譚永明

(青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島266101)

0 引 言

精密機(jī)械加工和精密測(cè)量密不可分，加工及測(cè)量精度及可操作性代表著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平。幾十年前，傳統(tǒng)激光測(cè)距技術(shù)出現(xiàn)并運(yùn)用于軍事方面，近幾年來(lái)，隨著非接觸式三維激光測(cè)量自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，并由于其具有非接觸式測(cè)量目標(biāo)、掃描速度快、點(diǎn)位精度分布均勻、直接實(shí)現(xiàn)三維建模軟件對(duì)接等特點(diǎn)，其在建筑測(cè)繪、電網(wǎng)設(shè)施測(cè)量、地形測(cè)量、文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)，以及交通設(shè)施質(zhì)量檢測(cè)等民用行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，三維激光測(cè)量技術(shù)上日趨成熟，并逐漸成為測(cè)繪技術(shù)和方法革新的方向標(biāo)［1］。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)多種數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)需求與日俱增，給地理信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，城市數(shù)字化是中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，地理信息產(chǎn)業(yè)也被寫(xiě)入十一五規(guī)劃綱要，城市空間信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)存在著巨大的容量。國(guó)家測(cè)繪局提供的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用增長(zhǎng)迅速，2009 年服務(wù)應(yīng)用測(cè)量的總產(chǎn)值已經(jīng)超過(guò)了工程應(yīng)用測(cè)量，占整個(gè)行業(yè)的51．6%，達(dá)到309．6 億元，比2008 年增長(zhǎng)30%。而隨著數(shù)字化城市信息建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)、國(guó)內(nèi)高速公路、高速鐵路的建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用的需求越來(lái)越多，我國(guó)GIS 數(shù)據(jù)應(yīng)用正在進(jìn)入一個(gè)需求旺盛期［2］。

由于車(chē)載激光系統(tǒng)組成的重要部件IMU 和GPS 等原先都是軍用設(shè)備，加上激光掃描儀光學(xué)系統(tǒng)和掃描結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工、安裝和測(cè)量調(diào)試要求高，又由于國(guó)內(nèi)研發(fā)因?yàn)橘Y金不足以及牽涉到與流行3D 軟件接口研制等難題，國(guó)內(nèi)至今對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍然處于研究初期，尚未形成規(guī)模，因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上并沒(méi)有真正意義上自主研制的成套產(chǎn)品。與之形成對(duì)比的是，國(guó)外產(chǎn)品中Focus 地面激光掃描集成系統(tǒng)和RIEGL 公司的車(chē)載掃描集成系統(tǒng)仍然是中國(guó)市場(chǎng)的主角。隨著對(duì)城市空間信息及地理信息的巨大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)如首都師范大學(xué)、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院以及中國(guó)科學(xué)院光電研究院等很多高校和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了對(duì)激光測(cè)量系統(tǒng)的探索研究，并在三維激光測(cè)量?jī)x開(kāi)發(fā)、預(yù)處理軟件和后期處理的點(diǎn)云自動(dòng)識(shí)別著色方面取得了初步的成果。

三維激光掃描儀的核心部件是整個(gè)三維激光掃描儀中最為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊，它關(guān)系著三維激光掃描儀的測(cè)量精度和功能，掃描系統(tǒng)一直是激光掃描儀設(shè)計(jì)改進(jìn)中的重中之重。設(shè)計(jì)初的掃描鏡兩端軸承支撐傳動(dòng)，到現(xiàn)在的單臂掃描系統(tǒng)，掃描實(shí)現(xiàn)了由原先的315°到現(xiàn)在的360°無(wú)盲區(qū)掃描，真正實(shí)現(xiàn)了全三維無(wú)遮擋數(shù)據(jù)采集。

1 激光測(cè)量?jī)x的工作原理

三維激光測(cè)量技術(shù)是通過(guò)激光器發(fā)射激光信號(hào)與激光接觸目標(biāo)后反射信號(hào)的相位(時(shí)間)差獲取激光測(cè)量?jī)x到目標(biāo)的直線距離，再根據(jù)發(fā)射激光信號(hào)時(shí)的方向和GPS 獲取到的激光測(cè)量?jī)x所在的空間位置，通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)演算，得到測(cè)量目標(biāo)的空間位置［3］，接連不斷的掃描形成點(diǎn)云，最后通過(guò)后處理軟件將相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝點(diǎn)為其著色、定性，也可通過(guò)通用的三維設(shè)計(jì)軟件將點(diǎn)云生成面或三維結(jié)構(gòu)模型，為測(cè)量實(shí)體提供數(shù)字模型［4］。

