CN102607464A - 基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置以及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置以及测量方法，可以实现激光跟踪仪在大型面形测量中能进行快速、高效的检测。该辅助装置主要包括一个四驱小车，安装在小车前端的平行四边形升降机构，升降机构一侧安装在一个圆盘上，通过四个螺栓将圆盘安装在小车上，激光跟踪仪的反射靶标(以下描述中称作靶镜)安装在升降机构上，当小车运动时升起靶镜不与被测面接触，测量时下降与被测面充分接触。通过实时测量靶镜与跟踪头各自的空间角度，然后改变靶镜的姿态实现靶镜与跟踪头的自动对准，不会出现断光现象，提高了测量效率。

Description

基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置以及测量方法
技术领域
本发明涉及激光测量的技术领域，具体涉及一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置以及测量方法。
背景技术
激光跟踪仪是一种新型的大范围高精度三维空间坐标的检测设备，例如API公司的T3跟踪仪测距范围可达60米，精度可达微米级，在大型面形测量领域得到越来越多的应用。激光跟踪仪主要由跟踪头、测量标靶(以下简称靶镜)和控制箱组成。激光跟踪仪的工作原理为，在目标点上安置一个测量标靶即靶镜，从跟踪头发出的激光束射到靶镜上，靶镜将激光束反射回跟踪头，返回光束被检测***接收，然后通过仪器的双轴测角***及激光测距***，以一种球坐标的方式确定目标点的空间坐标。目前的激光测距***主要包括干涉距离测量和绝对距离测量两种方式，激光干涉距离测量是利用相位法测量距离，它的精度高，但是激光束路径被打断后，必须对干涉计重置初始距离，即靶镜回初始位置重新进行测量，测量的效率低。绝对测量是利用往返激光光程的时间差来计算距离，光束在阻断后只要重新找到靶镜，就可继续进行测量，测量效率高，但是测量精度不高。测量过程中，当靶镜移动时，跟踪头可以自动调整光束的方向来对准靶镜，但同时要求激光束与靶镜入射面的夹角不能超过一定的角度(激光跟踪目标最常用的靶镜是球式反射镜SMR，其要求光束在靶镜端面上的入射角偏离垂直方向不应超过±20°)，若超出了这个角度，靶镜无法将激光束返回，即出现断光的现象。
目前世界上生产激光跟踪仪的主要是Leica、API、Faro三家公司，它们生产的激光跟踪仪都需要靶镜接触被测面进行测量，这些公司虽然提供了一些辅助配件例如标准杆件、底座等，但在具体的测量中还是需要人工操作。对于某些大型面形例如大口径天文光学望远镜镜面的面形测量精度会达到亚微米级，必须采用激光跟踪仪干涉式测量，但干涉式测量效率低、劳动强度大、容易断光。虽然现在API公司发展了一种新型的智能测头，可以自动接光，提高测量效率，但该技术本质上还是使用绝对测量原理，测量的精度低。
为了克服激光跟踪仪干涉式测量在应用于大型面形时的缺点，希望设计一个辅助***能带动靶镜运动，又能在测量过程中，根据跟踪头与靶镜各自空间角度的变化，调整靶镜的姿态实现靶镜与跟踪头的自动对准，有效的防止断光现象，可以实现激光跟踪仪在大型面形的快速、高精度测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一个基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置以及测量方法，使得激光跟踪仪能快速有效地对面形进行测量。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助测量方法，该方法利用无线控制一个携带靶球的智能小车，通过驱动舵机实现平行四边形连杆的升降实现靶球的升降；通过两个高精度三维角度传感器测量靶球与跟踪头各自的空间角度，然后改变靶球的姿态，实现靶球与跟踪头的自动对准。
一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置，该装置包括靶镜、三维角度传感器、支板、弹簧、平行四边形升降机构、绳子、第一舵机、第二舵机、圆盘、四轮驱动小车、第三舵机、短轴、磁柱；其中：
