一种基于六自由度测量的光笔设计与标定

针对空间中运动目标的位置和姿态的跟踪测量,设计和标定了一种配合激光跟踪仪与相机使用的六自由度测量光笔。该光笔中心为可放置角隅棱镜的凹槽,凹槽周围分布着具有一定网形的若干人工标志,通过光笔的标定可得到角隅棱镜和各标志点之间的位置关系并构建出光笔坐标系。本文首先介绍了六自由度测量光笔的设计过程,并分别阐述了光笔坐标系的构建与末端测头的标定原理,实验结果表明,光笔的标定结果的精度基本符合实际需要。     

大尺寸高精度三维控制网技术探讨

空间大尺寸机构的位置和姿态测量是诸多领域中不可或缺的必要环节。而传统的一维测量技术在精度、范围和速度上已经无法满足越来越高的需求,因此必须探索新的测量技术和方法。激光跟踪仪的单站坐标测量精度在局部范围内能够达到几十个微米量级,如果要在大尺度空间内同样实现该坐标测量精度,则需要建立全局的精密三维控制网。为了解算控制点全局坐标以及测站的位置和姿态参数,文中基于边角观测值和坐标转换模型建立了激光跟踪仪三维边角网整体平差模型。平差过程中,为了削弱激光跟踪仪测角误差的影响,建立了合理的角度和距离观测值权矩阵,为高精度距离观测值赋予较大的权值,从而对其进行约束。将该方法应用于宝钢不锈钢冷轧厂生产线的安装检测和轧辊轴线平行度测量,基于激光跟踪仪自由设站理论实现大尺寸精密三维控制网的建立,取得了良好效果。     

相机与激光跟踪仪相对位姿标定方法的研究

在空间目标的六自由度精密测量中,激光跟踪仪测量技术与视觉测量技术的联合应用越来越多,为解决相机坐标系与激光跟踪仪位姿模型的标定问题,研究一种利用罗德里格矩阵标定相机坐标系与激光跟踪仪坐标系相对位姿的方法。首先,分别用激光跟踪仪与相机测量出公共靶点坐标和拍摄含有靶点的照片,再用标志中心提取算法和单张相片空间后方交会算法解算出靶点在相机坐标系下坐标,最后利用罗德里格矩阵进行坐标系转换,即可标定出相对位姿。实验结果表明:标定模型X轴平均误差和均方根误差分别为0.005 7mm和0.006 2mm;Y轴平均误差和均方根误差分别为0.003 2mm和0.003 5mm;模型的标定精度和稳定可靠程度基本满足测量需要。     

基于遗传算法的激光跟踪仪控制网优化设计

针对跟踪仪三维控制网测量时因跟踪仪设站位置凭经验布设无法保证测量结果最优的问题,提出一种基于遗传算法的跟踪仪控制网优化设计方法。该方法以多台激光跟踪仪三维网的距离前方交会为理论基础,取目标点精度均方差最小为目标函数,兼顾了工作区域边界、目标点的可视性、跟踪仪间距等约束条件,基于遗传算法实现了跟踪仪设站位置的优化设计。实验结果表明,该优化设计算法具有明显的效果,算法设计出的网形较随机网形的测量精度有明显提高,能够为实际测量中跟踪仪的布设位置提供参考。     

粒子加速器隧道准直测量中激光跟踪仪光束法平差的误差分析和应用研究

粒子加速器隧道准直测量往往沿直线或环形布设控制网,利用激光跟踪仪进行测站搭接测量时,误差会沿测站前进方向不断积累。为了提高现有跟踪仪控制网测量精度,首先推导了激光跟踪仪光束法测量的误差传递路径公式,分析了未知控制点的误差来源;然后根据激光跟踪仪光束法平差原理得到4种不同方案,即无固定站心参数、固定站心姿态、固定站心位置和固定站心位姿,通过光束法平差解算并对比分析各方案。实验结果显示,4种方案解算点的绝对位置精度从高到低依次为固定站心位姿、固定站心位置、固定站心姿态和无固定站心参数。首尾闭合解算的平面位置均方根误差为0.147 mm,小于未闭合解算的0.163 mm,且在15 m×10 m×3 m的测量范围内,无固定方案平差解算的姿态和平面位置均方根误差分别为3.58 s和0.144 mm。实验结果表明,测站闭合能增强约束,固定站心位姿能有效抑制光束法测量的误差积累,从而提高整网平差解算精度。固定站心位置结果优于固定站心姿态,说明站心位置是影响激光跟踪仪平面光束法平差的重要参数。该研究可为今后高精度激光跟踪仪光束法平差方案设计提供参考。     

