基于非正交轴系激光经纬仪的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密测量仪器，特别涉及一种基于非正交轴系激光经炜仪的测量方 法。 技术背景
[0002] 多经炜仪测量系统是大尺寸空间坐标测量系统中发展较成熟的一种，一般由多台 高精度电子经炜仪组成，利用空间角度前方交会测量原理，实现对空间点坐标的测量。多经 炜仪测量系统因其测量对象范围广、测量结果精度高、采用非接触式测量、具有便携性等优 点而应用广泛。尤其是在大空间、大尺寸对象精密制造、装配中，出于自动化测量和效率等 方面的考虑，相比激光跟踪仪和全站仪测量时需要合作目标（靶镜），摄影测量设备往往需 要人工粘贴标记，而电子经炜仪具备伺服驱动和激光瞄准等功能，显示出突出的优势。但高 精度电子经炜仪价格昂贵，所构建系统整体成本较高，制约了经炜仪测量系统的应用推广。
[0003] 传统经炜仪采用正交轴系（即竖直轴与横轴垂直，横轴与视准轴垂直，且三轴交 于一点），若不能满足上述要求，便会产生轴系误差，包括竖直轴倾斜误差、横轴倾斜误差和 视准轴倾斜误差，从而影响角度测量的准确性。虽然上述误差可以进行补偿，但补偿范围有 限。因此，为满足三轴正交的结构要求，在仪器的设计、加工、装配、检校和维护等方面有严 格的要求，从而决定了该仪器制造、使用和维护的高成本。因此，研宄一种功能与传统经炜 仪类似，但制造、使用及维护成本较低的测量仪器，对大尺寸空间坐标测量广泛应用有着重 要的意义。
【发明内容】
[0004] 为克服现有技术的不足，提供一种非正交轴系激光经炜仪，该仪器功能与传统经 炜仪类似，可以实现角度测量，两台或多台同类仪器可组成坐标测量系统，但与传统经炜仪 相比，其制造、使用和维护成本大大降低，可满足大尺寸空间坐标精密测量的广泛应用。为 此，本发明采取的技术方案是，基于非正交轴系激光经炜仪的测量方法，包括下列步骤：
[0005] 采用两个一维转台或一个二维转台及一个点状准直激光器构建非正交轴系激光 经炜仪；
[0006] 若采用两个一维转台，则其中一个设置为水平转台，提供竖直轴，另一个设置为竖 直转台，提供横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴；若采用一个二维云台，则其两维 的旋转部分分别提供竖直轴及横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴；
[0007] 竖直轴与横轴、横轴及视准轴无需正交，且三轴无需交于一点；
[0008] 初始状态时，以竖直轴上任意一点为原点，建立非正交轴系激光经炜仪测量坐标 系；对水平转台、竖直转台的旋转参数及准直激光束参数进行标定，确定竖直轴、横轴及视 准轴的初始方程；
[0009] 工作状态时，激光经炜仪测量坐标系及竖直轴方程不变；但当水平转台旋转时，横 轴以一恒定角围绕竖直轴旋转，根据空间几何关系确定横轴的动态方程；
[0010] 当竖直转台旋转时，视准轴以一恒定角围绕横轴旋转，同样，根据空间几何关系确 定视准轴的动态方程；
[0011] 根据水平转台和竖直转台旋转的角度，得到视准轴在激光经炜仪坐标系下的动态 方程；
[0012] 当采用两台或两台以上激光经炜仪组成系统后，即可根据空间交会原理实现空间 坐标测量。
[0013] 根据空间几何关系确定横轴的动态方程具体为：激光经炜仪测量坐标系〇lXlylZl 到横轴动态坐标系〇'x'y'z'的转换矩阵凡如下：
[0014] [x'y'z' 1] =[xjyjZj1] ?Mr (1)
【主权项】
1. 一种基于非正交轴系激光经炜仪的测量方法，其特征是，包括下列步骤： 采用两个一维转台或一个二维转台及一个点状准直激光器构建非正交轴系激光经炜 仪； 若采用两个一维转台，则其中一个设置为水平转台，提供竖直轴，另一个设置为竖直转 台，提供横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴；若采用一个二维云台，则其两维的旋 转部分分别提供竖直轴及横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴； 竖直轴与横轴、横轴及视准轴无需正交，且三轴无需交于一点； 初始状态时，以竖直轴上任意一点为原点，建立非正交轴系激光经炜仪测量坐标系；对 水平转台、竖直转台的旋转参数及准直激光束参数进行标定，确定竖直轴、横轴及视准轴的 初始方程； 工作状态时，激光经炜仪测量坐标系及竖直轴方程不变；但当水平转台旋转时，横轴以 一恒定角围绕竖直轴旋转，根据空间几何关系确定横轴的动态方程； 当竖直转台旋转时，视准轴以一恒定角围绕横轴旋转，同样，根据空间几何关系确定视 准轴的动态方程； 根据水平转台和竖直转台旋转的角度，得到视准轴在激光经炜仪坐标系下的动态方 程； 当采用两台或两台以上激光经炜仪组成系统后，即可根据空间交会原理实现空间坐标 测量。
2. 如权利要求1所述的基于非正交轴系激光经炜仪的测量方法，其特征是，根据空间 几何关系确定横轴的动态方程具体为：激光经炜仪测量坐标系〇 lXlylZl到横轴动态坐标系 〇' X' y' z'的转换矩阵凡如下：
其中，o'x'表示实际横轴，其中〇'为横轴与竖直轴两异面直线的公垂线与横轴的交 点，公垂线与竖直轴的交点用B表示，过〇'点作与o'x'轴垂直的任意直线，定义为c/太 轴，并根据右手法则建立横轴动态坐标系V ^ c/ ?，与O1Y1轴的夹角为Q1, 公垂线的距离|〇'13|为1'1，|〇113|为1?1，〇'13与〇 111轴的夹角为|31。
【专利摘要】本发明涉及精密测量仪器，为实现角度测量，两台或多台同类仪器可组成坐标测量系统，但与传统经纬仪相比，其制造、使用和维护成本大大降低，可满足大尺寸空间坐标精密测量的广泛推广应用。为此，本发明采取的技术方案是，基于非正交轴系激光经纬仪的测量方法，包括下列步骤：采用两个一维转台或一个二维转台及一个点状准直激光器构建非正交轴系激光经纬仪；若采用两个一维转台，则其中一个设置为水平转台，提供竖直轴，另一个设置为竖直转台，提供横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴；若采用一个二维云台，则其两维的旋转部分分别提供竖直轴及横轴，点状准直激光器提供可视化的视准轴；本发明主要应用于空间位置测量。
【IPC分类】G01B11-00, G01C1-02
【公开号】CN104535042
【申请号】CN201410850221
【发明人】吴斌, 薛婷
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月31日