專利名稱：大尺寸三維空間測量的現場標定裝置及測量方法
技術領域：
本發明屬于精密測試儀器及測量方法，特別涉及一種大尺寸三維空間測量的現場標定裝置及測量方法。
背景技術：
標定是精密測量的基礎，是現代計量測試的重要環節，一臺測量設備或儀器必須經過更高一級精度儀器(或裝置)的標定才具備測量精度，用于實際測量。
在長度測量領域，中等尺寸是常用尺寸，測量儀器種類多，相關的標定技術及裝置比較完備，小尺寸及大尺寸測量儀器(或裝置)的使用相對少一些，相關的標定技術及裝置也不完善，尤其是大尺寸空間三維坐標測量儀器的現場標定還缺乏有效的技術手段。
能夠實現在現場標定空間坐標測量儀器的技術關鍵是在現場組建一個高精度空間三維坐標測量裝置，用該裝置對被標定系統進行標定。在當前技術條件下，現場組建高精度空間三維坐標測量裝置的最有效方案是采用兩臺(或多臺)高精度電子經緯儀構成可移動式大尺寸空間坐標測量裝置，其測量原理是空間交會測量原理假定兩臺經緯儀固定后，相互之間的關系(位置參數)已知，用兩臺經緯儀同時觀測某一被測點時，由該點在兩臺經緯儀中的觀測角度以及兩臺經緯儀之間的位置參數就可以求得該點在空間的坐標。
由兩臺經緯儀組成的三維坐標測量原理如圖2所示。兩臺經緯儀分別稱為左經緯儀和右經緯儀，它們對應的坐標系分別為O1X1Y1Z1，O2X2Y2Z2，設被測點P在O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2中的坐標分別為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，測量時，左經緯儀測量P點在O1X1Y1Z1中的水平角和豎直角為α1，β1，右經緯儀測量P在O2X2Y2Z2中的水平角和豎直角為α2，β2，由空間解析關系知{y1=z1·tgβ1/sinα1x1=z1·ctgα1---(1)]]>{y2=z2·tgβ2/sinα2x2=z2·ctgα2---(2)]]>x2y2z2=r1r2r3r4r5r6r7r8r9x1y1z1+t1t2t3---(3)]]>R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9T=t1t2t3---(4)]]>上述三式中α1，β1，α2，β2為經緯儀測量值，RT為O1X1Y1Z1坐標系和O2X2Y2Z2坐標系之間位置關系矩陣(旋轉矩陣和平移矩陣)，是固定值，應當事先確定，于是可以解得P點在O1X1Y1Z1或O2X2Y2Z2坐標系中的三維坐標。
由測量原理可以看出，除經緯儀的測角精度(α1，β1，α2，β2中包含的測量誤差)和P點的空間位置(x1，y1，z1，x2，y2，z2值的大小)影響測量精度外——它們都是不可克服的原理誤差，決定了測量能夠達到的最高精度。如何確定坐標系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2之間的空間位置關系(R，T參數中包含的誤差)直接影響測量精度，是實際測量的主要誤差因素。
在當前應用中，確定經緯儀之間空間位置關系多采用精確調整和互瞄方案首先將兩臺經緯儀精確調水平，保證兩臺經緯儀的水平面回轉軸(經緯儀坐標系的y坐標軸)相互平行；其次用兩臺經緯儀相互瞄準，以此設定兩臺經緯儀在水平面內的x坐標軸(或z坐標軸)相互平行。經過精確調整后的兩臺經緯儀的坐標系相互平行，即旋轉矩陣R是單位矩陣I，兩個經緯儀坐標系之間只存在純粹的平移關系。在得到旋轉矩陣R是單位矩陣I后，采用量測空間基準距離方法，可以方便地求出坐標系之間的平移矩陣T。精確調整和互瞄方案確定經緯儀坐標系之間旋轉矩陣包含了相當大的人為誤差因素首先，調整經緯儀水平時，手動調整精度很難達到2″以內；其次，兩臺經緯儀互瞄時，因為瞄準目標是望遠鏡的中心，不利于經緯儀精確瞄準，存在很大的瞄準誤差，由此確定的旋轉矩陣R含有較大誤差，該誤差還會進一步傳遞給平移矩陣T；另外一個必須考慮的情況是，在很多應用現場，經緯儀之間的空間內可能存在不可移動的障礙物，經緯儀之間不能進行互瞄。因此，這種方法的主要缺點在于因為人工干預，肯定會引入相當的誤差，從而影響測量精度。
