经纬仪大尺寸柔性三坐标测量系统的开发与应用.pdf

第卷第期增刊仪器仪表学报年月经纬仪大尺寸柔性三坐标测量系统的开发与应用黄桂平卜叶声华李广云天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津解放军信息工程大学测绘学院郑州陈继华“摘要介绍了自主开发的基于多台两台以上 电子经纬仪全站仪组成的大尺寸柔性三坐标测量 系统的系统设计思想、数学原理以及系统的构成与功能。测试表明该系统点位测量不确定度可达,并概略介绍了系统在某航天器推进舱检测 中的应 用。关键词电子经纬仪大尺寸柔性三坐标测量系统系统定向三维网平差在线测量圆度、卿材舒乙,勺二,。州乙对,刀石,一引言随着近年来我国航空、航天部 门企业技术改造 的进行,已从 国外引进了近百套成熟 的大尺寸三坐标测量 系统,其 中以瑞士公 司 的经 纬仪测量系统、和居多。国内以往的研究与应用主要是针对两 台传感器的,由于受硬件条件的限制,对多台传感器以及既有角度又有距离的混合传感器构成系统的研究与实现比较少。本文着重解决的问题则是对多台仪器构成混合测量系统的研究,并开发出 了经纬仪大尺 寸柔性三坐标测量系统。电子经纬仪或全站仪构成的混合测量系统。该系统以经纬仪或全站仪为传感器,最终获取目标点的空间三维坐标,利用数据库管理测量数据,并可对测量数据进行几何量计算与形位误差的分析。系统基本配置的基本硬件配置主要为两台或多台电子经纬仪或全站仪、等、以上台式或便携机一台、多路串口转换卡、一个、基准尺一根、激光目镜及照准标志、与电子经纬仪相配套的高稳定度脚架、联机电缆等构成。系统软件功能介绍系统设计基本思想系统软件功能主要包括以下几个内容经纬仪大尺寸三坐标测量系统是 由多台设备联机仪器仪表学报第卷由计算机 对 经 纬 仪 完 成各项 初 始 化 参数 的设置。系统定向 建立经纬仪测坐标系建立经纬仪测量坐标系,即要确定传感器之间的相互位置和方向,称之为系统定向。系统定向是通过测站 仪器 间进行互瞄或观测一定数量的物方点和基准尺并进行平差计算而建立系统统一的测量坐标系。在线坐标测经纬仪测量坐标系建立后,就可对目标点进行实时三维坐标测量。多台经纬仪的系统在定向完成后可以两 台或多台间构成多个测量系统 同时开展测量工作,测量坐标均在统一的测量坐标系中。全站仪和经纬仪的组合测量系统中,全站仪可单独采集坐标数据,亦可与经纬仪一起交会采集。数据管理及编辑数据管理采用数据库统一管理各种测量及与测量有关的数据。坐标系的生成与转换通过平移、旋转、缩放可生成一个新的坐标系,此外还有轴对准法和公共点转换法。利用坐标系转换功能可以很方便地统一不同设站的坐标系。测工数据分析与计算依据测量坐标可进行各种点、线、面的分析、计算。如点、线、面之间的距离、角度计算及平行、垂直、平分关系的分析利用测量数据拟合生成标准形状,并对形位误差进行分析计算。参考数据的放样与测将理 论的设计数据输入到参考库 中,将设计数据转换成相应的角度信息,并在实地指示出来。数据的输人、输出可将测量点坐标输出到外部文本文件或从文件输入到系统数据库 中。三维图形显示测量坐标可以三维可视化显升、,其中包括离散的单点显示、拟合计算的基本几何形状 如直线、平面、圆柱、球等显示。系统的主要数学原理系统定向经纬仪三坐标测量是基于角度前方交会的三角测量原理,而对多台仪器构成的测量系统,由于“甫余”数据的存在,对定向和坐标解算算法有两种方法川一种是基于仪器精确整平的测站三维网平差的方法另一种是建立在摄影测量学共线方程基础上的光束法平差法。下面主要介绍前一种方法的数学原理。多台仪器的系统定向也就是确定各设站点的相互位置关系,其实也就是测站点三维控制网的解算。经纬仪三坐标测量系统三维控制网中的观测值仅为水平方向值和天顶距 或垂直角,再加上必要的相对控制条件 如基准尺的长度 即可完成网的平差解算。角度观测值为水平方 向值和天顶距 或垂直角,设测站对目标点的水平方向观测值和天顶距分别为和,则其误差方程分别为黔一一七,一,一一绪卜,一一、,一一若在测站三维控制网中,加入基准尺的测量是为了给网提供一个尺度控制条件。基准尺两端点间的长度已知,基准尺的测量即构成距离条件。设基准尺两端点为和,基准尺已知长度为,则有丫一一,一一,一上式写成条件方程的形式为,一一,一息以上各误差方程的系数和常数项可参见文献,。