□ 馮祝雷 □ 李 明 □ 丁海東

上海大學 上海市智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

一種基于激光跟蹤儀的地理坐標系建立方法

□ 馮祝雷 □ 李 明 □ 丁海東

上海大學 上海市智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

地理坐標系是用于確定物體在地球上位置的坐標系，廣泛應(yīng)用于工業(yè)數(shù)字測量領(lǐng)域。隨著工業(yè)生產(chǎn)向高精度、極端化發(fā)展，工業(yè)測量系統(tǒng)必須滿足大范圍、快速、動態(tài)跟蹤、高精度等要求。在工業(yè)測量中，一些高精度的測量儀器如激光跟蹤儀的使用越來越廣泛，但是，這些工業(yè)測量用高精度測量儀器并不具備建立地理坐標系的能力，這給高精度測量儀器在工業(yè)測量中的大范圍使用增加了困難。針對工業(yè)測量用高精度測量儀器并不具備得到經(jīng)緯度方向能力的缺點，提出一種激光跟蹤儀建立地理坐標系的方法。

地理坐標系 激光跟蹤儀 工業(yè)測量

工業(yè)測量是指工業(yè)制造和設(shè)備安裝工程中對部件和產(chǎn)品形體進行精密的三維坐標測量，實時測定出被觀測對象的位置、形狀、運行軌跡和變形參數(shù)等三維數(shù)據(jù)［1］。工業(yè)測量是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一［2］。

在工業(yè)測量中，坐標系的建立是測量最基本的前提條件?？臻g坐標系主要分為地理坐標系、空間直角坐標系、投影坐標系［3］，其中，地理坐標系也稱為真實世界的坐標系，是用于確定物體在地球上位置的坐標系，廣泛應(yīng)用于工業(yè)數(shù)字測量領(lǐng)域。地理坐標系的建立方法有很多，包括3-2-1方法、一面兩銷方法、空間最佳擬合方法等。這些方法雖然可以建立地理坐標系，但是都必須以直接或間接的點、線、面這些基本要素為基礎(chǔ)，方能得到這些基本要素的經(jīng)緯度方向及坐標原點，但是大多用于工業(yè)測量中的高精度測量儀器，并不具備得到經(jīng)緯度方向的能力［4］。隨著工業(yè)生產(chǎn)向高精度、極端化發(fā)展，工業(yè)測量系統(tǒng)必須滿足大范圍、快速、動態(tài)跟蹤、高精度等要求。激光跟蹤儀因其快速、動態(tài)、高精度等特點，在精密工業(yè)測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但是激光跟蹤儀并不能直接建立地理坐標系。

筆者在對上述地理坐標系的建立方法進行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于激光跟蹤儀的地理坐標系構(gòu)建方法。通過結(jié)合使用激光跟蹤儀和經(jīng)緯儀，快速高精度地建立地理坐標系，滿足高精度工業(yè)測量需求。

1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是一種工業(yè)測量儀器，它最突出的特點是快速、動態(tài)、高精度，因此已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、造船、汽車、新能源等大尺寸的精密工業(yè)測量領(lǐng)域。激光跟蹤儀結(jié)構(gòu)［5］由跟蹤頭、目標反射鏡、控制箱和測量軟件等組成，跟蹤儀內(nèi)部有一套激光干涉儀、兩套角度編碼器、電機以及光電接收器件等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 激光跟蹤儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光跟蹤測量系統(tǒng)的基本工作原理［6］：由激光干涉儀發(fā)射出的測量光束,經(jīng)過分光鏡到達跟蹤轉(zhuǎn)鏡之后,由跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射到目標鏡中心,由目標鏡中心入射的光線按原光路返回,到達分光鏡后，一部分激光束被反射到光電位置檢測器,另一部分光束進入干涉系統(tǒng)與參考光束匯合從而進行位移測量。進入光電檢測器的光束用于實現(xiàn)對目標鏡的跟蹤,平衡狀態(tài)時位置檢測器輸出信號為零，此時控制系統(tǒng)并沒有信號輸出；當目標靶鏡開始運動時，返回光束發(fā)生平移，在位置檢測器上產(chǎn)生偏差信號。該信號輸入到跟蹤控制系統(tǒng)，驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)鏡圍繞反射基點旋轉(zhuǎn)，從而改變進入目標靶鏡的光束方向，使偏差信號減小，實現(xiàn)對目標靶鏡的跟蹤。

