)的主視圖13是半球靶標(biāo)和基準(zhǔn)尺結(jié)合使用時(shí)的俯視圖；圖14是基準(zhǔn)尺上的工裝主視圖；圖15是基準(zhǔn)尺上的工裝剖視其中，110激光干涉儀，120參考鏡，130激光跟蹤儀，140靶鏡，150長(zhǎng)導(dǎo)軌，H距離，21基準(zhǔn)軸，22目標(biāo)基準(zhǔn)，h測(cè)量?jī)x器高度，D測(cè)量?jī)x器距離目標(biāo)基準(zhǔn)的距離，A 2個(gè)目標(biāo)基準(zhǔn)之間的距離，a基準(zhǔn)目標(biāo)，b基準(zhǔn)目標(biāo)，R為球半徑，Z為兩個(gè)切割面交線與球心的距離，ZA為兩個(gè)切割面的夾角，31電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)，32電子經(jīng)緯儀，33靶標(biāo)，34激光雷達(dá)掃描儀，41環(huán)形目標(biāo)，42球缺靶標(biāo)，43磁石，44底座，L校準(zhǔn)空間的長(zhǎng)度，M校準(zhǔn)空間的寬度，H校準(zhǔn)空間的高度，61環(huán)狀目標(biāo)，62球狀靶標(biāo)，63測(cè)量桿，64手柄，65工裝。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)校準(zhǔn)的基本原理如圖8所示，其中包括，靶標(biāo)33，電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)32，激光雷達(dá)掃描儀34，電子經(jīng)緯儀32，基本原理就是利用高精度的激光雷達(dá)掃描儀34對(duì)粑標(biāo)進(jìn)行定位，利用此數(shù)據(jù)對(duì)電子經(jīng)緯儀進(jìn)行評(píng)判，由于靶標(biāo)對(duì)兩種儀器都是標(biāo)示著空間的同一點(diǎn)，所以得到的結(jié)果可信度高。
測(cè)量流程如圖3所示，本校準(zhǔn)方法的具體歩驟為
步驟1、放置儀器和耙標(biāo)；
在校準(zhǔn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置儀器和靶標(biāo)，儀器包括激光雷達(dá)掃描儀一臺(tái)，多臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成的待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)--,，靶標(biāo)是能夠同時(shí)被激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀測(cè)量且對(duì)不同測(cè)量?jī)x器反應(yīng)空間同一點(diǎn)坐標(biāo)的專用靶標(biāo)；
激光雷達(dá)掃描儀放置于實(shí)驗(yàn)室中間；
電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)電子經(jīng)緯儀均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍。
在步驟1中，實(shí)驗(yàn)室通常是選用20mxl0mxl0m左右的測(cè)量空間，場(chǎng)地內(nèi)采光良好，四周固定靶標(biāo)的墻體堅(jiān)實(shí)牢固的實(shí)驗(yàn)室，以保證得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
此外，通常經(jīng)緯儀系統(tǒng)中每?jī)膳_(tái)電子經(jīng)緯儀間的距離控制在3m 4m內(nèi)互瞄精度較高，所以將每臺(tái)電子經(jīng)緯儀放置于距激光雷達(dá)掃描儀1.5m左右，這樣可以保證電子經(jīng)緯儀的互瞄精度，電子經(jīng)緯儀高度調(diào)整至實(shí)驗(yàn)者操作方便的高度。
電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)中電子經(jīng)緯儀的組成臺(tái)數(shù)是不一定的，但是其臺(tái)數(shù)不影響本校準(zhǔn)方法的使用。
電子經(jīng)緯儀由于工作過(guò)程中會(huì)自行確認(rèn)各臺(tái)經(jīng)緯儀的確切位置，所以放置電子經(jīng)緯儀時(shí)不需要十分精確，大致均勻的放置于激光雷達(dá)掃描儀四周即可，如待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)由4臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成時(shí)，按相互間隔90。均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍。
靶標(biāo)數(shù)量和位置根據(jù)實(shí)驗(yàn)空間大小和環(huán)境條件靈活設(shè)定，數(shù)量在16 30之間，設(shè)置耙標(biāo)時(shí)，高低方向上須照顧到經(jīng)緯儀測(cè)量的俯仰角度范圍，控制在每臺(tái)經(jīng)緯儀的觀測(cè)角都為±45°內(nèi)；實(shí)際布置方法的示意圖如圖8所示；其中，1 16測(cè)試用靶標(biāo)，L長(zhǎng)20m， M寬14m， N高7m;步驟2、用激光雷達(dá)掃描儀對(duì)耙標(biāo)賦值，組成標(biāo)準(zhǔn)器具組；由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)P, P^依次進(jìn)行測(cè)量，得到激光雷達(dá)掃