所述的四轮驱动小车为驱动部分，该驱动部分通过四个直流电机直接带动四轮实现小车的前后左右运动；
所述的靶镜、三维角度传感器、支板、弹簧、平行四边形升降机构、绳子、第一舵机、第二舵机、短轴、磁柱、和第三舵机组成升降机构，所述的连接平行四边形机构与所述的绳子连接，所述的第一舵机与所述的绳子连接，将所述的第三舵机固定在所述的平行四边形机构长杆上，所述的短轴固定在所述的第三舵机的电机轴上，所述的磁柱固定在短轴上且两者中心保持同轴，所述的靶镜吸附于所述的磁柱上，所述的支板固定在所述的短轴上，所述的三维角度传感器粘贴在所述支板上；所述的第三舵机通过所述的短轴来驱动所述的靶球的转动，所述的升降机构通过第一舵机的正反转实现该升降机构的上升和下降。
所述的第二舵机和所述的圆盘组成转台机构，所述的第一舵机连接在所述的四轮驱动小车上，所述的圆盘连接在第二舵机上，所述的升降机构固定在圆盘上，所述的转台机构通过第二舵机的正反转实现该转台机构的正反转；
所有电机、舵机均通过同一个控制电路控制。
本发明所述的基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置的原理在于：一辆四轮驱动小车用以携带靶镜在测量面上运动；小车的前端安装一个平行四边形升降机构，靶镜固定在升降机构上且悬挂在小车的前方，小车运动时升降机构升起，防止靶镜与测量面接触，测量时升降机构下降，使得靶镜与测量面充分接触；小车上安装一个圆盘转动机构，把升降机构固结在圆盘上；同时在跟踪头和靶镜上的安装两个微型三维角度传感器。测量过程中，通过角度传感器测量出跟踪头和靶镜各自的空间角度变化，调整靶镜的姿态使靶镜和跟踪头在测量过程中实时对准，从而有效防止断光现象。
本发明和现有技术相比的优点在于：
1、本发明基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置的控制信息和数据通过无线进行传输的，可以实现较大范围内方便的测量。
2、本发明基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置实现了对被测面的快速测量，提高测量效率。
附图说明
图1为基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置的结构示意图；
图2为装置前向局部示意图；
图3为实现靶镜与跟踪头的对准方法简单示意图；
图4为激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置的控制示意图；
图中，靶镜1、三维角度传感器2、支板3、弹簧4、平行四边形升降机构5、绳子6、第一舵机7、第二舵机8、圆盘9、四轮驱动小车10、第三舵机11、短轴12、磁柱13、另一三维角度传感器14、跟踪头15。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1所示基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置的各个部件为：靶镜1、三维角度传感器2、支板3、弹簧4、平行四边形升降机构5、绳子6、第一舵机7、第二舵机8、圆盘9、四轮驱动小车10、第三舵机11、短轴12、磁柱13。图1中，基于激光跟踪仪大型面形测量的辅助装置机械结构可以分成三部分，第一部分为驱动部分，包括四轮驱动小车10；第二部分为升降机构，包括第一舵机7，平行四边形升降机构5，连接平行四边形机构5与第一舵机7的绳子6，以及固定在第三舵机11的电机轴上的短轴12，磁柱13固定在短轴12上，靶镜1吸附于磁柱13上，支板3固定在短轴12上，以及粘贴在支板3上的三维角度传感器2；第三部分为转台机构，包括连接在四轮驱动小车10上的第二舵机8，连接在第二舵机8上的圆盘9，以及固定在圆盘9上的升降机构。驱动部分通过四个直流电机直接带动四轮实现小车的前后左右运动；通过第一舵机7的正反转实现升降机构的上升和下降；通过第二舵机8的正反转实现转台机构的正反转，所有电机、舵机均通过同一个控制电路控制。
