激光跟踪仪动态精度评定方法研究

2016-09-02潘廷耀范百兴易旺民杨再华

测绘通报 2016年5期

关键词：偏差动态激光

潘廷耀，范百兴，易旺民，西　勤，杨再华

(1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州 450001； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

激光跟踪仪动态精度评定方法研究

潘廷耀1，范百兴1，易旺民2，西勤1，杨再华2

(1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州 450001； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

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1/3000s，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LeicaAT901-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。

激光跟踪仪；动态测量；球杆；最小二乘平差；均方根误差

激光跟踪仪是近20年来发展起来的一种新型测量产品，它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论于一体，具有安装快捷、操作简便、实时扫描、测量精度及效率高等优点，被誉为“便携式三坐标测量机”[1]。

激光跟踪仪的精度指标是由厂家在实验室环境下测试后提供，为仪器不同的性能指标提供的技术参考[2]。但在实际测量过程中，测量误差除了仪器误差外，还受到外界环境、人员等影响。当前国内外学者对激光跟踪仪测量误差评价方法进行了大量研究，主要有标准件比对法、解析法及统计法等[3-5]，但大多数是偏向于静态测量模式下的精度分析，对于动态测量精度研究分析较少。

本文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拟合解算，采用统计分析法对激光跟踪仪的动态测量精度评定方法进行深入的研究，并借助BallBar装置分别对激光跟踪仪的动态测量重复性、不同距离及不同频率下的动态测量精度进行测试分析。

一、大动态测量原理及检校

1. 动态测量原理

激光跟踪仪采用空间球坐标测量原理，获取空间目标点p的水平角α、天顶距β和斜距D。其中测量模块主要由3部分组成，即两个测角单元和一个测距单元。测角单元是两个角度编码器，测距单元是一个单光束激光干涉仪，通过球形目标反射镜接触被测物体实施测量。

实现目标跟踪的是一个四象限光电位置感应器(positionsensitivedector,PSD)，通过PSD控制跟踪头马达，使激光束始终指向反射镜中心[6]。如图1所示，静止状态时，激光头发射的激光束经过复杂光路发射到反射镜中心，反射光原路返回后再投射到PSD中心，此时探测到的位置偏移量为0，输出电压信号为0，控制电路处于稳定状态；随着反射镜的移动，入射光束与反射光束发生一定的偏移，PSD探测出相应的位置偏移量，输出对应大小的电压信号，通过电路驱动马达旋转对应的角度值，调整激光束的偏移量使得激光束始终指向反射镜中心，从而实现目标跟踪。

图1　激光跟踪内部结构

目前，通过PSD技术实现目标跟踪控制的激光跟踪仪，以AT901-B为例，详细测量参数指标见表1[7]。

表1　AT901-B动态测量参数指标

2. 基于Ball Bar的动态检校

随着激光跟踪仪在动态测量中应用的不断增加，激光跟踪仪动态校准技术也成为激光跟踪仪测量领域研究的一项重要内容，目前国内主要参考美国机械工程协会发布的ASMEB89.4.19-2006与中国国家质量监督检验检疫总局发布的JJF1242—2010，参数指标主要为动态速度极限、动态示值误差和动态示值变动量[8]。徕卡公司的FiledCheck检核软件对激光跟踪仪的动态检校进行了详细说明，通过动态跟踪旋转球杆(BallBar)，将实测参数与标准参数比较作为激光跟踪仪的动态测量精度评定参考，依此来检定激光跟踪仪的动态测量精度[9]。

BallBar转动的空间运动轨迹是一个高精度的圆平面，其结构组成如图2所示，主要靠一个9V电池的直流电机来驱动，并通过电位计调节旋转速度。

图2　Ball Bar结构组成

如图3所示，调整BallBar旋转中心与仪器同高，放置在激光跟踪仪正前方A、B两处(<1m及>3m)，设置激光跟踪仪的动态测量模式，调整Ball

Bar的旋转速度，激光跟踪仪动态跟踪测量靶球的坐标值。采用统计分析的方法，利用大量测量点集拟合空间圆，分析空间圆的半径偏差及均方根，依次来检定跟踪仪的动态精度。

图3　检校布置示意图

二、激光跟踪仪动态精度测试

1. 重复性精度

表2　不同距离处重复性精度　mm

2. 动态精度测试

球杆装置能够提供高精度的外部基准—空间圆平面，借助于Ball Bar，通过动态跟踪运动的靶球来分析不同情况时的动态测量精度。根据测量点集，采用最小二乘法拟合出圆平面，计算半径偏差值Δri及均方根误差RMS，依此来评定激光跟踪仪动态测量精度。Δri、RMS、ri的表达式如下

