激光跟踪仪建立精密控制网方法研究

激光跟踪仪建立精密控制网方法研究

赵,磊

航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司  辽宁省  110034

摘要：伴随着智能制造时代的到来，现代精密工业得到快速发展，特别是航空航天工业更是朝向高精度和智能化的方向发展，这就对测量技术提出了更高的要求。激光跟踪仪测量系统作为现代精密工业和工程测量的重要手段，其测量精度高，测量范围广，在精密仪器测量领域得到广泛应用。本文提出一种仅利用激光跟踪仪所观测的高精度距离观测值参与平差来建立控制网的方法。

关键词：激光跟踪仪；精密控制网；方法；研究

近几年，工业机器人以其高可靠性、高稳定性等优势，已逐渐发展为支撑制造业发展的主要动力。在工业机器人中，反复的定位准确率是很高的，但是其绝对的精确性往往不够精确，在没有进行校准之前，其相对于0-3毫米的绝对精确精度，很难适应精密零件加工、航天器装配和武器装备制造等高端行业的需要。激光跟踪测量是航空航天、核工程、精密机械制造和装配中的关键技术。在测量、校准等方面都有很大的作用。它具有测量精度高，全自动测量，测量范围宽等特点。激光跟踪系统具有较高的测距能力，是该设备与其它测控设备不同的一个显著特征，如采用的莱卡AT960型激光跟踪机，具有5微米+6微米/米的测距、0.5微米/米的标称点位和15微米+6微米的精确度。当控制网络的边长一般都很小时，由于测量偏差造成的图像的精确性很小，而角度的偏差则是它最后的结果。

1激光跟踪仪主要结构分析

自20世纪90年代早期， Leica和著名的航天器制造商 BAE公司共同研制出了全球首款激光跟踪仪SMART310，在过去的30多年里，它的测量精度高，范围宽，能够动态跟踪测量，逐步被用于航天领域；船舶工业，水轮发电机组等高技术的生产。自从 eica公司制造了首款激光跟踪仪之后，在接下来的30年里， eica公司共开发了5个系列。现在， Leica公司的最新的仪器与T-Probe、T-Mac等六个自由度的测控装置相结合，能够完成单个激光跟踪器的运动姿态检测。以下介绍了激光跟踪器的基本构成，包括角度测量部件、距离部件和轨迹控制器，具体结果见图1。

图1激光跟踪仪结构图

2激光跟踪仪建立三维测边网

在12*12平方米的封闭场地内，设置m处测量点， n处待测点，在每个测量点处，用激光跟踪器对每个待测点进行观测；这样，就可以获得 m xn个远场，并且将所测地点和所要测量的点的三维坐标都当作一个位置参量，总共可以获得3 （m+ n）个不确定的参量。设第 i个测点对第 j个待测点的距离观察，用（Xi、 Yi、 Zi）作为测量地点的座标， i被取为比1更小的正数，被测量点的座标是（xi、 yi、 zi)，在这里 j的数值是大于1或 m的正整数，那么可以得出一个观察方程（1）。

                    （1）

对式（1）全微分可得式（2）

          （2）

3测站点坐标近似值的解算

实验共设置6个观测站点，第一个观测站点的大致座标为0、0、0，而第二个站点至第五个站点的大致座标则由3 d立体测边后交叉进行计算。A (xa, ya, za), B (xb, yb, zb), C (xc, yc, zc）为所知的方向点， P (xp, yp, zp）为不可知的待点， P, A, Ya, Za, B, Xb, Yb, Zb, C, Xc, Yc, Zc是一个已知的坐标， P (Xp、 yp、 zp）是一个不知道的待定点，在 P处设置站向 A, B, C观测3个测距值L1；L2,L3，再用三元二次方程式求出待测 P的座标。

图1    空间后方交会点位关系

该算法是一种直接求解立体测边后向坐标的解法，其解的准确性与网格形状密切相关，如果网格形状不好（A、 B、C3点位于一个圆圈或一条线），其计算的准确率将非常低，有时还可能产生误差。而在阶盈型自由网的平差计算中，所测量的站的逼近程度将会对最后的网络平差产生很大的影响，所以所测量的站的逼近坐标的精度非常高。其实，在激光跟踪仪中，也有一个类似于激光跟踪器的转台，它可以直接完成对被测量的地点进行精确的定位，但是会比较繁琐。每个站都要观察五个（其实三个）的公众点，这样就能得到一个接近的位置。如在待测点与测站构成的网络形态较差时，可采用此方式。需要指出的是，采用这种方式进行的后向交叉需要很高的交叉，在地形平坦的地方不适合。另外，这种算法所得到的测量地点的位置具有二值化问题，需要手工进行判定，因此不建议采用这种方式。

4试验及案例结算

该实验室是一个12×12m的正方形密闭空间，共选择6个测站点，8个待测点。利用徕卡AT960激光跟踪仪建立测边控制网。

4.1网形设计及测站点和待测点的选择

在测点的布置上，各测点的位置比较密集，最高高度不大于0.2米，最大横向间距不大于3米，在试验室中分布均匀；在墙体内共布置4个待测点，其中要求对中观测墩处布置3个待测点，在地表附近布置1个待测点。为确保各测试站的激光跟踪器能够正确地进行观察，测试地点主要集中在实验室前方较为平整的地方，以确保各测量点的位置和位置的精确性。在此基础上，将各待测点分别以玻璃胶片固定在被测点，观察时采用标球置于底座上进行观察。

4.2解算结果

在进行了秩亏的自由网平差后，使用了重心参考作为平差的基准，最后测量的位置和待测量的位置的平差的结果如上面所述。在校正后，平均精度为12微米。为了验证校正的正确性，采用校正后的坐标计算出了边长的测量数据，并计算其差异，如表格1所示。从表1可知，用3微米的空间点坐标平差法得到的测距与实测的误差比8微米大，平差误差在3微米以上，具有很高的准确性。

表1    平差后坐标与观测值差值

单位：μm

综上所述，激光跟踪仪凭借其高精度和广范围的测量效果，在精密仪器测量领域得到广泛应用。为进一步提升测量精度，降低测量误差，本文根据对其测量原理以及测量精度的分析，提出了利用激光跟踪仪建立精密测边控制网的想法，以此来规避其相对不高的测角精度所带来误差，使其坐标测量精度得到提升。

参考文献

[1]徐福乾,范百兴,黄赫,段童虎,李慧敏,孙晨磊.激光跟踪仪与机器人坐标转换公共点的选取方法[J].测绘工程,2022,31(03):31-39.

[2]徐星.基于激光跟踪仪的测量机坐标系原点拟合方法研究[J].机电信息,2022(03):80-82.

[3]谭舸,赵梦娜,吴冲.激光跟踪仪建立精密控制网方法研究[J].测绘通报,2020(S1):107-110.