描儀坐標(biāo)系下各靶標(biāo)的空間三維坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，記錄為(&標(biāo)，yltt， Zl
標(biāo))，(X2標(biāo)，y 2標(biāo)，Z2標(biāo))(Xn標(biāo)，y n標(biāo)，Zn標(biāo))；
在歩驟2中，由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)耙標(biāo)S P"依次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以是每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)3次測(cè)量取平均值。
步驟3、被校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)靶標(biāo)得到測(cè)量值；
首先由電子經(jīng)緯儀在測(cè)量坐標(biāo)系下對(duì)靶標(biāo)P, P"依次進(jìn)行測(cè)量，得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)空間三維坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值；對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行3次測(cè)量，每次測(cè)量需要對(duì)經(jīng)緯儀系統(tǒng)的位置進(jìn)行調(diào)整，得到3種不同狀態(tài)下測(cè)量值，對(duì)于每一種狀態(tài)下的一組測(cè)量值，用以下步驟進(jìn)行處理，得到每種狀態(tài)下每個(gè)測(cè)量值的相對(duì)誤差；
在步驟3中，具體操作時(shí)，可以是電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)耙標(biāo)空間三維坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)2或4次測(cè)量取平均值，測(cè)量時(shí)均方根誤差控制在0.05mm以內(nèi)；
歩驟4、將電子經(jīng)緯儀的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系下；通過(guò)步驟4.1 4.2完成；
步驟4.1、電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系和激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系關(guān)系的確定通過(guò)歩驟4丄1 步驟4丄3完成；
步驟4丄1、布置基準(zhǔn)尺，這些基準(zhǔn)尺上的靶標(biāo)，作為公共標(biāo)志
點(diǎn)；
基準(zhǔn)尺布置在電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)和激光雷達(dá)掃描儀都能夠測(cè)量的地方。
在步驟4丄1中，基準(zhǔn)尺可分別取電子經(jīng)緯儀最短工作距離1.5m
左右和實(shí)驗(yàn)空間允許的最大距離處放置，并盡量放置于最低處，即觀
測(cè)角接近一45° ，和最高處，即觀測(cè)角接近+45°的不同位置。
這樣的點(diǎn)用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，可以保證得到的轉(zhuǎn)換公式能最大限度 的適用于所有的測(cè)量點(diǎn)。
步驟4丄2、激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀分別測(cè)量公共標(biāo)志點(diǎn)， 分別得到公共標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；
步驟4丄3、根據(jù)公共點(diǎn)在兩種儀器的測(cè)量坐標(biāo)系下的測(cè)量值， 利用迭代解算的方法可以得到兩個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系，主要包括坐標(biāo)系角度 旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)系平移，按照這種關(guān)系電子經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)就可以轉(zhuǎn) 換到激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下；
步驟4.2、電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換；利用上述的關(guān)系， 將電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)得到的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換為激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下 的值，得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值 (xi轉(zhuǎn)，yi轉(zhuǎn)，zi轉(zhuǎn))，(X2轉(zhuǎn)，y2轉(zhuǎn)，Z2轉(zhuǎn))......