式中，(xi,yi,zi)为测量点pi的点坐标；(x0,y0,z0)为拟合圆心坐标；r0为拟合半径；n为测量点数。

基于上述分析，设计两种试验方案对激光跟踪仪不同距离及频率的动态精度进行测试。

(1) 不同距离精度测试

在Ball Bar靶座上安放CCR1.5″反射镜，调整配重使之平衡，并调整与激光跟踪仪中心大致等高。将Ball Bar放置在激光跟踪仪前方，按一定步距由近及远移动，设置时间间隔的动态测量模式，动态跟踪测量反射镜的点坐标。其中旋转速度为3 r/min，采样间隔为100 ms，每个位置跟踪测量两周，共进行4个步距的试验测试。利用最小二乘法对采样点集进行圆拟合，计算出法向偏差和径向偏差及相应的RMS，处理结果见表3。

由表3可以看出，在10 m范围内，圆平面法向偏差较小且比较稳定；径向偏差与总均方根误差较大，并随着测量距离的增加呈变弱的趋势。主要原因是Ball Bar的运动轨迹是高精度圆平面，径向方向比法向方向运动显著。由此可见，由于距离的增大引起的测角和测距误差，将会导致激光跟踪仪的动态测量误差偏大。

表3　不同距离处数据分析结果　mm

(2) 不同测量频率精度测试

在距离激光跟踪仪10 m处放置Ball Bar，分别采用不同的采点频率动态跟踪，比较不同测量频率时激光跟踪仪的动态跟踪性能。其中Ball Bar转速为5 r/min，动态测量的测量频率设置分3种情况进行：10 Hz、50 Hz、100 Hz，每个频率下跟踪测量2周，根据测量点坐标拟合出圆周，比较不同测量频率时圆周的半径偏差、RMS及测量半径，处理结果见表4。

表4　不同频率数据分析结果　mm

由表4可以看出，不同的采样频率，圆周的径向偏差、法向偏差变化不大。由此可见，测量频率的变化与激光跟踪仪的动态测量精度没有显著的因果关系，进一步表明激光跟踪仪的动态跟踪性能良好。

三、结束语

因其采样频率高、测量精度高、测量范围大等优点，激光跟踪仪在生产制造、装配等领域得到广泛应用。随着动态测量任务的增多，以及其自身优越的动态特性，激光跟踪仪在动态测量方面将有着广泛的应用前景。目前，激光跟踪仪的精度分析绝大部分停留在静态测量模式下，对于动态测量精度的评定还没有明确的方法和标准。本文依据激光跟踪仪三维坐标测量系统校准规范，采用统计分析的方法对激光跟踪仪动态测量精度的评定进行了比较深入的分析，将圆平面偏差值的均方根误差作为评定激光跟踪仪动态测量精度的指标，为以后激光跟踪仪动态性能的研究提供了一定参考。

[1]李广云，李宗春．工业测量系统原理与应用[M].北京：测绘出版社，2001.

[2]李广云，张春富，张军，等．激光跟踪仪现场测量不确定度的评定[J].计量学报,2005,26(1):20-22.

[3]张福民，曲兴华，叶声华．面向对象的大尺寸测量不确定度分析[J].光学精密工程,2008,16(11):2239-2243.

[4]杨凡.激光跟踪仪坐标测量精度分析[C]∥全国工程测量2012技术研讨交流会论文集.[S.l.]：[s.n.]，2012.

[5]王为农，苏永昌，任国营．激光跟踪仪的动态特性研究[J].计量学报,2007,28(1):34-36.

[6]王杨凡，范百兴，李广云，等．激光跟踪仪动态测量精度测试[J].计量学报,2014,35(12):119-122.

[7]杨凡，李广云，王力.激光跟踪仪与球形反射器综合性能测试研究[J].测绘通报, 2014(2):115-118

[8]国家质量监督检验检疫总局.激光跟踪三维坐标测量系统校准规范：JJF 1242—2010[S].北京：中国计量出版社,2010.

[9]范百兴．激光跟踪仪高精度坐标测量技术研究与实现[D]. 郑州：信息工程大学,2013.

[10]王伟，孙海丽，姚连璧，等．激光跟踪仪测量精度分析[J].大地测量与地球动力学,2015,35(1):177-181.

ResearchonEvaluationMethodofLaserTrackerDynamicAccuracy

PANTingyao，FANBaixing，YIWangmin，XIQin，YANGZaihua