图2为装置前向局部示意图包括第三舵机11固定在所述的平行四边形机构5长杆上，所述的短轴12固定在所述的第三舵机11的电机轴上，所述的磁柱13固定在短轴12上且两者中心保持同轴，所述的靶镜1吸附于所述的磁柱13上，所述的支板3固定在所述的短轴12上，所述的三维角度传感器2粘贴在所述支板3上；所述的第三舵机11通过所述的短轴12来驱动所述的靶球1的转动。
图3所示的各个部件为：跟踪头15、另一三维角度传感器14、靶镜1、三维角度传感器2。另一三维角度传感器14测量跟踪头15的空间姿态变化，而三维角度传感器2则测量靶镜1的空间姿态变化。***工作时，跟踪头15发出的激光束射到靶镜1上，当靶镜处于位置B时，靶镜1正对跟踪头15，跟踪头15发出的激光束被靶镜1原路返回；此后将靶镜1平行移动到位置C，跟踪头15会自动追踪靶镜1而转动，此时另一三维角度传感器14测得跟踪头15的转动角度为α，为使靶镜1仍然对准跟踪头15，需要驱使靶镜1反向转动一定角度β。本***根据角度β，通过机械结构实时调整靶镜1的姿态，理论上要求α与β值相等，但实际上为了控制方便，只要使角度差的绝对值|α-β|保持在测量***要求的范围之内(比如5度)，即可实现靶镜1与跟踪头15的实时自动对准。
图4(1)至(4)所示的各个流程图为整体控制框图(1)、主控端框图(2)、跟踪头控制端框图(3)、小车控制端框图(4)。***分为三个控制端(主控端、小车控制端和跟踪头控制端)、计算机以及辅助设备手柄。跟踪头控制端将采集的跟踪头空间姿态信息实时地发送给主控端，小车控制端接收主控端传输的各种指令并作出相应的控制，同时也实时地反馈靶镜空间姿态信息给主控端；主控端有两个主要功能，一是将计算机传来的小车控制信息发送给小车控制端，而是通过接收跟踪头和靶镜的实时空间姿态信息，计算出靶镜需要调整的角度并发送给小车控制端以实现靶镜与跟踪头的自动对准。计算机用于显示整个辅助测量***的各种相关信息，同时也作为***控制的输入载体。手柄作为辅助设备可成为***的遥控装置。主控端与跟踪头控制端，主控端与小车控制端之间都采用无线通讯方式，可极大的方便辅助***在测量现场的布置。主控端与计算机之间将采用常规的串口通信，手柄与计算机则通过USB或蓝牙连接。三个控制端紧密配合，实现激光跟踪仪对面形的动态测量。
本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助测量方法，其特征是：利用无线控制一个携带靶球的智能小车，通过驱动舵机实现平行四边形连杆的升降实现靶球的升降；通过两个高精度三维角度传感器测量靶球与跟踪头各自的空间角度，然后改变靶球的姿态，实现靶球与跟踪头的自动对准。
2.一种基于激光跟踪仪的大型面形测量的辅助装置，其特征是：该装置包括靶镜(1)、三维角度传感器(2)、支板(3)、弹簧(4)、平行四边形升降机构(5)、绳子(6)、第一舵机(7)、第二舵机(8)、圆盘(9)、四轮驱动小车(10)、第三舵机(11)、短轴(12)、磁柱(13)；其中：
所述的四轮驱动小车(10)为驱动部分，该驱动部分通过四个直流电机直接带动四轮实现小车的前后左右运动；
所述的靶镜(1)、三维角度传感器(2)、支板(3)、弹簧(4)、平行四边形升降机构(5)、绳子(6)、第一舵机(7)、第二舵机(8)、短轴(12)、磁柱(13)、和第三舵机(11)组成升降机构，所述的连接平行四边形升降机构(5)与所述的绳子(6)连接，所述的第一舵机(7)与所述的绳子(6)连接，将所述的第三舵机(11)固定在所述的平行四边形升降机构(5)长杆上，所述的短轴(12)固定在所述的第三舵机(11)的电机轴上，所述的磁柱(13)固定在短轴(12)上且两者中心保持同轴，所述的靶镜(1)吸附于所述的磁柱(13)上，所述的支板(3)固定在所述的短轴(12)上，所述的三维角度传感器(2)粘贴在所述支板(3)上；所述的第三舵机(11)通过所述的短轴(12)来驱动所述的靶球(1)的转动，所述的升降机构通过第一舵机(7)的正反转实现该升降机构的上升和下降；
所述的第二舵机(8)和所述的圆盘(9)组成转台机构，所述的第一舵机(7)连接在所述的四轮驱动小车(10)上，所述的圆盘(9)连接在第二舵机(8)上，所述的升降机构固定在圆盘(9)上，所述的转台机构通过第二舵机(8)的正反转实现该转台机构的正反转；
所有电机、舵机均通过同一个控制电路控制。
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