测站三维控制网引入距离条件后,视相对控制为观测值,将条件方程化为虚拟观测值误差方程,并赋以一定的权,同角度观测值一并按间接平差进行处理。设测 站数 为,互瞄数 为,基 准尺位置数为,基准尺每个端点的测数为。选取设站为原点,设站、方 向在水平面内的投影为轴方向,则有,一,一一为设站控制点待定参数,包括设站定 向角改正数。即屯,屯,。,二为基准尺端点待定参数,即。,。、,。二,十。,。把相对控制看成是虚拟观测值,间接平差模型为一,】一一第期增刊经纬仪大尺寸柔性三坐标测量系统的开发与应用总观 测 数一。,必要 观 测 数,一十,多余观测数一,设观测值的权 阵为,则式的最小二乘解为一一在线坐标测系统定 向完成后,各测站 间的相互位置关系已确定,就可以对空间可视点进行在线点测量。所谓混合测量系统就是 指既有经纬仪 也有全站仪组成的测量系统,对物方点的测量既有角度观测信息,也有距离观测信息。设测站,一,对物方点,的水平 方 向和天顶距 的观 测值 为和图,由于系统定向后,测站坐标和测站定向角均为已知值,所以在误差方程式和式中,有资一比较好的三台仪器测量 然后,根据基准尺两端点的坐标计算出基准尺的实测长度,结果见表。由表数据 可统 计 出所 测 基 准尺平 均 长 度 为,与标定长度差值 为,因此可认为 在范围 内,系统 的点 位 测 量 不确定 度 可达到。表基准尺实测尺长度位置实测长度差值一以八门白,甲官,口月了曰 月了门八曰口口 口口平均值均差平值均差平值第一次图多台仪器的单点测量则和式简化为髦一一厂址范一一一。一纂如果测站还对点进行了测距,设所测距离为,则据式可得到距离观测误差方程一一一一几将式、写成矩阵形式,得一一每个物方点有三个未知数,因此每点至少需要用两台经纬仪观测水平角和天顶距,或一台全站仪测角测距,就可进行在线测量,测量坐标均在统一的坐标系中。实际应用已将经纬仪 全站仪三坐标测量系统成功应用在航天器推进舱 圆度检测、天线面形测量、三峡大坝号机组座环检测和大型闸门的安装与检测等项目中,下面是对某航天器推进舱的测量结果。用台电子经纬仪组成三坐标测量系统,对某航天器推进舱直径约后端框的圆度进行测量。每。粘贴一个测量标志,整圆共测了个点,用个点坐标按最小二乘法拟合圆,然后计算出对径方向的条直径 的数值,在 温度为和两种状表推进舱直径测结果数控惶铣床打表法最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值餐 爷一一一一系统精度测试与应用器一一一一一一一一一一一一一一一第二次第一次塑美第二次系统精度测试在 实验室,用台 仪器台和台布设成四边形测站网。为了测试系统对长度测 量的 误差,将基准尺标 定长度 为士在测站网包容范围内的前后左右上下共放置了个位置。每个点均用交会图形经纬仪三坐标测量法注为数据保密处理,省略掉前两位数字其余均一样。仪器仪表学报第卷态下分别各测 了两次,并且和传统的数控惶铣床打表法测量结果进行了比较,条直径统计结果列于表。从上表数据可看出,经纬仪三坐标测量系统的重复测量精度很好,重复测量差值为,而传统的数控撞铣床打表法测量的则为。测量,该系统已成功应用于航天器推进舱 圆度检测、天线面形测量、三峡大坝号机组座环检测和大型闸门的安装与检测等项目中。参考文献结论大尺寸柔性三坐标测量系统是国内自主开发的、基于多台传感器的经纬仪全站仪三坐标测量系统,其测量范围从几米到几十米,系统便于携带和安装,可在被测物体加工过程或安装现场 内进行非接触李广云,等工业测量系统北京解放军出版社,黄维彬近代平差 理论及应用 北京 解放军出版社,黄桂平多台电子经纬仪全站仪构成混合测量系统的研究与开发硕士学位论文郑州解放军信息工程大学测绘学院,黄桂平,等经纬仪工业测量系统定向及单点计算测绘学院学报,上接第页干涉传感器是不同的,后者仅是组成一腔的两个光纤端面的反射光和产生干涉,不会影响输出的激光,其输 出结果只能用半透半反镜或光纤荆合器在激光输出侧与一腔之 间进行观测,当在出光处接一只光纤隔离器光纤单方向荆合器时,输出结果不变。而前者是、返回激光谐振腔后,在腔 内与激光产生的干涉,输 出激光将被调制,输出结果既可利用组件 内监测输出功率用的探测器观测又可象光纤一干涉传感器一样,利用半透半反镜或光纤藕合器在输 出侧与一腔之间进行观 测,但是,当在出光 处接一 只光纤隔离器时,无干涉信号输出。参考文献,一一,一,一,一,一,一,