發明內容
在采用兩臺以上經緯儀組建高精度空間三維坐標測量裝置時，如何精確確定兩臺經緯儀之間的空間位置關系，完全克服人為因素引入的測量誤差是本專利發明的主要內容。本發明是以下述方法實現的無須人工調整環節，采用一個已知基準距離的標準物，標準物上刻有兩個標記點，標記點間距離是已知的基準距離，用兩臺經緯儀同時觀測標準物上的已知標記點，利用標準物的基準距離作為約束條件，建立包含兩臺經緯儀之間空間位置關系參數在內的約束方程，運用最優化方法求解上述約束方程，解得兩臺經緯儀之間的空間位置關系參數。此標準物可以是標準尺，尺上可以刻有兩個十字刻線(標記點)，其間距已知，且恒定不變。精確確定兩臺經緯儀之間的空間位置關系原理如圖1所示。
前已論述，提高測量精度的關鍵是精確確定經緯儀之間的空間位置關系參數旋轉矩陣R和平移矩陣T。由(3)式得(T1-X2t3)[Y2(r7X1+r8Y1+r9)-(r4X1+r5Y1+r6)]＝(5)(t1-Y2t3)[X2(r7X1+r8Y1+r9)-(r1X1+r2Y1+r3)]式中{Y1=tgβ1/sinα1X1=ctgα1{Y2=tgβ2/sinα2X2=ctgα2]]>α1，β1，α2，β2分別為兩臺經緯儀測得目標點的水平角和豎直角。
(5)式對應的是非線形方程，其中含有旋轉矩陣R和平移矩陣T中所有的12個待求參數，且該方程對于變量t1，t2，t3是齊次的。
讓兩臺經緯儀同時瞄準空間不同的n個目標點Pi(i＝1，…，n)得到n個方程，即(t1-X2it3)[Y2i(r7X1i+r8Y1i+r9)-(r4X1i+r5Y1i+r6)]＝(6)(t1-Y2it3)[X2i(r7X1i+r8Y1i+r9)-(r1X1i+r2Y1i+r3)]{Y1i=tgβ1i/sinα1iX1i=ctgα1i{Y2i=tgβ2i/sinα2iX2i=ctgα2i]]>式中i＝1，…，n。此外，旋轉矩陣R中的元素滿足正交約束 聯立(6)(7)，采用非線形優化算法(如Gauss-Newton法)，可以解算出旋轉矩陣R中的所有元素和T中的兩個元素(該方程對于變量t1，t2，t3是齊次的)。
得到旋轉矩陣R和T中的兩個元素后，用兩臺經緯儀瞄準空間標準物上的兩個標記點(其間基準距離為D)，由(1)(2)(3)可以得到兩個標記點的空間三維坐標(其中包含T中的另外一個未知元素)，由兩點間距離等于基準距離D這個約束條件，容易得到平移矩陣T中的所有元素。實際應用時，可以將求解旋轉矩陣R和平移矩陣T合并在一起，即用兩臺經緯儀同時瞄準位于空間不同位置的標準物上的標記點，得到方程(6)和基準距離D，同時解算出旋轉矩陣R和平移矩陣T。
上述求解旋轉矩陣R和平移矩陣T過程中，消除了精確調整和互瞄環節，從原理上克服了人為因素引入的測量誤差，有效地提高了測量精度，且避免了空間障礙物的影響。
實驗證明采用這種測量模型的組合式經緯儀三維坐標測量裝置，可以完全實現經緯儀自身測角精度所對應的長度測量精度0.5″測角精度的經緯儀，1m范圍內可以實現3μm的長度測量精度。
圖1精確確定兩臺經緯儀之間空間位置關系原理2經緯儀三維坐標測量原理圖；具體實施方式
