激光电子经纬仪动态跟踪引导系统的设计

　　1　引　言

　　近年来，随着国民经济的快速发展和国家装备制造业水平的不断进步，航空航天、汽车、船舶制造等行业对大空间坐标测量提出了越来越高的要求。一些需要精密配合的零部件，表面形貌复杂，尺寸可达几十米，使得传统大尺寸测量仪器和方法很难单独完成工件局部形貌和关键点的实际测量[1]。若在工件近端采用不同类型的可移动式测量设备，并由大尺寸测量仪器作为全局实时坐标控制手段来实现不同类型目标点的动态测量，可以有效提高测量效率，解决工件整体尺寸大与局部空间复杂之间的矛盾。

　　作为传统的大尺寸测量设备，电子经纬仪能够实现同一目标物中不同位置、不同类型点的测量，但需要对每一测量点进行人工瞄准，测量效率低下[2];激光跟踪仪以及全站仪可以主动跟踪运动目标，但都需要合作靶镜，不能直接测量待测特征，限制了其适用范围[3]，使得两者都无法应用于指定目标的动态跟踪领域。为综合两类设备优点，兼顾测量效率和使用范围，一些学者搭建了一系列基于数字经纬仪平台的实验系统，如Kah-men等人以电视经纬仪和激光经纬仪分别作为主从测站，完成目标点半自动搜索和对准操作[4];Niessner进一步利用彩色CCD代替电视经纬仪目镜端的普通相机，借助颜色信息完成复杂目标点的空间坐标计算[5];马彩文等对电视经纬仪视场内的多目标进行识别与定位[6]。但受经纬仪望远镜自身视场范围较小的限制，以上各系统均假定被测目标为按一定空间规律分布的高密度静态特征点，或者经纬仪自身处于静止状态，均难以进行大空间范围内目标自动搜索。

　　本文从组合测量原理出发，将近距离测量设备视为一运动目标，用电子激光经纬仪作为全局控制设备，设计并实现了一种基于视觉的经纬仪引导跟踪方法。该方法借鉴视频监视领域中广泛采用的电视跟踪技术[7]，利用外置大视场相机代替电视经纬仪成像，使得传统空间角度交汇方法应用于动态测量领域成为可能。由于该方法充分结合了激光跟踪仪可以动态跟踪以及激光经纬仪能够对不同类型特征点进行连续测量的优势，如在机器人柔性视觉检测系统的标定[8]等现场环境中使用，可以极大地提高工作效率。

　　2　系统结构及工作原理

　　电子激光经纬仪自动跟踪引导系统由两台带双轴马达驱动的TM5100A电子激光经纬仪、镜头/摄像机、二维运动云台以及工作PC组成。摄像机与变焦镜头固定于云台上，可实现大测量空间范围内的连续扫描。DL2激光器置于经纬仪目镜端，激光束与经纬仪视准轴共线同焦，投射到物体表面的光斑中心即为经纬仪实际瞄准位置。