2 地理坐標系

地理坐標系是使用三維球面來定義地球表面位置，以實現(xiàn)通過經(jīng)緯度對地球表面點位引用的坐標系。如圖2所示，將地球抽象成一個規(guī)則的逼近原始自然

地球表面的橢球體，稱為參考橢球體。參考橢球面上水平線為等緯度線，參考橢球面上垂直線是等經(jīng)度線，地面沿法線到參考橢球面的距離為大地高［7］。

最常用的地理坐標系為經(jīng)緯度坐標系：以地球的經(jīng)度和緯度為坐標軸，經(jīng)度為東西方向，為X軸；緯度為南北方向，為Y軸。地理坐標系包含6個基本要素，可由經(jīng)緯度及右手坐標系原則確定的法矢方向為3個坐標軸，這樣確定了坐標系的方向，可滿足角度測量的任務(wù)。根據(jù)五四坐標系原則，用GPS等相關(guān)設(shè)備確定坐標原點，可滿足距離測量。

▲圖2 地理坐標系

▲圖3 一種激光跟蹤儀建立地理坐標系示意圖

3 地理坐標系建立方案

地理坐標系包含6個基本要素，可由經(jīng)緯度及右手坐標系原則確定的法矢方向為3個坐標軸，這樣確定了坐標系的方向，可滿足角度測量的任務(wù)。如需測量距離，則需確定具體的坐標系位置，即需要得到確定的坐標原點，因為跟蹤儀是一個測量幾何量的儀器，本身與地理坐標系沒有任何關(guān)系。因此建立地理坐標系，需要借助于水平儀和經(jīng)緯儀等相關(guān)設(shè)備，借助五四坐標系原則，用GPS來確定坐標原點。

筆者建立的地理坐標系，以經(jīng)度為X軸，以緯度為Y軸，以基準水平面的法線方向為Z軸。通過對地理坐標系的建立進行系統(tǒng)研究，以X、Y軸分別表示經(jīng)度和緯度，則需要建立基準水平面，基準水平面為參考橢球面在測量點的切平面，其次需要在測量空間內(nèi)獲取南北與東西方向。經(jīng)緯儀可用于測量角度，激光跟蹤儀可用于測量距離，筆者以經(jīng)緯儀和激光跟蹤儀為測量儀器，建立地理坐標系。激光跟蹤儀自帶水平儀，可確定豎直方向即Z軸，北向通過經(jīng)緯儀來實現(xiàn)。經(jīng)緯儀通過4個靶球把北向引入到跟蹤儀內(nèi)，如圖3所示。具體步驟如下。

（1）調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀的水平方向和豎直方向，找到正北方向，并將經(jīng)緯儀置零。

（2）調(diào)節(jié)激光跟蹤儀，通過其自帶的水平儀，使其找正水平面。通過激光跟蹤儀軟件，可得到此時激光跟蹤儀所在水平面及其相對于地心的法矢方向，即激光跟蹤儀所在點與地心連線方向。找正后得到的水平面作為基準水平面P。

（3）在經(jīng)緯儀所在空間任意布置2個激光跟蹤儀的靶球A和靶球B，并分別在靶球A、B與經(jīng)緯儀原點所在大致方向放置兩個靶球C和D，對靶球C和D的具體位置沒有嚴格要求。

（4）調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀，對準靶球A的中心，測量其對應(yīng)的水平角α1。固定此時水平角，轉(zhuǎn)動經(jīng)緯儀的豎直角到一定位置。移動靶球C及微調(diào)經(jīng)緯儀豎直角，使經(jīng)緯儀對準靶球C的中心，以確保靶球A和C投影到水平面后處于同一直線上。

（5）調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀，對準靶球B的中心，測量其對應(yīng)的水平角α2。固定此時水平角，轉(zhuǎn)動經(jīng)緯儀的豎直角到一定位置。移動靶球D及微調(diào)經(jīng)緯儀的豎直角，使經(jīng)緯儀對準靶球D的中心，以確保靶球B和D投影到水平面P后處于同一直線上。