(Xn轉(zhuǎn)，yn轉(zhuǎn)，Zn轉(zhuǎn))；
步驟5、經(jīng)轉(zhuǎn)換的電子經(jīng)緯儀測(cè)量值與其標(biāo)準(zhǔn)值比較，并通過(guò)以 下步驟，分析得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量偏差及測(cè)量不確定度評(píng) 估；
步驟5.1、點(diǎn)集比較轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較
轉(zhuǎn)-Xi標(biāo)，Ay! 二yi轉(zhuǎn)-yi標(biāo)，Azi 二Zi轉(zhuǎn)-Zi標(biāo)，《 = 1 "， 步驟5.2、求得轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的空間坐標(biāo)綜合偏差，D, = ^/( Ax,)2 + ( Ay》2 + ( Az,)2 ，/ =卜"； 步驟5.3、標(biāo)準(zhǔn)極徑計(jì)算激光雷達(dá)測(cè)量?jī)x測(cè)得的各耙標(biāo)極徑丄,，
步驟5.4、空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差計(jì)算；
耙標(biāo)g的空間坐標(biāo)綜合偏差",與其標(biāo)準(zhǔn)極徑丄,的比值D, /丄,即 為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該點(diǎn)的空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差。Q/丄i， /)2/丄2，…，"16/丄16，……中的最大值即為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)空
間坐標(biāo)測(cè)量的最大相對(duì)誤差；
在以上方法中提及的靶標(biāo)是特制的靶標(biāo)，具體如下所述 一種情況下
此靶標(biāo)為將一個(gè)半徑30mm的鋼球，沿最大截圓平面切入八分之 五的深度，然后沿與最大截圓平面呈120°方向進(jìn)行切除所形成的球 缺，如圖4所示，其中，R為球半徑，Z為兩個(gè)切割面交線與球心的 距離，ZA為兩個(gè)切割面的夾角。
球缺是篩選過(guò)的，中心球冠高為半徑大小，公差范圍為-0.02mm -0.05mm之內(nèi)。
在過(guò)球心的平面上粘貼有紙質(zhì)環(huán)形目標(biāo)，紙質(zhì)環(huán)形目標(biāo)圖案為三 個(gè)同心圓，中心畫有十字線。中心圓為直徑lmm，線寬0.4mm，第 二個(gè)圓為直徑8mm，線寬lmm，外圓為直徑16mm，線寬3mm，三 個(gè)圓同心度小于0.003mm，中心十字線長(zhǎng)20mm，寬0.2mm。
此過(guò)程中需要在萬(wàn)能工具顯微鏡下對(duì)靶標(biāo)找中心，利用專用工裝 保證耙標(biāo)回轉(zhuǎn)的情況下中心位置不變。將紙質(zhì)耙標(biāo)粘貼球心所在平面，盡量保證靶標(biāo)中心與球同心，并且利用萬(wàn)能工具顯微鏡對(duì)其進(jìn)行 檢驗(yàn)。
并且粘貼后需要測(cè)量粘貼靶標(biāo)后中心點(diǎn)球冠高，球冠高要求與球
半徑差小于0.01mm，不滿足要求的在靶標(biāo)中心粘入紙片，調(diào)整到半 球矢高與標(biāo)準(zhǔn)半徑差小于0.005mm。
靶標(biāo)放置于底座上，如圖9所示，其中，環(huán)形目標(biāo)41，半球靶 標(biāo)42，磁石43，底座44，底座由直徑30mm，長(zhǎng)60mm的圓柱形45 鋼加工而成，圓柱一端加工直徑20mm，深8mm的孔，用于放置靶 標(biāo)，孔的外邊緣倒出和靶標(biāo)配合的光滑圓角，內(nèi)部加工出直徑10mm， 深10mm的階梯？L，在階梯孔中填充適當(dāng)大小的磁石，整個(gè)工件發(fā)黑 處理。
由于磁石的磁性傳導(dǎo)，球缺靶標(biāo)被吸附在底座上，在施加外力情 況下可以在孔中順暢的旋轉(zhuǎn)。
上述的靶標(biāo)和底座放置于距離電子經(jīng)緯儀10m處左右后，即使 左右旋轉(zhuǎn)，環(huán)形靶標(biāo)的中心位移量也會(huì)很小，可以供電子經(jīng)緯儀校準(zhǔn) 用。
另一種情況下
為一個(gè)半球耙，是將半徑為30mm鋼球切除一半形成的，如圖6
所示，其中R為球半徑。
半球是篩選過(guò)的，中心球冠高為半徑大小，公差范圍為-0.02mm -0.05mm之內(nèi)。
在過(guò)球心的平面上粘貼有紙質(zhì)環(huán)形目標(biāo)，紙質(zhì)環(huán)形目標(biāo)圖案為三個(gè)同心圓，中心畫有十字線。中心圓為直徑lmm，線寬0.4mm，第 二個(gè)圓為直徑8mm，線寬lmm，外圓為直徑16mm，線寬3mm，三 個(gè)圓同心度小于0.003mm，中心十字線長(zhǎng)20mm，寬0.2mm。
此過(guò)程中需要在萬(wàn)能工具顯微鏡下對(duì)靶標(biāo)找中心，利用專用工裝 保證靶標(biāo)回轉(zhuǎn)的情況下中心位置不變。將紙質(zhì)靶標(biāo)粘貼球心所在平 面，盡量保證靶標(biāo)中心與球同心，并且利用萬(wàn)能工具顯微鏡對(duì)其進(jìn)行 檢驗(yàn)。
