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        IMS的開發(fā)與應(yīng)用

        2014-11-29 01:25:18雷婉南趙鵬飛
        鐵道勘察 2014年1期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)緯儀全站儀方向

        雷婉南 趙鵬飛

        (上海市測繪院,上海 200063)

        隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)構(gòu)件的幾何尺寸越來越大,檢測精度要求也越來越高。工業(yè)測量系統(tǒng)是以獲得工業(yè)構(gòu)件的幾何參數(shù)為目的的軟硬件集成系統(tǒng)。目前,根據(jù)所用測量儀器的不同,可將工業(yè)測量系統(tǒng)分為以下幾類[1-6]:坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)、全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)、近景攝影測量系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)、iGPS工業(yè)測量系統(tǒng)等,系統(tǒng)的測量精度可達(dá)到亞毫米或更高級別。

        其中前兩種屬于接觸式測量,對于無法到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)具有一定局限性,其他均為非接觸式測量;激光跟蹤測量系統(tǒng)和iGPS工業(yè)測量系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備價格昂貴;激光掃描測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集容易,但數(shù)據(jù)后處理卻相對復(fù)雜;近景攝影測量系統(tǒng)國外發(fā)展相對成熟,但其價格也相對昂貴。

        綜合考慮設(shè)備成本及實(shí)用性,利用兩臺全站儀,開發(fā)出一套操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)的工業(yè)測量系統(tǒng)IMS。利用IMS可實(shí)時采集空間點(diǎn)的三維坐標(biāo),通過數(shù)據(jù)分析獲得被測物體的相關(guān)空間幾何參數(shù),完成工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)或裝配指導(dǎo)工作。

        1 IMS的數(shù)學(xué)模型

        IMS的數(shù)據(jù)采集基于空間前方交會原理,即通過測量空間點(diǎn)的方向值(包括水平方向和垂直方向),實(shí)時獲得其空間三維坐標(biāo)。

        IMS的測量原理如圖1所示,其中A、B分別為兩臺經(jīng)緯儀(或全站儀),P為空間點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[7]將IMS的測量坐標(biāo)系定義為:以經(jīng)緯儀A的結(jié)構(gòu)中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn),以通過A結(jié)構(gòu)中心的鉛垂線為Z軸,取向上為正;以AB連線在水平面的投影為X軸,取A指向B方向?yàn)檎?根據(jù)右手法則確定Y軸。

        圖1 IMS的測量原理

        通過觀測P點(diǎn)的方向值求解其空間三維坐標(biāo)的過程如下:A、B互瞄,得互瞄的水平方向和垂直方向(取天頂距方向,以下同)觀測值分別為:HzAB,VAB,HzBA,VAB;然后用經(jīng)緯儀A、B分別觀測P點(diǎn),得水平方向和垂直方向的觀測值分別為:HzAP,VAP,HzBP,VBP。則點(diǎn)P的空間三維坐標(biāo)為

        式(1)中:α =HzAB-HzAP,β=HzBP-HzBA,b為A、B之間的水平距離,稱為基線長,可通過兩經(jīng)緯儀對某一長度基準(zhǔn)測量進(jìn)而反算得到·b,為兩臺經(jīng)緯儀的高差。

        2 IMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成

        IMS的硬件主要包括兩臺經(jīng)緯儀(或全站儀),基準(zhǔn)尺,數(shù)據(jù)傳輸線,數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換器等。

        IMS測量流程如圖2所示,主要包括以下四個過程:①設(shè)備準(zhǔn)備與初始化;②空間點(diǎn)測量;③數(shù)據(jù)分析;④成果輸出。

        IMS主要包括三個子系統(tǒng):參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)、聯(lián)機(jī)測量子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng),見圖3。

        (1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)

        單位設(shè)置包括長度、角度、溫度和氣壓等參數(shù)的設(shè)置;點(diǎn)誤差警告設(shè)置使用戶可按照工程精度要求設(shè)置誤差容限值及對應(yīng)的警告顏色;基準(zhǔn)尺參數(shù)設(shè)置包括基準(zhǔn)尺尺長及誤差、基準(zhǔn)尺編號、位置編號、端點(diǎn)號等的設(shè)置。

        (2)聯(lián)機(jī)測量子系統(tǒng)

        圖2 IMS基本測量流程

        圖3 IMS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        聯(lián)機(jī)測量子系統(tǒng)包括聯(lián)機(jī)通訊模塊、傳感器協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)定向模塊、測量模式與方法管理模塊。聯(lián)機(jī)通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與傳感器的通訊;傳感器協(xié)議管理模塊用來封裝各傳感器的參數(shù)、指令與數(shù)據(jù)格式解析等;系統(tǒng)定向模塊用于定向解算,確定各傳感器的相對位置和姿態(tài),從而建立一個統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系;測量模式與方法管理模塊向用戶提供多種測量方法,包括移站測量、偏移測量、隱蔽測量等。

        (3)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)分類管理模塊用于數(shù)據(jù)的分類管理,以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用;測量數(shù)據(jù)處理與空間數(shù)據(jù)分析模塊封裝了點(diǎn)、線、面等的相關(guān)分析函數(shù)(如距離、角度、相交、平分計(jì)算,直線、平面、圓、球、橢圓柱等幾何形體的擬合計(jì)算等);坐標(biāo)系生成與轉(zhuǎn)換模塊用于通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、轉(zhuǎn)換參數(shù)和公共點(diǎn)最小二乘轉(zhuǎn)換等方式得到新的坐標(biāo)系。