激光測(cè)量?jī)x的工作原理如圖1 所示，激光由激光器發(fā)出，經(jīng)由擴(kuò)束鏡調(diào)整光源，通過(guò)傳收過(guò)渡鏡中心光孔形成發(fā)射光斑。發(fā)射光斑進(jìn)入掃描系統(tǒng)后由360°旋轉(zhuǎn)成45°角的鍍膜旋轉(zhuǎn)鏡發(fā)出，形成激光發(fā)射光源，在接觸掃描物體表面反射后，重新返回到旋轉(zhuǎn)鏡表面，再次反射到傳收過(guò)渡鏡上，最后經(jīng)過(guò)濾光瀾到達(dá)激光的接收端。從上可以看出，掃描部分的設(shè)計(jì)部件盡量簡(jiǎn)單，安裝后旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性高，徑向跳動(dòng)小，是實(shí)現(xiàn)三維激光掃描儀測(cè)量精度的關(guān)鍵所在。

圖1 激光測(cè)量?jī)x的工作原理

2 單臂掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單臂掃描系統(tǒng)主要是用在車(chē)載三維測(cè)量?jī)x上，因?yàn)闋砍兜?60°無(wú)遮擋掃描，故要求只有旋轉(zhuǎn)反射鏡探出測(cè)量?jī)x殼體，并且其性能參數(shù)應(yīng)符合表1 要求。

表1 車(chē)載三維激光測(cè)量?jī)x性能參數(shù)

2.1 單臂掃描系統(tǒng)的組成及部件的設(shè)計(jì)選取

單臂掃描系統(tǒng)如圖2 所示，由轉(zhuǎn)臺(tái)軸承、無(wú)框架無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、掃描鏡機(jī)體及掃描鍍膜鏡體四部分組成。

圖2 單臂掃描系統(tǒng)的組成

2．1．1 轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的設(shè)計(jì)選取

轉(zhuǎn)臺(tái)軸承是由一個(gè)推力/向心座圈、一個(gè)推力/向心軸圈、一個(gè)推力墊圈、兩個(gè)保持架及兩組滾球組成，該軸承對(duì)與之相配的設(shè)備零件的要求高，安裝時(shí)需使用力矩扳手安裝螺釘。其具有低摩擦、高旋轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，可以承受軸向、徑向及復(fù)雜載荷，采用單臂支撐方案，與傳統(tǒng)意義上的兩側(cè)使用軸承相比，設(shè)計(jì)安裝更為簡(jiǎn)便，體積更小。其軸向和徑向的跳動(dòng)精度可到2 μm，轉(zhuǎn)動(dòng)精度也有保證。

跳動(dòng)誤差導(dǎo)致的測(cè)量精度計(jì)算:

式中:S 為200 m 處誤差;L 為極限距離;ω 為轉(zhuǎn)臺(tái)軸承跳動(dòng)極限誤差，選用轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際極限誤差為2 ×10－6;t0為轉(zhuǎn)臺(tái)軸承定靜分界點(diǎn)，選用轉(zhuǎn)臺(tái)系數(shù)為0. 042。

經(jīng)計(jì)算得S = 9．523 8 × 10－3m，小于200 m 距離要求的設(shè)計(jì)誤差10 mm，滿足設(shè)計(jì)測(cè)量精度。

轉(zhuǎn)臺(tái)軸承因?yàn)殚g隙小，一般半年到一年就需補(bǔ)充特種潤(rùn)滑油脂，由于三維激光測(cè)量?jī)x為高精度測(cè)量設(shè)備，部件需高度清潔，不宜經(jīng)常拆卸，因此，測(cè)量?jī)x殼體上需考慮加潤(rùn)滑油孔，并保證加油密封和路徑的絕對(duì)安全性。