并且粘貼后需要測(cè)量粘貼耙標(biāo)后中心點(diǎn)球冠高，球冠高要求與球 半徑差小于0.01mm，不滿足要求的在靶標(biāo)中心粘入紙片，調(diào)整到半 球矢高與標(biāo)準(zhǔn)半徑差小于0.005mm。
此半球耙放置于基準(zhǔn)尺兩端，如圖12所示，其中，環(huán)狀目標(biāo)61， 球狀靶標(biāo)62，基準(zhǔn)尺長(zhǎng)1148.726mm，當(dāng)然根據(jù)需求可以對(duì)基準(zhǔn)尺長(zhǎng) 進(jìn)行選取，最好控制在900mm 1200mm內(nèi)?；鶞?zhǔn)尺過(guò)短會(huì)影響校準(zhǔn) 的效果，太長(zhǎng)的話不僅基準(zhǔn)尺標(biāo)定困難，當(dāng)溫度等環(huán)境條件發(fā)生變化 或者尺身發(fā)生變形時(shí)，都會(huì)使標(biāo)定值失準(zhǔn)，基準(zhǔn)尺過(guò)長(zhǎng)還會(huì)造成攜帶 不便?；鶞?zhǔn)尺中間安裝有手柄，兩端固連有放置如上所述靶標(biāo)的工裝， 工裝是能保證靶標(biāo)的球面和平面都能被觀測(cè)到的環(huán)形結(jié)構(gòu)，工裝如附 圖11所示，此處，工裝為L(zhǎng)形鋼，長(zhǎng)邊長(zhǎng)46mm，寬38mm，厚4mm; 長(zhǎng)邊中心加工有階梯孔，小孔直徑28mm，沉孔直徑31mm，深3mm; L形鋼短邊長(zhǎng)14mm，寬38mm，厚8mm，中心加工有直徑為5mm 的孔，沉孔直徑7mm，深2mm用于加裝緊固螺釘。
當(dāng)然，半球靶標(biāo)也可以和底座配合使用，球缺靶標(biāo)也可以和基準(zhǔn)尺配合使用。
具體測(cè)試時(shí)布置耙標(biāo)的方式如圖11所示，其中，測(cè)試用靶標(biāo)
1 16，長(zhǎng)L為20m，寬M為14m，高N為7m， 一方面在空間上布 置若干靶標(biāo)，利用靶標(biāo)中心反應(yīng)空間坐標(biāo)點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)， 激光雷達(dá)掃描儀作為空間坐標(biāo)量值傳遞裝置，得到各個(gè)靶標(biāo)空間坐標(biāo) 標(biāo)準(zhǔn)值，然后經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比 較完成對(duì)經(jīng)緯儀系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程。
另一方面，為了方便激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn) 的需求，利用半球靶標(biāo)制作了多用途基準(zhǔn)尺，方便不同儀器的現(xiàn)場(chǎng)校 準(zhǔn)需求，即基準(zhǔn)尺可以有兩個(gè)方面的用途， 一是在進(jìn)行上述校準(zhǔn)之前 對(duì)激光雷達(dá)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證激光雷達(dá)掃描儀的結(jié)果的可靠 性，二是可以直接用于電子經(jīng)緯儀的校準(zhǔn)。
除了上述靶標(biāo)和基準(zhǔn)尺外，此方法也可以使用能夠滿足本方法要 求的其它靶標(biāo)和基準(zhǔn)尺。
權(quán)利要求
1.一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，包括如下步驟步驟1、放置儀器和靶標(biāo)在進(jìn)行校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置儀器和靶標(biāo)，儀器包括激光雷達(dá)掃描儀一臺(tái)，多臺(tái)電子經(jīng)緯儀組成的待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)一套，靶標(biāo)是能夠同時(shí)滿足激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀測(cè)量要求的專用靶標(biāo)；激光雷達(dá)掃描儀放置于實(shí)驗(yàn)室中間；電子經(jīng)緯儀均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍；步驟2、用激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)賦值，組成標(biāo)準(zhǔn)器具組；由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)P1～Pn依次進(jìn)行測(cè)量，得到激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下各靶標(biāo)的空間三維坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，記錄為(x1標(biāo)，y1標(biāo)，z1標(biāo))，(x2標(biāo)，y2標(biāo)，z2標(biāo))……(xn標(biāo)，yn標(biāo)，zn標(biāo))；步驟3、被校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)靶標(biāo)得到測(cè)量值；首先由電子經(jīng)緯儀在測(cè)量坐標(biāo)系下對(duì)靶標(biāo)P1～Pn依次進(jìn)行測(cè)量，得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)空間三維坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值；對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行3次測(cè)量，每次測(cè)量需要對(duì)經(jīng)緯儀系統(tǒng)的位置進(jìn)行調(diào)整，得到3種不同狀態(tài)下測(cè)量值，對(duì)于每一種狀態(tài)下的一組測(cè)量值，用以下步驟進(jìn)行處理，得到每種狀態(tài)下每個(gè)測(cè)量值的相對(duì)誤差；步驟4、將電子經(jīng)緯儀的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系下；通過(guò)步驟4.1～4.2完成；步驟4.1、電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系和激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系關(guān)系的確定通過(guò)步驟4.1.1～步驟4.1.3完成；步驟4.1.1、布置基準(zhǔn)尺，這些基準(zhǔn)尺上的靶標(biāo)，作為公共標(biāo)志點(diǎn)；步驟4.1.2、激光雷達(dá)掃描儀和電子經(jīng)緯儀分別測(cè)量公共標(biāo)志點(diǎn)，分別得到公共標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；步驟4.1.3、根據(jù)公共點(diǎn)在兩種儀器的測(cè)量坐標(biāo)系下的測(cè)量值，利用迭代解算的方法可以得到兩個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系，主要包括坐標(biāo)系角度旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)系平移，按照這種關(guān)系電子經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)就可以轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下；步驟4.2、電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換；利用上述的關(guān)系，將電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)得到的測(cè)量值的轉(zhuǎn)換為激光雷達(dá)掃描儀坐標(biāo)系下的值，得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值(x1轉(zhuǎn)，y1轉(zhuǎn)，z1轉(zhuǎn))，(x2轉(zhuǎn)，y2轉(zhuǎn)，z2轉(zhuǎn))……(xn轉(zhuǎn)，yn轉(zhuǎn)，zn轉(zhuǎn))；步驟5、經(jīng)轉(zhuǎn)換的電子經(jīng)緯儀測(cè)量值與其標(biāo)準(zhǔn)值比較，并通過(guò)以下步驟，分析得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量偏差及測(cè)量不確定度評(píng)估；步驟5.1、點(diǎn)集比較轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較Δxi＝xi轉(zhuǎn)-xi標(biāo)，Δyi＝y(tǒng)i轉(zhuǎn)-yi標(biāo)，Δzi＝zi轉(zhuǎn)-zi標(biāo)，i＝1～n，步驟5.2、求得轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的空間坐標(biāo)綜合偏差，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>Δx</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>Δ</mi> <msub><mi>y</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>Δ</mi> <msub><mi>z</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008101474410003C1.tif" wi="62" he="7" top= "238" left = "53" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>i＝1～n；步驟5.3、標(biāo)準(zhǔn)極徑計(jì)算激光雷達(dá)測(cè)量?jī)x測(cè)得的各靶標(biāo)極徑Li， id="icf0002" file="A2008101474410003C2.tif" wi="40" he="8" top= "260" left = "65" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>i＝1～n；步驟5.4、空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差計(jì)算；靶標(biāo)Pi的空間坐標(biāo)綜合偏差Di與其標(biāo)準(zhǔn)極徑Li的比值Di/Li即為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該點(diǎn)的空間坐標(biāo)測(cè)量相對(duì)誤差。