扫描平面激光坐标测量系统校准方法的优化

　　1　引　言

　　随着科学技术的快速发展，对先进制造技术的要求越来越高，大尺寸、超大尺寸设备的制造技术尤其令人关注。大型生产设备的制造均对自动化、智能化、柔性化有很高的要求，而它们的实现与高精度、高效率、自动化的测量技术和设备密切相关。目前工业现场常用的测量设备有三坐标测量机，激光跟踪仪测量系统，光电经纬仪测量系统，数字摄影测量系统以及关节臂全站仪等[1-2]。

　　根据测量原理来分类，上述仪器主要分为正交和非正交两大类，而非正交测量系统由于其简便、可移动、非接触等优点而应用广泛。非正交测量系统通过角度、距离的测量来实现坐标测量，比较典型的是激光跟踪仪采用距离和角度测量相结合，而经纬仪[3-4]、双目视觉传感器[5]采用角度交汇。可见，空间角度交汇测量在大尺寸测量中具有举足轻重的作用。

　　另一方面，校准技术是测量仪器的基础，也是其核心技术。一般而言，基于空间角度交汇测量的系统由两个或两个以上基站组成，由基站实现目标方位信息的测量，由多站交汇确定坐标。相应的基站结构参数校准结果影响目标点方位信息测量精度，系统参数校准结果影响系统交汇精度。因此，研究高效、高精度的校准技术对系统整体性能的提高至关重要[6-8]。分析现有的基于角度传感为基础的可见交汇测量方法，其核心问题是空间角度的自动高效测量，以及测量精度的提高[9]。为此，本文提出了一种基于空间前方角度交汇的测量系统，与其他系统不同的是该系统是通过旋转平面激光扫描被测空间来实现自动测角的。鉴于校准技术对于测量系统的重要性，本文重点研究其基站结构参数以及系统参数的校准方法。首先参照现有类似系统的工作原理及其校准方法，结合本系统的基站，基于旋转激光平面实现扫描角测量的原理，采用现有交汇测量的方法，验证了系统实现测量的几何基础，及相应的校准方法。在此基础上，重点分析了校准过程中的误差因素，修正了测量模型，并进一步完善校准方法，从而提高校准效率，减低校准误差。

　　2　系统原理

　　系统硬件主要由两个(或以上)发射站和接收器组成，将接收器安放在被测物上，可随时接收每个发射站的两束旋转平面激光和同步光信号，即时获得激光平面扫描时间，分别计算转换为自身相对于各站的方位信息，由前方交汇原理测出接收器点坐标。其测量原理与传统交汇测量仪器类似，所不同的是其单站自动化快速测角方式。

　　发射站的结构示意图如图1(a)所示，实物图如图1(b)所示。发射站由两大部分组成：固定基座和转台。其中固定基座安置了电源、电机及其控制器和同步光发射模块(脉冲激光器及其驱动)，电机通过轴系与转台连接并带动其均匀转动;转台上主要固定了两个成90°夹角水平放置的发射可见平面激光的激光器，它由无线供电模块实现供电并使其发出的两束激光平面与转轴夹角大约为30°，两光平面夹角约为60°。