2．1.2 無(wú)框架無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)選取

無(wú)框架無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空心軸方案，從而實(shí)現(xiàn)激光從芯穿過(guò)，完成激光發(fā)出、回收的單臂路徑。與傳統(tǒng)帶軸的電機(jī)性能相比，省去連軸節(jié)，保持掃描鏡機(jī)體與電機(jī)的同步性更強(qiáng)、同心度更高、受力方式更好;唯一的缺陷在于對(duì)安裝要求高，去除了本應(yīng)該成套組裝的中心軸，由掃描鏡機(jī)體取而代之，不僅要求掃描鏡機(jī)體強(qiáng)度高、硬度好、研磨到位，而且要求精密安裝，保證配合精度。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000 r/min、2 400 r/min 和1 800 r/min 時(shí)，從電機(jī)零位開(kāi)始計(jì)時(shí)，到電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)500 線為止，經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t。

根據(jù)掃描測(cè)量公差，在極限距離200 m 誤差為10 mm 和滯后數(shù)據(jù)測(cè)算電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性為0．26%。

電機(jī)的扭矩主要是用來(lái)克服自身摩擦阻力和轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的摩擦阻力，其扭矩的要求如下:

式中:T 為電機(jī)的常規(guī)扭矩;Tf1為電機(jī)自身的摩擦扭矩，選取電機(jī)自身系數(shù)0．0212 N·m;Tf2為轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的摩擦力矩，選取轉(zhuǎn)臺(tái)摩擦力矩1．6 N·m。

電機(jī)功率計(jì)算:

式中:J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J1為電機(jī)轉(zhuǎn)子部分慣量;J2為軸承轉(zhuǎn)子部分慣量;J3為掃描鏡機(jī)體慣量;J4為掃描鏡膜鏡體慣量。計(jì)算得到J = 0．003 66 kg·m2。

式中:β 為角加速度;Δω 為轉(zhuǎn)速;Δt 為提速時(shí)間;β= 314 rad /s2。

式中:M 為慣性力矩。

式中:N 為轉(zhuǎn)動(dòng)功率;n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，取值3 000 r/min。

考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速高、穩(wěn)定性好、尺寸要求嚴(yán)格及電機(jī)本身的供電電壓(24 V)、力矩及功率要求特殊，目前采用的還是特制無(wú)框架無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。

2．1．3 掃描鍍膜鏡體的設(shè)計(jì)

因?yàn)閽呙桤R旋轉(zhuǎn)速度在3 000 r/min，所以掃描鏡的剛性必須強(qiáng)，并且對(duì)鍍膜表面的光潔度要求更為苛刻，故掃描鍍膜鏡體采用的是硬鋁金屬鍍膜，其功能是將作為激光發(fā)射回收的過(guò)渡平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)發(fā)射，如圖3 所示。而對(duì)于安裝后的角度誤差要求則不高，加工時(shí)的45°面和安裝時(shí)與掃描鏡機(jī)體都不需要很精確，因?yàn)樵O(shè)備組裝完成后都會(huì)通過(guò)全站儀等相關(guān)測(cè)量設(shè)備對(duì)每臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)矯正，校正后的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)軟件對(duì)各自設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正，實(shí)現(xiàn)后期的精確測(cè)量。

圖3 掃描鍍膜鏡體設(shè)計(jì)

因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，且轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性要求高，掃描鍍膜鏡體的設(shè)計(jì)必須考慮動(dòng)平衡，單臂掃描軸向動(dòng)力無(wú)法平衡，徑向可以通過(guò)設(shè)計(jì)減重型孔來(lái)分布重心，讓重心落入軸線上，實(shí)現(xiàn)徑向動(dòng)平衡。

2．1．4 掃描鏡機(jī)體的設(shè)計(jì)

掃描鏡機(jī)體是單臂掃描系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的加工部件，材料剛度、安裝配合公差、高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡都將決定著設(shè)備的測(cè)量精度。掃描鏡機(jī)體采用剛性好、硬度高的高碳鉻鋼GCr15，保證與轉(zhuǎn)臺(tái)的合理安裝配合面使用過(guò)渡配合下偏差－0．011 mm，與之相配的轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)徑偏差為下偏差－0．008 mm，再通過(guò)內(nèi)徑安裝上的緊固螺栓確保掃描鏡機(jī)體和軸承的安裝穩(wěn)定。激光測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)是激光測(cè)量時(shí)進(jìn)行的初定點(diǎn)，為數(shù)據(jù)的掃描提供坐標(biāo)依據(jù)，起到一個(gè)基本標(biāo)靶的作用，所以設(shè)計(jì)時(shí)雕刻深度要求不高，交叉中心需要和回收光路的中心相對(duì)應(yīng)［5］。動(dòng)平衡調(diào)整塊使用的是大比重合金硬質(zhì)鉛材料，其目的是用來(lái)調(diào)整重心，實(shí)現(xiàn)掃描鏡機(jī)體旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。