|D1/L1，D2/L2，…，D16/L16，……中的最大值即為電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)空間坐標(biāo)測(cè)量的最大相對(duì)誤差，然后取3種不同狀態(tài)下測(cè)量結(jié)果中最大相對(duì)誤差的最大值。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟1中，實(shí)驗(yàn)室是選用20mxl0mxl0m左 右，場(chǎng)地內(nèi)采光良好，四周固定靶標(biāo)的墻體堅(jiān)實(shí)牢固的實(shí)驗(yàn)室。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟1中，每臺(tái)電子經(jīng)緯儀距激光雷達(dá)掃描 儀1.5m左右,電子經(jīng)緯儀高度調(diào)整至實(shí)驗(yàn)者操作方便的高度。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟1中，待校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)由4臺(tái) 電子經(jīng)緯儀組成時(shí)，按相互間隔90。均布在激光雷達(dá)掃描儀周圍。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟1中，靶標(biāo)數(shù)量在16 30之間，設(shè)置 靶標(biāo)時(shí)，高低方向上須控制在每臺(tái)經(jīng)緯儀的觀測(cè)角都為±45°內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟2中，由激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)g P。 依次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)3次測(cè)量取平均值。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其特征在于在歩驟3中，電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)空間 三維坐標(biāo)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)2或4次測(cè)量取平均值，測(cè)量時(shí)均方根誤差控制在0.05mm以內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征在于在步驟4丄1中，基準(zhǔn)尺分別取電子經(jīng)緯儀最 短工作距離1.5m左右和實(shí)驗(yàn)空間允許的最大距離處放置，并放置于 最低處，觀測(cè)角接近一45。，和最高處，觀測(cè)角接近+45°的不同位置。
全文摘要
本發(fā)明是一種電子經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，旨在滿足電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)在水平360°，俯仰±45°角度內(nèi)，沿任意方向在數(shù)十米范圍上進(jìn)行校準(zhǔn)的需要。本發(fā)明包括如下步驟步驟1.放置儀器和靶標(biāo)；步驟2.用激光雷達(dá)掃描儀對(duì)靶標(biāo)賦值，組成標(biāo)準(zhǔn)器具組；步驟3.被校準(zhǔn)的電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)靶標(biāo)得到測(cè)量值；步驟4.將電子經(jīng)緯儀的測(cè)量值轉(zhuǎn)換到激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)量坐標(biāo)系下；步驟5.經(jīng)轉(zhuǎn)換的電子經(jīng)緯儀測(cè)量值與其標(biāo)準(zhǔn)值比較，并通過(guò)軟件分析得到電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量偏差及測(cè)量不確定度評(píng)估。本發(fā)明滿足電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)在水平360°，俯仰±45°角度內(nèi)，沿任意方向在數(shù)十米范圍上進(jìn)行校準(zhǔn)的需要。
文檔編號(hào)G01B7/00GK101655344SQ20081014744
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者勇 劉, 芳 方, 晴 殷, 沈兆欣, 燕 賀, 陳曉暉 申請(qǐng)人:北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所