大型精密工业设备变形量检测方法研究

大型精密工业设备的变形检测具有目标尺寸大、精度要求高、绝对定位难等特点,使得常规单一的检测方法难以满足要求。因此,通过对已有测量方法的改进与组合,研究出一种高效率且高精度的大型精密工业设备变形量检测方法。使用工业摄影测量系统、激光跟踪仪、高精度全站仪相结合的技术,通过自主研发的相机辅助拍摄伸缩杆,在不同姿态与温度条件下可以对目标设备进行全面快速的数据采集,进而解算出重力差异与温度差异导致的变形量。考虑到摄影测量成果是局部独立坐标系,缺乏与国家大地坐标系的关联,将激光跟踪仪建立的局部重力水平坐标系作为过渡,实现了摄影测量坐标系到CGCS2000国家大地坐标系的高精度转换方法。实验证明,该方法具备数据采集容易、检测精度可靠、坐标能够统一等优点,对大型精密工业设备制造与检测技术提升具有重要意义。     

动态位姿激光跟踪测量定向解算精度分析

激光跟踪仪采用激光干涉测量技术,可对空间运动目标进行跟踪并实时测量其空间三维坐标,具有采样频率高、测量精度高、测量范围大等特点。根据测量对象动态性的特点,对动态位姿测量的需求更加迫切,由多台激光跟踪仪组成的测量系统对目标进行实时动态位姿测量引起人们的关注。文中由3台激光跟踪仪组成动态测量系统,建立测站坐标系,根据空间直角坐标系转换模型统一测量坐标系,提出两种转换参数的计算方法,并通过实验验证两种方法的可行性和精度。     

激光跟踪仪动态精度评定方法研究

激光跟踪仪采用激光干涉测距和动态度盘测角,单次测量时间为1/3000 s,可对空间运动目标进行跟踪并测量其空间三维坐标,具有测量速度快、测量精度高、测量范围广等优点。本文在对激光跟踪仪动态跟踪原理及检校方法进行理论分析的基础上,依据激光跟踪三维坐标测量系统校准规范,利用最小二乘原理对空间所形成的圆平面进行了拟合解算,采用统计分析的方法对激光跟踪仪的动态精度评定进行了比较深入的研究;以Leica AT901-B激光跟踪仪为例,借助球杆装置,对激光跟踪仪的动态性能进行了测试。     

基于激光跟踪仪的长轴类工件测量方法研究

在基于激光跟踪仪的很多工程测量项目中,不同因素导致的多种观测误差并存。但是在不同的测量方法中,各种观测误差对于观测精度的影响程度并不相同。本文在计量实验室的标准检测环境下,利用超长导轨和旋转球杆为工具,模拟基于激光跟踪仪的长轴类工件测量。研究发现,针对长轴类工件的长度测量,将激光跟踪仪架设于工件一侧,大致位于工件1/2长度的位置,全长范围内的测长精度更高,优于将激光跟踪仪架设于工件的一端;针对长轴类工件的直线度测量,在相同条件下,激光跟踪仪静态测量和动态测量的精度无显著差别。可根据实际工程需要和测量精度要求,酌情选择静态测量或动态测量方法。     

基于激光跟踪仪的传感器坐标标定应用研究

传感器空间位置标定是测量系统集成与安装的关键技术之一。根据激光跟踪仪的特点与优势,探讨了激光跟踪仪应用于移动测量多传感器坐标转换关系标定的可行性与适用性;重点探索了基于激光跟踪仪的传感器标定测量与数据处理方法,并分析了标定误差及其影响因素。针对船载多波束单体标定需求,基于Leica AT930型激光跟踪仪和经纬仪工业测量系统展开对比分析和标定对比实验,从而证明了采用接触测量为手段的激光跟踪仪能满足部分传感器标定任务需求,能极大提升便捷性与标定效率。