專利名稱：大尺寸三維空間測量的現(xiàn)場標(biāo)定裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(xiàn)場標(biāo)定裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
標(biāo)定是精密測量的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代計量測試的重要環(huán)節(jié)，一臺測量設(shè)備或儀器必須經(jīng)過更高一級精度儀器(或裝置)的標(biāo)定才具備測量精度，用于實際測量。
在長度測量領(lǐng)域，中等尺寸是常用尺寸，測量儀器種類多，相關(guān)的標(biāo)定技術(shù)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(guān)的標(biāo)定技術(shù)及裝置也不完善，尤其是大尺寸空間三維坐標(biāo)測量儀器的現(xiàn)場標(biāo)定還缺乏有效的技術(shù)手段。
能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)場標(biāo)定空間坐標(biāo)測量儀器的技術(shù)關(guān)鍵是在現(xiàn)場組建一個高精度空間三維坐標(biāo)測量裝置，用該裝置對被標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在當(dāng)前技術(shù)條件下，現(xiàn)場組建高精度空間三維坐標(biāo)測量裝置的最有效方案是采用兩臺(或多臺)高精度電子經(jīng)緯儀構(gòu)成可移動式大尺寸空間坐標(biāo)測量裝置，其測量原理是空間交會測量原理假定兩臺經(jīng)緯儀固定后，相互之間的關(guān)系(位置參數(shù))已知，用兩臺經(jīng)緯儀同時觀測某一被測點(diǎn)時，由該點(diǎn)在兩臺經(jīng)緯儀中的觀測角度以及兩臺經(jīng)緯儀之間的位置參數(shù)就可以求得該點(diǎn)在空間的坐標(biāo)。
由兩臺經(jīng)緯儀組成的三維坐標(biāo)測量原理如圖2所示。兩臺經(jīng)緯儀分別稱為左經(jīng)緯儀和右經(jīng)緯儀，它們對應(yīng)的坐標(biāo)系分別為O1X1Y1Z1，O2X2Y2Z2，設(shè)被測點(diǎn)P在O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2中的坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，測量時，左經(jīng)緯儀測量P點(diǎn)在O1X1Y1Z1中的水平角和豎直角為α1，β1，右經(jīng)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(guān)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(jīng)緯儀測量值，RT為O1X1Y1Z1坐標(biāo)系和O2X2Y2Z2坐標(biāo)系之間位置關(guān)系矩陣(旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣)，是固定值，應(yīng)當(dāng)事先確定，于是可以解得P點(diǎn)在O1X1Y1Z1或O2X2Y2Z2坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。
由測量原理可以看出，除經(jīng)緯儀的測角精度(α1，β1，α2，β2中包含的測量誤差)和P點(diǎn)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(dá)到的最高精度。如何確定坐標(biāo)系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2之間的空間位置關(guān)系(R，T參數(shù)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(dāng)前應(yīng)用中，確定經(jīng)緯儀之間空間位置關(guān)系多采用精確調(diào)整和互瞄方案首先將兩臺經(jīng)緯儀精確調(diào)水平，保證兩臺經(jīng)緯儀的水平面回轉(zhuǎn)軸(經(jīng)緯儀坐標(biāo)系的y坐標(biāo)軸)相互平行；其次用兩臺經(jīng)緯儀相互瞄準(zhǔn)，以此設(shè)定兩臺經(jīng)緯儀在水平面內(nèi)的x坐標(biāo)軸(或z坐標(biāo)軸)相互平行。經(jīng)過精確調(diào)整后的兩臺經(jīng)緯儀的坐標(biāo)系相互平行，即旋轉(zhuǎn)矩陣R是單位矩陣I，兩個經(jīng)緯儀坐標(biāo)系之間只存在純粹的平移關(guān)系。在得到旋轉(zhuǎn)矩陣R是單位矩陣I后，采用量測空間基準(zhǔn)距離方法，可以方便地求出坐標(biāo)系之間的平移矩陣T。精確調(diào)整和互瞄方案確定經(jīng)緯儀坐標(biāo)系之間旋轉(zhuǎn)矩陣包含了相當(dāng)大的人為誤差因素首先，調(diào)整經(jīng)緯儀水平時，手動調(diào)整精度很難達(dá)到2″以內(nèi)；其次，兩臺經(jīng)緯儀互瞄時，因為瞄準(zhǔn)目標(biāo)是望遠(yuǎn)鏡的中心，不利于經(jīng)緯儀精確瞄準(zhǔn)，存在很大的瞄準(zhǔn)誤差，由此確定的旋轉(zhuǎn)矩陣R含有較大誤差，該誤差還會進(jìn)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(yīng)用現(xiàn)場，經(jīng)緯儀之間的空間內(nèi)可能存在不可移動的障礙物，經(jīng)緯儀之間不能進(jìn)行互瞄。因此，這種方法的主要缺點(diǎn)在于因為人工干預(yù)，肯定會引入相當(dāng)?shù)恼`差，從而影響測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