圖4 掃描鏡機(jī)體的設(shè)計(jì)

掃描鏡掃描部分單向?qū)ΨQ(chēng)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡僅考慮一個(gè)方向，如圖5 所示，計(jì)算如下:

式中:| U| 為重徑積累量;U1為濾光片重徑積;U2為濾光片壓蓋重徑積;U3為掃描鍍膜鏡體重徑積;U4為掃描鏡機(jī)體重徑積。代入數(shù)值計(jì)算得| U | = 247．5 g·mm。

式中:m 為調(diào)整塊重量;l 為力臂，取31．5 mm。計(jì)算得m = 7．857 7 g。

圖5 掃描鏡機(jī)體旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡

作為精密測(cè)量設(shè)備，單臂掃描系統(tǒng)各部件的精密組裝、測(cè)試、設(shè)備維護(hù)、散熱及防塵、防潮、防水、防靜電等防護(hù)措施也是其設(shè)計(jì)必須考慮的重要部分。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)體與靜態(tài)部分的密閉，除了使用密閉擋臺(tái)，還需要在配合處增加防塵毛刷，加固防塵和防潮效果;防水則通過(guò)增加切入平面，設(shè)計(jì)導(dǎo)水槽來(lái)完成;為了防止靜電干擾，三維激光測(cè)量?jī)x電源板及機(jī)芯片都是采用局部增加屏蔽罩屏蔽磁波，整體外殼采用全封閉鋁制金屬外殼，避免激光損害非發(fā)射區(qū)人員健康。

3 結(jié) 語(yǔ)

三維激光測(cè)量?jī)x是目前最先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，具有高自動(dòng)化、高速度、高效率、高測(cè)量精度、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)［6］，成為近幾年來(lái)國(guó)家重點(diǎn)扶持的項(xiàng)目。有人將中國(guó)過(guò)去的十年比作是信息和交通提速的十年，未來(lái)的十年則是光電的十年，激光測(cè)量?jī)x將成為光纜空中監(jiān)測(cè)維護(hù)、道路裂痕檢測(cè)、建筑測(cè)量數(shù)字建模、隧道隱蔽工程圍巖安全監(jiān)測(cè)、高鐵輪軌磨損監(jiān)測(cè)等方面不可缺少的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

隨著三維激光測(cè)量技術(shù)的逐漸成熟和發(fā)展，原先成本價(jià)過(guò)百萬(wàn)的昂貴儀器開(kāi)始規(guī)?；a(chǎn)并大幅度降低成本，而國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也為三維激光測(cè)量?jī)x提供了巨大的市場(chǎng)前景。專(zhuān)家認(rèn)為，三維激光測(cè)量?jī)x將在不久的將來(lái)進(jìn)入國(guó)內(nèi)的建筑行業(yè)，替代現(xiàn)在通用的全站儀等普遍使用的測(cè)量設(shè)備。而作為三維激光掃描儀的核心組成部分，單臂掃描系統(tǒng)的研發(fā)為激光掃描儀的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。希望在不久的將來(lái)，市場(chǎng)上可以看到中國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的三維激光掃描儀。

［1］ 劉旭春，丁延輝．三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪工程，2006，15(1):48－49．

［2］ 陳東華．基于車(chē)載激光掃描系統(tǒng)的三維數(shù)字建模項(xiàng)目［J］．現(xiàn)代商業(yè)，2010，60(30):86－90．

［3］ 李清泉，楊必勝，史文中，等．三維空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、建模與可視化［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2008．

［4］ Amenta N，Kil Y J．Defining point－set surfaces［J］．ACM Trans．Graph．，2004，23(3):264－270．

［5］ 李仁舉，鐘約先，由志福，等．三維測(cè)量系統(tǒng)中攝像機(jī)定標(biāo)技術(shù)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，42(4):481－483．

［6］ Frohlich C，Mettenleiter M．Terrestrial laser scanning——new perspectives in 3D surveying［J］．International Archives of Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2004，36(Part 8):W2．