激光自动跟踪空间坐标测量系统的发展（一）

介绍了近十年来国外在激光跟踪空间坐标动态测量方面的研究成果，它集多种现代先进技术于一体，目前多应用于机器人领域，但应用的前景非常广阔，代表了计量学新的发展方向。下面将介绍球坐标法，三角法，多边法等多种测量方法，讨论单站，多站（双站、三站和四站）的测量原理及系统结构，还分析了各系统可能或已经达到到的精度及优缺点。     

计量文摘精粹

1 非正交系坐标测量系统原理及进展作者 :李广云摘要 :非正交系坐标测量系统是近十几年来发展的一类移动、便携式的测量系统 ,一般分为电子经纬仪测量系统、全站仪测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统和关节式坐标测量机等 6类 ,通过间接测量边长和角度来确定测点的三维坐标值。文章将这 6类测量系统归纳为球坐标测量法、三角测量法、三边测量法和导线测量法 4种测量方法 ,讨论了其测量原理 ,简单介绍了其应用和发展。关键词 :三坐标测量机　非正交系　球坐标测量系统　三角测量系统　三边测量系统　支导线…     

面向机器人标定的单激光跟踪仪顺序多站式测量系统建模与分析

为实现大型串联工业机器人的高精度标定,搭建了一种单激光跟踪仪的顺序多站式测量系统。该系统仅需单台激光跟踪仪,先后在不同的基站位置对工业机器人的末端位置进行独立测量,并基于多边测量方法计算机器人的末端位置。计算过程中仅需激光跟踪仪的距离信息,有效地优化了末端位置的测量不确定度。首先,建立了该测量系统的仿真模型,深入地分析了测量点的数量与分布形状、测量距离以及工业机器人定位精度等因素对系统测量精度的影响;然后,依据分析结果确定单激光跟踪仪顺序多站式测量系统的搭建方案。实验结果表明:该系统在2.5m距离上的测量误差仅为0.023mm,优于激光跟踪仪的测量精度,满足大型串联工业机器人参数标定的测量精度要求。     

运动目标空间坐标多站法激光跟踪测量建模

运动目标空间位置激光跟踪测量是计量测试领域的前沿课题，该测量系统集激光干涉测距、光电检测、精密机械、计算机及控制系统和现代数值计算于一体，对空间运动目标进行跟踪并实时测量其坐标和姿态。测量范围１－１０ｍ，测量精度５０μｍ／ｍ。采用多个激光干涉仪进行冗余设计，对测点造成过定位，通过解最小二乘方程组计算出被测点的坐标。文中论述了多站法跟踪测量的原理并建立了计算坐标的数学理论模型。     

球坐标系下坐标测量的重复性

几何量计量中使用直角坐标系统、球坐标系统、关节臂系统等多种不同原理的坐标测量系统。以激光跟踪仪为例,分析球坐标系统的基本测量原理,根据球坐标与直角坐标的相互转换关系,推导计算两坐标系下重复性的传播规律,说明坐标测量重复性表达方式的不同。分别在球坐标系和直角坐标系下,利用Monte Carlo法模拟坐标测量点的空间分布。从理论分析、模拟试验、实际试验3个角度说明球坐标测量系统空间坐标的测量重复性采用角度和距离分别给出更能体现测量点的空间分布,为球坐标测量系统的生产者和使用者提供理论指导。     

计算机单目视觉测量系统

为了精确实现对空间物体的测量,提出了利用线激光、单CCD相机、小孔成像与激光面约束模型的激光线测量法。引进三维信息已知的标准阶梯块,作为激光面约束的标定块。由计算机控制摄像头对实物连续拍摄和实时处理,提取激光线上的像素坐标,利用建立的模型将二维坐标转换成三维坐标,再以点云的形式重构出物体,实现三维自动测量。实践中检测系统测量精度可达到0.05mm。     

基于激光跟踪仪和坐标测量臂的工业测量系统

针对激光跟踪仪测量大尺寸复杂结构目标时存在测量盲区的问题,将激光跟踪仪和坐标测量臂联合起来组成一种新型工业测量系统。以激光跟踪仪为系统的测量基准,采用基于bundle技术的多公共点作为坐标测量臂坐标系与激光跟踪仪坐标系的联系纽带,充分利用激光跟踪仪测量准确度高和坐标测量臂灵活的特点,可以有效完成复杂大型工业测量任务。     

