多边法激光三维坐标测量系统及其跟踪机构设计

　　大尺寸三维坐标测量受到了越来越广泛的关注,人们陆续研究出了各种三维坐标测量系统。本文介绍一种基于多边法原理的四路激光跟踪三维坐标测量系统。由于它不需要进行任何角度测量,从而克服了球坐标法及三角法中测量不确定度随尺寸的增大而增大的缺点,使系统具有较高的测量精度。此外,由于系统采用了冗余设计,因此可以实现自标定、信息自恢复、测量范围扩展等功能。

　　1　系统工作原理及功能特点

　　1.1　工作原理

　　图1所示为多边法四路激光跟踪三维坐标测量系统的工作原理示意图。系统由四路激光跟踪干涉仪和一个目标镜(猫眼逆反射器)组成。Bj(xj,yj,zj)(j=1,2,3,4)为跟踪转镜的回转中心点,Ti(xi,yi,zi)(i=1,2,3,…)为目标镜的中心点,它们分别称为系统的基点和目标点(测量点)。测量时,目标镜在三维空间运动,四路激光跟踪干涉仪同时跟踪目标镜的运动。如果测量点的数目不少于9个,那么系统就可以实现自标定和三维坐标测量。

　　激光跟踪干涉仪由普通的激光干涉仪、跟踪转镜、驱动电动机、控制电路等部分组成。

　　1.2　主要功能特点

　　四路激光跟踪三维坐标测量系统采用了冗余设计,不仅提高了测量的可靠性,更重要的是利用冗余信息,可以实现系统自标定、信息自恢复、测量范围扩展等特殊功能。

　　1.2.1　自标定

　　本系统使用了四路激光跟踪干涉仪,因此对每一个测量点可以得到方程:

　　式中, (xj,yj,zj)(j=1,2,3,4)为第j个基点的坐标;(xi,yi,zi)为第i个测量点的坐标;Lj为初始测量点到第j个基点的距离; lij为第j路激光跟踪干涉仪对第i个测量点的读数。通过建立合理的坐标系,可以将四个基点坐标、初始测量点坐标等系统参数减少到9个。显然,每引入一个测量点就增加了三个未知参数(xi,yi,zi),但可建立四个方程,即产生一个冗余方程。因此,只要测点数不少于9个,就可根据这些冗余方程确定出所有的系统参数,实现系统的自标定。

　　1.2.2　信息自恢复

　　激光干涉仪属于增量码测量仪器,测量过程中一旦光束被挡,便会使其无法继续工作。由于本系统存在一路冗余的激光跟踪干涉仪,测量过程中即使一路光束被挡,仍可根据其余三路提供的信息重置其参数,继续进行跟踪。

　　1.2.3　测量范围扩展

　　对于某些测量对象,一次安装可能无法检测到所有测量点。由于只要有三种激光跟踪干涉仪正常工作就可以保持原有的测量坐标系,因此在测完某一位置上的测量点后,可将系统的一路激光跟踪干涉仪迁移到新的位置,在保持原有坐标系的情况下继续测量。