        3 精度分析

        根據(jù)誤差傳播定律[8],對(1)式求偏導(dǎo),可得空間點(diǎn)P在x、y、z三個方向的中誤差

        其中:ρ=206 265,mα、mβ分別為經(jīng)緯儀水平方向和垂直方向的觀測中誤差,mb為給定基線長誤差(單位為m)。

        則P點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為

        為得到系統(tǒng)的測量精度,以下進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),包括單點(diǎn)測量實(shí)驗(yàn)和反算距離驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)兩個部分。

        IMS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用兩臺標(biāo)稱測角精度均為0.5″的全站儀,而基準(zhǔn)尺的尺長誤差約為±0.1 mm。在IMS完成系統(tǒng)定向后,測量空間某已知點(diǎn)R,兩臺儀器對R點(diǎn)的方向觀測值見表1,測量得坐標(biāo)與已知坐標(biāo)(見表2),兩者在x、y、z三個方向的互差(測量坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的差值)均為亞毫米級,由(2)式、(3)式得R點(diǎn)的點(diǎn)位精度為0.166 mm。

        表1 R點(diǎn)的方向觀測值

        表2 R點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)

        為進(jìn)一步驗(yàn)證IMS單點(diǎn)解算的正確性,利用IMS測量基準(zhǔn)尺上的兩個固定點(diǎn)IS、IS1(兩點(diǎn)理論距離L=1.000 0m),利用測量得到的三維坐標(biāo)反算兩點(diǎn)間距離。為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠,選擇3個不同的基準(zhǔn)尺位置,在每個位置上,分別測量IS和IS1并計(jì)算其三維坐標(biāo),并利用IMS數(shù)據(jù)分析中的距離計(jì)算函數(shù)反算兩點(diǎn)間距離。

        實(shí)驗(yàn)中3個基準(zhǔn)尺位置上解算出的點(diǎn)IS和點(diǎn)IS1的空間三維坐標(biāo)見表3,反算距離與實(shí)際距離之差均在亞毫米級。

        表3 基準(zhǔn)尺的端點(diǎn)觀測值

        通過對兩點(diǎn)間距離反算可得:利用IMS采集點(diǎn)的三維坐標(biāo)反算距離與理論距離之差均為亞毫米級,實(shí)驗(yàn)充分證明IMS精度高,具有強(qiáng)可靠性。

        4 工程實(shí)例

        IMS已成功應(yīng)用于某工業(yè)構(gòu)件(球形儲罐)的檢測項(xiàng)目。被檢球形儲罐的設(shè)計(jì)半徑為6.000 0m,檢測目的是獲得球形儲罐的實(shí)際半徑。

        項(xiàng)目使用高精度全站儀Sokkia Net05(標(biāo)稱測角精度為0.5″,測距精度 ±(1+1 ×10-6D)mm,坐標(biāo)測量采用無棱鏡模式,共采集18個均勻分布在球形儲罐表面的點(diǎn)的坐標(biāo),并計(jì)算出每個點(diǎn)到擬合球面的距離,見表4。參考文獻(xiàn)[9][10],得擬合的球面方程為

        表4 工業(yè)構(gòu)件表面點(diǎn)三維坐標(biāo)

        并通過(5)式計(jì)算點(diǎn)球距中誤差

        注:在該項(xiàng)目中,將兩倍的點(diǎn)球距中誤差作為限差,若某點(diǎn)的點(diǎn)球距超過限差,則認(rèn)為此點(diǎn)觀測值為粗差,將其剔除并重新進(jìn)行擬合分析。

        由檢測結(jié)果可知:球形儲罐的擬合半徑為6.010 8m,與設(shè)計(jì)半徑相差1.08 cm,且點(diǎn)球距中誤差僅為5.1 mm,因此可認(rèn)為該球形儲罐的尺寸是合格的。該工程實(shí)例驗(yàn)證了IMS系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。

        5 結(jié)論

        IMS具有以下優(yōu)點(diǎn):

        ①數(shù)據(jù)采集基于空間前方交會原理,數(shù)學(xué)模型可靠、穩(wěn)定。

        ②為無接觸測量,可觀測大尺寸目標(biāo),且對環(huán)境要求不高,適用于多種測量環(huán)境。

        ③界面友好,可視化工作界面便于用戶操作。

        ④具有一定的智能性,用戶可按照工程精度要求設(shè)置點(diǎn)位誤差容限值,在測量過程中可實(shí)時發(fā)現(xiàn)錯誤,剔除粗差。

        ⑤具有較完善的數(shù)據(jù)分析功能,能滿足常見工業(yè)擬合分析需求。

        ⑥有較高的精度,系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和測量原理保證了系統(tǒng)可進(jìn)行高精度測量,基本可滿足工業(yè)測量精度要求。

        IMS也存在一些不足:

        ①僅實(shí)現(xiàn)了兩臺全站儀的通訊,還不能同時連接多臺全站儀。

        ②隨著現(xiàn)代工業(yè)測量目標(biāo)的幾何尺寸越來越大,測量目標(biāo)外形更加復(fù)雜,IMS的數(shù)據(jù)分析部分雖包括了常見擬合算法,但為適應(yīng)工業(yè)測量發(fā)展,以便滿足多種擬合需求,IMS的擬合算法還有待擴(kuò)充。

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