在采用兩臺以上經(jīng)緯儀組建高精度空間三維坐標(biāo)測量裝置時，如何精確確定兩臺經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系，完全克服人為因素引入的測量誤差是本專利發(fā)明的主要內(nèi)容。本發(fā)明是以下述方法實現(xiàn)的無須人工調(diào)整環(huán)節(jié)，采用一個已知基準(zhǔn)距離的標(biāo)準(zhǔn)物，標(biāo)準(zhǔn)物上刻有兩個標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)間距離是已知的基準(zhǔn)距離，用兩臺經(jīng)緯儀同時觀測標(biāo)準(zhǔn)物上的已知標(biāo)記點(diǎn)，利用標(biāo)準(zhǔn)物的基準(zhǔn)距離作為約束條件，建立包含兩臺經(jīng)緯儀之間空間位置關(guān)系參數(shù)在內(nèi)的約束方程，運(yùn)用最優(yōu)化方法求解上述約束方程，解得兩臺經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系參數(shù)。此標(biāo)準(zhǔn)物可以是標(biāo)準(zhǔn)尺，尺上可以刻有兩個十字刻線(標(biāo)記點(diǎn))，其間距已知，且恒定不變。精確確定兩臺經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系原理如圖1所示。
前已論述，提高測量精度的關(guān)鍵是精確確定經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系參數(shù)旋轉(zhuǎn)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(jīng)緯儀測得目標(biāo)點(diǎn)的水平角和豎直角。
(5)式對應(yīng)的是非線形方程，其中含有旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T中所有的12個待求參數(shù)，且該方程對于變量t1，t2，t3是齊次的。
讓兩臺經(jīng)緯儀同時瞄準(zhǔn)空間不同的n個目標(biāo)點(diǎn)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(zhuǎn)矩陣R中的元素滿足正交約束 聯(lián)立(6)(7)，采用非線形優(yōu)化算法(如Gauss-Newton法)，可以解算出旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩陣R和T中的兩個元素后，用兩臺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)空間標(biāo)準(zhǔn)物上的兩個標(biāo)記點(diǎn)(其間基準(zhǔn)距離為D)，由(1)(2)(3)可以得到兩個標(biāo)記點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(其中包含T中的另外一個未知元素)，由兩點(diǎn)間距離等于基準(zhǔn)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(yīng)用時，可以將求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T合并在一起，即用兩臺經(jīng)緯儀同時瞄準(zhǔn)位于空間不同位置的標(biāo)準(zhǔn)物上的標(biāo)記點(diǎn)，得到方程(6)和基準(zhǔn)距離D，同時解算出旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。
上述求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T過程中，消除了精確調(diào)整和互瞄環(huán)節(jié)，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(jīng)緯儀三維坐標(biāo)測量裝置，可以完全實現(xiàn)經(jīng)緯儀自身測角精度所對應(yīng)的長度測量精度0.5″測角精度的經(jīng)緯儀，1m范圍內(nèi)可以實現(xiàn)3μm的長度測量精度。


圖1精確確定兩臺經(jīng)緯儀之間空間位置關(guān)系原理2經(jīng)緯儀三維坐標(biāo)測量原理圖；具體實施方式
