CN111678433A - 一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法。步骤1：准备器材，十字靶标、经纬仪和量尺或量块、并将上述器材进行安装；步骤2：预调基准，定义零点，而后测量待测坐标点；步骤3：将预调基准后的器材进行实际测量，实际测量包括以下步骤；步骤4：记录测量后的待测坐标点的坐标值。本发明解决通用性不强、误差影响因素多和所需设备成本较高的问题。

Description

一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法。

背景技术

三维空间大尺寸物体的坐标测量、长度测量一直是精密机构装配中的重点和难点问题。特别在大型及特种设备装配中，装配精度高、一次性装配误差小、装备时间短、装配空间有限、装配步骤不可逆等近乎苛刻的条件对空间大尺寸部件的坐标和长度测量提出了挑战，如何能顾在满足一定测量精度条件下，较快地获得所要测量的信息一直是工程师追求的目标。

目前常采用激光跟踪仪+干涉仪，或特制测长机进行测量。采用激光跟踪仪+干涉仪测量时，干涉仪的反射镜和跟踪仪的反射镜放置在工作台上，工作台由电机驱动，沿直线导轨运动，如图1所示。工作台移动时干涉仪反射镜的移动距离与被测目标的移动距离的偏差值反映了被校***的测量偏差，跟踪仪的反射镜与干涉仪的反射镜放置在同一工作台上，当工作台移动一定距离后，得到干涉仪的位移量L₀和跟踪仪的两点坐标P₁、P₂，根据空间点距离公式计算得到间距L,其中A为两目标点之间的交角。这种方法测量结果的精度高，但存在如下问题：

所需设备成本较高：需要使用激光跟踪仪，激光干涉仪，需要单独定制高直线度和高平面度的直线导轨，而且基本是单一的配套设备，通用性不强。

误差影响因素多：激光跟踪仪的靶球位置安装误差，激光干涉仪接受光线的遮挡情况，直线导轨的安装误差都会造成最终测量结果精度的下降。

通用性不强：整套设备较适合实验室环境，对复杂的工业装配现场实用性不强。

发明内容

本发明提供一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，用以解决通用性不强、误差影响因素多和所需设备成本较高的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，其特征在于，所述快速测量方法包括以下步骤：

步骤1：准备器材，十字靶标、经纬仪和量尺或量块、并将上述器材进行安装；

步骤2：预调基准，定义零点，而后测量待测坐标点；

步骤3：将预调基准后的器材进行实际测量，实际测量包括以下步骤：

步骤3.1：将十字靶标固定于标准量块左右两端，能够在经纬仪的目镜中清楚识别其十字交叉点；

步骤3.2：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录量块左侧经纬仪观测量块两端的水平观测角α′₁，α′₂和右侧经纬仪观测量块两端的水平观测角β′₁，β′₂，左侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角γ′₁，γ′₂和右侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角θ′₁，θ′₂；

步骤3.3：因为量块长度已知L₁₂，将α′₁，α′₂，β′₁，β′₂，γ′₁，γ′₂和L₁₂带入到公式(1)中，就会得到两个经纬仪之间的实际间距L′，

设A₁A₂两点的距离为L′₁₂，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂；

步骤3.4：保持经纬仪相对位置不动，重新将十字靶标固定于待测目标点位置；

步骤3.5：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录待测目标点左右两端的水平观测角α₁，α₂和β₁，β₂，垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂继续由公式(1)计算获得待测目标点的间距L′₁₂即双经纬仪坐标系下的坐标，如式(2)，

步骤4：记录测量后的待测坐标点的坐标值。

进一步的，所述步骤2中的预调基准具体为，零点位置要求双经纬仪的水平观测轴线重合，垂直观测轴线与水平观测轴线严格正交，即此时将经纬仪A的观测镜头等效为坐标原点O，水平观测轴线和垂直观测轴线也相交在这个点上，通过调整经纬仪B的高度值h，使得经纬仪A和B同处于一个水平面上，即经纬仪B的X轴向坐标点为B，两者水平间距L。

进一步的，所述步骤3.3中的公式(1)由下述得到：

根据空间前方交汇原理获得全局标定点的空间三维物体坐标，待测坐标点为P点，当经纬仪A和B同时瞄准空间点P时，测量数据为目标点的水平观测角α_A，α_B和垂直观测角β_A和β_B，如果已知两台经纬仪的水平距离b和高度差h，根据几何关系可求出P点相对于空间测量坐标系的三维坐标，A₁和A₂为两个待测的空间坐标点，其在O-XYZ坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，设A₁A₂两点的距离为L₁₂，设A₁和A₂点在O-XY平面内的投影位置是A′₁点和A′₂点，其三维坐标为(x′₁,y′₁,z′₁)和(x′₂,y′₂,z′₂)，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂，根据三角公式可以计算出OB两点的间距L和A₁A₂两点的空间距离L₁₂之间的关系，以及A₁和A₂点在O-XYZ三维空间坐标系下的三维坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，经纬仪间距和被测距离可以相互反求，如式(1)所示，于是A₁和A₂两空间点的间距便可获得。