多边法坐标测量系统中解算方式对测量精度的影响研究

为了研究多边法坐标测量系统中解算方式对测量精度的影响,建立了多边法坐标测量模型,分析了两种目标点坐标解算方式的差异,并针对典型的4台测站多边法坐标测量系统进行了两种解算方式的仿真测量实验。仿真结果表明:预先准确标定系统参数方式能有效提升测量精度,测量精度依次改善了69.5%、64.6%、46.3%。进行了坐标测量精度验证实验,实验结果表明:与同步解算方式相比较,预先准确标定系统参数取模后的3组实验平均测量误差由203.0μm降至23.8μm,且3组实验的测量误差与测量距离的平均相关系数由99.8%降至37.8%,验证了仿真实验结果。     

多路激光跟踪干涉仪坐标测量系统的容错设计

介绍容错设计思想在由多路激光干涉仪构成的柔性坐标测量系统中的应用。由于采用了硬件冗余、软件冗余等技术，不但使该测量系统具有自我标定的能力，而且可恢复因测量过程中“丢光”现象而造成的干涉仪丢失的测量数据。并用三路单轴跟踪系统实现了二维坐标测量。     

基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法研究

针对工作台运动误差,提出了一种基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法。通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光,利用两束无衍射光干涉生成莫尔条纹。设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路,建立了三自由度运动误差数学模型,并用几何分析法将三种运动误差(偏摆角、滚转角和俯仰角)进行分离。利用旋转台模拟不同大小的三自由度运动误差,带有误差信息的无衍射光和莫尔条纹图案分别由CCD1和CCD2接收。实验结果表明,通过光斑中心偏移量计算出的实际运动误差值接近理论值,测量误差不超过0.0104°,验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。     

空间大尺寸坐标测量校准装置

空间大尺寸坐标测量校准装置主要用于激光干涉仪、线纹尺等的长度精度校准以及激光跟踪仪、经纬仪坐标测量系统等可移动式空间大尺寸坐标测量系统的直接坐标比对和校准.对该装置的组成及工作原理进行介绍的基础上,阐述了校准装置的应用过程,并对该装置的测量不确定度进行了分析.     

大气光通信中Turbo码的最大后验概率译码

为了精确实现对空间物体的测量,提出了利用线激光、单CCD相机、小孔成像与激光面约束模型的激光线测量法。引进三维信息已知的标准阶梯块作为激光面约束的标定块;由计算机控制摄像头对实物连续拍摄和实时处理,提取激光线上的像素坐标;利用建立的模型将二维坐标转换成三维坐标,再以点云的形式重构出物体,实现三维自动测量。实践中检测系统测量精度可达到0.05mm。     

激光跟踪仪现场测量不确定度的评定

提出了一种评定激光跟踪仪现场测量不确定度的方法。通过移站测量来获得几个固定点的坐标位置，然后将测量结果进行处理，给出整个测量系统的测量不确定度。主要目的是为了将测量现场的环境、操作人员的技术水平以及仪器自身的性能等各方面影响都包含在测量不确定度内，从而为仪器精度的现场评估、不同仪器的现场测量比较以及环境变化对测量结果的影响分析等提供量化指标。     

多边法位姿测量系统中跟踪方式对测量精度的影响研究

为了精确测量大尺寸位姿,建立了一种由7台激光跟踪干涉仪组成的大尺寸位姿测量装置。根据测量各反射镜的激光跟踪干涉仪数量的不同,采用322和331两种跟踪方式对位姿测量精度的影响进行仿真实验,从而发现被测点位置与基站构成平面的距离相关,由坐标解算公式推导被测点坐标值与测量基站之间的相对位置与测量误差间的误差模型,通过分析x、y、z 方向上误差对距离变化的敏感程度,发现z方向距离变化引起的误差最为敏感。当被测点与测量基站的距离由1300.8mm减小到0mm时,测量误差由2.2μm增大到2626.1μm。实际姿态测量结果表明:当采用一种跟踪方式时可以避免被测点与测站点平面过近,有利于提高系统测量精度,所提出的误差模型可为多边法位姿测量系统的优化布局提供一种量化的理论分析方法。     