如圖1所示將一個已知基準(zhǔn)距離d的標(biāo)準(zhǔn)尺3放置在測量空間內(nèi)，用兩臺經(jīng)緯儀1，2同時觀測標(biāo)準(zhǔn)尺上的十字刻線(標(biāo)記點(diǎn))，利用標(biāo)準(zhǔn)尺上標(biāo)記點(diǎn)及基準(zhǔn)距離作為約束條件，建立包含兩臺經(jīng)緯儀空間位置關(guān)系參數(shù)在內(nèi)的約束方程。改變標(biāo)準(zhǔn)尺在測量空間內(nèi)的位置6次以上，共得到多個約束方程組，利用最優(yōu)化方法求解得到的約束方程組，得到兩臺經(jīng)緯儀空間位置關(guān)系參數(shù)R、T。將模型參數(shù)代入經(jīng)緯儀測量模型中，就可以實現(xiàn)空間點(diǎn)三維坐標(biāo)的精密測量，測量時已無須人工參與經(jīng)緯儀的調(diào)整和相互瞄準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種大尺寸三維空間測量的現(xiàn)場標(biāo)定裝置，該裝置基于至少由兩臺經(jīng)緯儀組成的空間三維坐標(biāo)測量原理，其特征為采用一個已知基準(zhǔn)距離的標(biāo)準(zhǔn)物，用經(jīng)緯儀可觀測標(biāo)準(zhǔn)物上的已知標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)來校準(zhǔn)(定向)兩臺經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸三維空間測量的現(xiàn)場標(biāo)定裝置，其特征為已知基準(zhǔn)距離的標(biāo)準(zhǔn)物可以是標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場標(biāo)定裝置的測量方法，其特征為提供了一種精確校準(zhǔn)(定向)兩臺經(jīng)緯儀之間位置關(guān)系的方法兩臺經(jīng)緯儀同時觀測空間某一點(diǎn)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(jīng)緯儀測得目標(biāo)點(diǎn)的水平角和豎直角。r1～r9為兩臺經(jīng)緯儀之間的空間位置關(guān)系旋轉(zhuǎn)矩陣R中的元素，t1，t2，t3為平移矩陣T中的元素(5)式對應(yīng)的是非線形方程，其中含有旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T中所有的12個待求參數(shù)，且該方程對于變量t1，t2，t3是齊次的。讓兩臺經(jīng)緯儀同時瞄準(zhǔn)空間不同的n個目標(biāo)點(diǎn)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(zhuǎn)矩陣R中的元素滿足正交約束 聯(lián)立(6)(7)，采用非線形優(yōu)化算法(如Gauss-Newton法)，可以解算出旋轉(zhuǎn)矩陣R中的所有元素和T中的兩個元素。得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和T中的兩個元素后，用兩臺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)空間標(biāo)準(zhǔn)物上的兩個標(biāo)記點(diǎn)(其間基準(zhǔn)距離為D)，由(1)(2)(3)式可以得到兩個標(biāo)記點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(其中包含T中的另外一個未知元素)，由兩點(diǎn)間距離等于基準(zhǔn)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(yīng)用時，可以將求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T合并在一起，即用兩臺經(jīng)緯儀同時瞄準(zhǔn)位于空間不同位置的標(biāo)準(zhǔn)物上的標(biāo)記點(diǎn)，得到方程(6)和基準(zhǔn)距離D，同時解算出旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。
全文摘要
本發(fā)明特別涉及一種大尺寸三維空間測量的現(xiàn)場標(biāo)定裝置及測量方法。當(dāng)前在許多應(yīng)用場合,確定經(jīng)緯儀之間空間位置關(guān)系多采用精確調(diào)整和互瞄方案,因為人工干預(yù),肯定會引入相當(dāng)?shù)恼`差,從而影響測量精度。本發(fā)明采用一個已知基準(zhǔn)距離的標(biāo)準(zhǔn)物,用兩臺以上經(jīng)緯儀同時觀測標(biāo)準(zhǔn)物上的已知標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn),利用標(biāo)準(zhǔn)物的基準(zhǔn)距離作為約束條件,建立包含經(jīng)緯儀測量模型參數(shù)在內(nèi)的約束方程。研究經(jīng)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(shù)隱含在模型中。運(yùn)用最優(yōu)化方法求解上述約束方程,解得經(jīng)緯儀的模型參數(shù),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(yōu)先權(quán)日2001年10月15日
發(fā)明者葉聲華, 邾繼貴 申請人:天津大學(xué)