本发明的有益效果是：

本发明摒弃了激光跟踪仪+干涉仪的严苛实验室条件，完全可以在工业装配场合使用，而且相比较于激光跟踪仪和干涉仪，两台经纬仪及辅助设备的成本远低于激光跟踪仪+干涉仪的成本，无需定制的直线导轨，真正实现了便捷性和通用性。

附图说明

图1现有的激光跟踪仪和干涉仪测量方案结构示意图。

图2本发明的双经纬仪三维空间测量***结构示意图。

图3本发明的双经纬仪空间测量坐标测量模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，所述快速测量方法包括以下步骤：

步骤1：准备器材，十字靶标、经纬仪和量尺或量块、并将上述器材进行安装；十字靶标：在一张白纸上打印出正交的十字叉，要求横竖线条粗细均匀，十字叉相互垂直。打印好的十字靶标粘贴于被测部件的平面位置作为合作目标的靶点，实验室采用10cm×10cm打印纸，Times of New Roman字体48号居中打印；

经纬仪:型号：DJD2厂家：北京博飞光电仪器厂。最短视距1.3m，电子测角精度2″，水平旋转范围0°-360°，竖直旋转范围-75°-355°；

量尺或量块：600mm±15μm的镀铬标准四等量块，测量室温为20±0.4℃；

步骤2：预调基准，定义零点，而后测量待测坐标点；

步骤3：将预调基准后的器材进行实际测量，实际测量包括以下步骤：

步骤3.1：将十字靶标固定于标准量块左右两端，能够在经纬仪的目镜中清楚识别其十字交叉点；

步骤3.2：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录量块左侧经纬仪观测量块两端的水平观测角α′₁，α′₂和右侧经纬仪观测量块两端的水平观测角β′₁，β′₂，左侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角γ′₁，γ′₂和右侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角θ′₁，θ′₂；

步骤3.3：因为量块长度已知L₁₂且是标准量，由图3中的参数，将α′₁，α′₂，β′₁，β′₂，γ′₁，γ′₂和L₁₂带入到公式(1)中，就会得到两个经纬仪之间的实际间距L′，

设A₁A₂两点的距离为L′₁₂，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂；

步骤3.4：保持经纬仪相对位置不动，重新将十字靶标固定于待测目标点位置；

步骤3.5：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录待测目标点左右两端的水平观测角α₁，α₂和β₁，β₂，垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂由于此时双经纬仪的间距L(即L′)已经确定了，因此获得这些参数(α₁，α₂和β₁，β₂，γ₁，γ₂和θ₁，θ₂)后，直接根据式(1)就可获得待测目标的间距L₁₂；继续由公式(1)计算获得待测目标点的间距为L′₁₂即双经纬仪坐标系下的坐标，如式(2)，

步骤4：记录测量后的待测坐标点的坐标值。

进一步的，所述步骤2中的预调基准具体为，零点位置要求双经纬仪的水平观测轴线重合，垂直观测轴线与水平观测轴线严格正交，即此时将经纬仪A的观测镜头等效为坐标原点O，水平观测轴线和垂直观测轴线也相交在这个点上，通过调整经纬仪B的高度值h，使得经纬仪A和B同处于一个水平面上(具体操作方法：可以将十字靶标悬垂于经纬仪A和B的中间位置并令其静止不动，调整经纬仪角度使得两个经纬仪的目镜水平刻线均与十字靶标的水平线重合，此时可将经纬仪水平读数定义为0°)，即经纬仪B的X轴向坐标点为B，两者水平间距L。

进一步的，所述步骤3.3中的公式(1)由下述得到：

根据空间前方交汇原理获得全局标定点的空间三维物体坐标，如图2所示：待测坐标点为P点，当经纬仪A和B同时瞄准空间点P时，测量数据为目标点的水平观测角α_A，α_B和垂直观测角β_A和β_B，如果已知两台经纬仪的水平距离b和高度差h，根据几何关系可求出P点相对于空间测量坐标系的三维坐标，测量模型简化为如图3所示：A₁和A₂为两个待测的空间坐标点，其在O-XYZ坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，设A₁A₂两点的距离为L₁₂，设A₁和A₂点在O-XY平面内的投影位置是A′₁点和A′₂点，其三维坐标为(x′₁,y′₁,z′₁)和(x′₂,y′₂,z′₂)，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂，根据三角公式可以计算出OB两点的间距L和A₁A₂两点的空间距离L₁₂之间的关系，以及A₁和A₂点在O-XYZ三维空间坐标系下的三维坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，经纬仪间距和被测距离可以相互反求，如式(1)所示，于是A₁和A₂两空间点的间距便可获得。本发明中β_A＝β₁和β_B＝β₂，α_A＝α₁，α_B＝α₂。

本发明的经纬仪读数造成的误差，由于经纬仪精度为2″，实验的视距为2330mm，经过计算此经纬仪读数引起的位移误差为1.73mm，满足3mm的定位精度要求。

由于经纬仪目镜中心的十字刻线和十字靶标的交叉点重合，不存在镜头畸变导致的读数误差，但由于较远距离会使得瞄准精度下降，因此视距经过计算为2m-15m，此阶段能保证最佳的测量效果。

实施例2

1、测量装置的安装要求：

实际测量过程中，最好确保两台经纬仪垂直高度一致，可利用三脚架进行粗调，再利用升降螺旋进行精调，如果有高度差h的影响，式(1)和式(2)中需要加入补偿量。

由于待测目标和经纬仪观测水平轴线的相对位置不同，如果经纬仪水平轴线高于待测目标水平轴线，很可能会出现垂直观测角读数穿越90°的情况；在90°附近，实验表明实际计算结果与理论上的被测距离会出现误差；这个误差是一个具有非线性特征的***误差，不仅与垂直观测角的数值有关还与两台经纬仪之间的距离相关，因此可以人为令待测目标的水平轴线整体高于经纬仪的水平轴线，或者整体低于经纬仪的水平轴线，这样经纬仪的垂直观测角可以连续调整，既方便观测，又消除此***误差。

高精度量块的端面可以放置荧光物质作为特征点靶标，十字刻线的线宽不易太宽(20-50磅，越远远视距线宽越宽，Times of New Roman即可)。

2、测量过程要求：

整个测量过程要求经纬仪一旦调零后不得变换位置，不得已变换位置必须重新调零。

十字刻线靶标的中心点一定要与经纬仪目镜中心点重合，重合的标准为两点相互覆盖，或者一个中心点完全在另一个中心点内，无多余面积。

电子经纬仪读数可由经纬仪显示屏读出，对光学经纬仪来讲，人眼读数是必须的。无论是电子读数还是人眼读数，需要等到经纬仪完全按要求瞄准被测物体的十字靶标，并且静止之后才可以读取，从而避免人为引入的读数误差。

Claims (3)

1.一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，其特征在于，所述快速测量方法包括以下步骤：

步骤1：准备器材，十字靶标、经纬仪和量尺或量块、并将上述器材进行安装；

步骤2：预调基准，定义零点，而后测量待测坐标点；

步骤3：将预调基准后的器材进行实际测量，实际测量包括以下步骤：

步骤3.1：将十字靶标固定于标准量块左右两端，能够在经纬仪的目镜中清楚识别其十字交叉点；

步骤3.2：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录量块左侧经纬仪观测量块两端的水平观测角α′₁，α′₂和右侧经纬仪观测量块两端的水平观测角β′₁，β′₂，左侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角γ′₁，γ′₂和右侧经纬仪观测量块两端的垂直观测角θ′₁，θ′₂；

步骤3.3：因为量块长度已知L₁₂，将α′₁，α′₂，β′₁，β′₂，γ′₁，γ′₂和L₁₂带入到公式(1)中，就会得到两个经纬仪之间的实际间距L′；

设A₁A₂两点的距离为L′₁₂，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂；

步骤3.4：保持经纬仪相对位置不动，重新将十字靶标固定于待测目标点位置；

步骤3.5：调整双经纬仪的水平和垂直角度，使得经纬仪目镜中心十字刻线与靶标十字刻线重叠，分别记录待测目标点左右两端的水平观测角α₁，α₂和β₁，β₂，垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂继续由公式(1)计算获得待测目标点的间距L′₁₂即双经纬仪坐标系下的坐标，如式(2)，

步骤4：记录测量后的待测坐标点的坐标值。

2.根据权利要求1所述一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，其特征在于，所述步骤2中的预调基准具体为，零点位置要求双经纬仪的水平观测轴线重合，垂直观测轴线与水平观测轴线严格正交，即此时将经纬仪A的观测镜头等效为坐标原点O，水平观测轴线和垂直观测轴线也相交在这个点上，通过调整经纬仪B的高度值h，使得经纬仪A和B同处于一个水平面上，即经纬仪B的X轴向坐标点为B，两者水平间距L。

3.根据权利要求1所述一种基于双经纬仪的空间大尺寸坐标快速测量方法，其特征在于，所述步骤3.3中的公式(1)由下述得到：

获得全局标定点的空间三维物体坐标，待测坐标点为P点，当经纬仪A和B同时瞄准空间点P时，测量数据为目标点的水平观测角α_A，α_B和垂直观测角β_A和β_B，如果已知两台经纬仪的水平距离b和高度差h，根据几何关系可求出P点相对于空间测量坐标系的三维坐标，A₁和A₂为两个待测的空间坐标点，其在O-XYZ坐标系下的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，设A₁A₂两点的距离为L₁₂，设A₁和A₂点在O-XY平面内的投影位置是A′₁点和A′₂点，其三维坐标为(x′₁,y′₁,z′₁)和(x′₂,y′₂,z′₂)，两台经纬仪记录的水平观测角为α₁，α₂和β₁，β₂，记录的垂直观测角为γ₁，γ₂和θ₁，θ₂，根据三角公式可以计算出OB两点的间距L和A₁A₂两点的空间距离L₁₂之间的关系，以及A₁和A₂点在O-XYZ三维空间坐标系下的三维坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂，y₂，z₂)，经纬仪间距和被测距离可以相互反求，如式(1)所示，于是A₁和A₂两空间点的间距便可获得。

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