如圖1所示將一個已知基準距離d的標準尺3放置在測量空間內，用兩臺經緯儀1，2同時觀測標準尺上的十字刻線(標記點)，利用標準尺上標記點及基準距離作為約束條件，建立包含兩臺經緯儀空間位置關系參數在內的約束方程。改變標準尺在測量空間內的位置6次以上，共得到多個約束方程組，利用最優化方法求解得到的約束方程組，得到兩臺經緯儀空間位置關系參數R、T。將模型參數代入經緯儀測量模型中，就可以實現空間點三維坐標的精密測量，測量時已無須人工參與經緯儀的調整和相互瞄準。
權利要求
1.一種大尺寸三維空間測量的現場標定裝置，該裝置基于至少由兩臺經緯儀組成的空間三維坐標測量原理，其特征為采用一個已知基準距離的標準物，用經緯儀可觀測標準物上的已知標準點來校準(定向)兩臺經緯儀之間的空間位置關系。
2.如權利要求1所述的一種大尺寸三維空間測量的現場標定裝置，其特征為已知基準距離的標準物可以是標準尺，尺上可以刻有兩個十字刻線，其間距已知，且恒定不變。
3.一種大尺寸三維空間測量的現場標定裝置的測量方法，其特征為提供了一種精確校準(定向)兩臺經緯儀之間位置關系的方法兩臺經緯儀同時觀測空間某一點P，有(t1-X2t3)[Y2(r7X1+r8Y1+r9)-(r4X1+r5Y1+r6)]＝(t1-Y2t3)[X2(r7X1+r8Y1+r9)-(r1X1+r2Y1+r3)](5)式中{Y1=tgβ1/sinα1X1=ctgα1{Y2=tgβ2/sinα2X2=ctgα2]]>α1，β1，α2，β2分別為兩臺經緯儀測得目標點的水平角和豎直角。r1～r9為兩臺經緯儀之間的空間位置關系旋轉矩陣R中的元素，t1，t2，t3為平移矩陣T中的元素(5)式對應的是非線形方程，其中含有旋轉矩陣R和平移矩陣T中所有的12個待求參數，且該方程對于變量t1，t2，t3是齊次的。讓兩臺經緯儀同時瞄準空間不同的n個目標點Pi(i＝1…，n)得到n個方程，即(t1-X2it3)[Y2i(r7X1i+r8Y1i+r9)-(r4X1i+r5Y1i+r6)]＝(6)(t1-Y2it3)[X2i(r7X1i+r8Y1i+r9)-(r1X1i+r2Yi1+r3)]{Y1i=tgβ1i/sinα1iX1i=ctgα1i{Y2i=tgβ2i/sinα2iX2i=ctgα2i]]>式中i＝l…，n。此外，旋轉矩陣R中的元素滿足正交約束 聯立(6)(7)，采用非線形優化算法(如Gauss-Newton法)，可以解算出旋轉矩陣R中的所有元素和T中的兩個元素。得到旋轉矩陣R和T中的兩個元素后，用兩臺經緯儀瞄準空間標準物上的兩個標記點(其間基準距離為D)，由(1)(2)(3)式可以得到兩個標記點的空間三維坐標(其中包含T中的另外一個未知元素)，由兩點間距離等于基準距離D這個約束條件，容易得到平移矩陣T中的所有元素。實際應用時，可以將求解旋轉矩陣R和平移矩陣T合并在一起，即用兩臺經緯儀同時瞄準位于空間不同位置的標準物上的標記點，得到方程(6)和基準距離D，同時解算出旋轉矩陣R和平移矩陣T。
全文摘要
本發明特別涉及一種大尺寸三維空間測量的現場標定裝置及測量方法。當前在許多應用場合,確定經緯儀之間空間位置關系多采用精確調整和互瞄方案,因為人工干預,肯定會引入相當的誤差,從而影響測量精度。本發明采用一個已知基準距離的標準物,用兩臺以上經緯儀同時觀測標準物上的已知標準點,利用標準物的基準距離作為約束條件,建立包含經緯儀測量模型參數在內的約束方程。研究經緯儀全新的測量模型,將引入測量誤差的人為因素作為模型參數隱含在模型中。運用最優化方法求解上述約束方程,解得經緯儀的模型參數,從而從原理上消除人為因素帶來的誤差,提高測量模型的精度。
文檔編號G01B21/04GK1356530SQ0113650
公開日2002年7月3日 申請日期2001年10月15日 優先權日2001年10月15日
發明者葉聲華, 邾繼貴 申請人:天津大學