激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用

介绍了激光跟踪仪（LTS）原理，提供了一种校验激光跟踪测量系统的方法。通过与高精度三坐标测量机（CMM）比对测量，检验其精度，实验结果表明角向误差是影响LTS精度的主要因素。利用激光跟踪仪对汽车外形进行扫描，建立其三维模型，发现测量中存在的问题，并提出解决方法，结果表明，激光跟踪仪应用于汽车车身扫描有操作简单、精度较高等优点。     

基于多边法的三维坐标测量系统自标定最优方案

研究了基于多边法的三维坐标测量系统的自标定问题 ,并首次给出了四路激光跟踪干涉仪和测量点布局的一些指导性原则。首先从系统自标定的数学模型入手 ,指出影响系统自标定的各个因素。通过大量的计算机仿真 ,研究各个因素对系统自标定的影响规律。最后综合得到了系统自标定应遵循的一些指导性原则 ,这些原则对于实际操作时进行合理的系统自标定、提高自标定精度乃至提高整个系统的测量精度具有重要意义     

新型激光跟踪测量系统的设计

基于多边法原理,设计出一种新型的激光跟踪测量系统。该系统采用四象限光电池作传感器,准确地测量目标镜反射光线的位置,测量灵敏度为 200mV/mm;以双电机驱动的双轴单转镜作跟踪机构,结构简单,运动灵巧,立体转角约±35 °;模拟式 PID 与数字式 PID 相结合的控制方案,控制精度高,跟踪速度快。实验表明,系统跟踪速度优于 0.7m/s,综合测量精度 1.3μm 。     

基于标准球的显微图像测量系统标定方法

提出一种利用标准球对显微图像测量系统进行标定的方法．该方法利用显微系统小视场小景深的成像特点简化计算模型,减少标定参数．通过标准球图像在水平和垂直方向上的直径比计算比例因子;利用标准球边缘图像的边缘点集．运用优化的方法来计算成像系统的畸变系数和主点位置．系统的放大倍数由标准球的实际直径来标定得出．利用标准球在多摄像机公共视场内其轮廓在任何位置均可见这一特性,可同时对显微图像测量系统中的多个摄像机进行标定,简化标定过程．实验结果表明,该方法标定精度较高,标定后的测量系统的极限误差3σ为2．4μm．     

光电跟踪误差校准技术的研究

研制光电跟踪仪校准系统,利用激光跟踪仪跟踪光电跟踪仪并采集测量数据,剔除其中存在的粗大误差得到有效数据,采用球面拟合最小二乘法确定光电跟踪的中心。建立合理的坐标转换模型,实现激光跟踪仪的中心向光电跟踪仪的中心坐标转换,并将二者的测量数据进行对比得到校准结果。利用VB和MATLAB软件结合的方法对数据进行分析与处理,提升运算效率。举例给出光电跟踪仪校准系统的测试结果,并对其不确定度进行分析,证明了此校准系统的可靠性,为跟踪及瞄准系统的参数校准提供了参考。     

跟踪测距式三维坐标视觉测量系统

提出了一种跟踪测距式视觉坐标测量系统,主要由一架摄像机、一台激光测距仪、一台计算机和一支光笔组成。测量时,摄像机测量光笔上四个光反射点的方向,依据这些方向激光测距仪可跟踪捕捉到任一光反射点,并测量出某一光反射点到激光测距仪的距离,由测得的方向和距离系统可计算出光笔笔尖接触点的三维坐标。根据四点透视问题(P4P)原理建立了系统的数学模型,由于摄像机测得的距离参数的引入,使得该数学模型(P4P问题)可以线性求解,而且解具有唯一性,推导出了被测点三维坐标的求解公式。和单摄像机视觉坐标测量系统的比对实验结果表明,在Z,Y,X轴方向上的测量稳定性精度可分别提高0.366mm、0.031mm和0.011mm。