（6）運用激光跟蹤儀，測量4個靶球A、B、C和D，并將其投影到水平面P內(nèi)，得到4個投影點A、B、C和D的坐標值，投影后得到的4個點的水平角與對應(yīng)的4個靶球的水平角沒有發(fā)生變化：通過跟蹤儀軟件計算出點A、C連線和點B、D連線在水平面P內(nèi)的交點O′，O′與A、B構(gòu)成三角形，若以AB為X軸建立坐標系，需求出AB與正北方向夾角：AB連線與正北方向交于點E，AB連線與正北方向夾角為α角；為求出α角，由激光跟蹤儀軟件計算得到△ABO′內(nèi)AB、AO′、BO′的長度，∠AO′B=α1-α2。

在△ABO′內(nèi)，由余弦定理得：

（7）通過激光跟蹤儀軟件建立地理坐標系，以水平儀所得的法矢方向為Z軸，AB所在直線為X軸，原點可按實際需要，根據(jù)GPS等相關(guān)設(shè)備提供的坐標點確定，建立完成后得到坐標系T0。將所建坐標系T0繞Z軸旋轉(zhuǎn)-α角，即可得最后需要的地理坐標系T。轉(zhuǎn)換方程如下所示：

轉(zhuǎn)換矩陣R計算方式為：

建立地理坐標系的步驟流程如圖4所示。

▲圖4 建立地理坐標系的步驟流程圖

4 結(jié)論

坐標系的建立是測量最基本的前提條件，地理坐標系的應(yīng)用尤為廣泛。筆者系統(tǒng)地研究了地理坐標系的建立方法，針對激光跟蹤儀不具備直接建立地理坐標系的能力，提出了一種直接用于激光跟蹤儀測量的地理坐標系建立方法。對于激光跟蹤儀的工業(yè)測量普及具有實用價值。該方法結(jié)構(gòu)相對簡單，計算容易，精確度高；對于靶球的安放沒有嚴格要求，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況來確定安放的具體位置，降低了操作的難度；對于其它不具備地理坐標系建立功能的測量儀器有一定借鑒作用。

［1］朱振宇，江國焰，王永明.工業(yè)測量系統(tǒng)自由坐標系建立方法研究［J］.礦山測量，2009（5）：63-66.

［2］馮文灝.工業(yè)測量［M］.武漢：武漢大學出版社，2004.

［3］韓晨，程軍，楊秀英.地理坐標系淺析［J］.價值工程，2012（32）：318-320.

［4］黃文鑫，李明，姜良銀，等.物體空間位置的實時測量方法研究［J］.機械傳動，2011，35（8）：20-24.

［5］張振友，李明，田應(yīng)仲.物體空間姿態(tài)的實時測量方法研究［J］.機械設(shè)計與研究，2008，24（5）：83-87.

［6］張靚，李明，郁菁菁，等.物體空間動態(tài)測量方法的研究［J］.機械制造，2007，45（12）：54-56.

［7］郝向春，孔欣，常崢，等.淺談地理坐標系與投影坐標系在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用 ［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計，2014（4）：40-41.

（編輯 小 前）

攀鋼成功試制980 MPa級冷軋雙相鋼

攀鋼集團公司西昌鋼釩有限公司冷軋廠酸軋機組近日順利完成980 MPa級雙相鋼試軋，并成功軋制出厚度1.8 mm冷硬卷，合格率達到100%。據(jù)了解，此舉將為攀鋼加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級提供有力支撐。

980 MPa級冷軋雙相鋼是汽車用先進超高強度鋼板之一，是汽車實現(xiàn)輕量化的材料首選。目前，我國可批量、穩(wěn)定生產(chǎn)這一鋼種的企業(yè)屈指可數(shù)。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，國外高強度鋼車身應(yīng)用比例正在逐年增加，目前整體水平超過50%。我國汽車行業(yè)計劃用3～5年時間，將強度鋼車身應(yīng)用比例從目前的約20%提高到40%以上。

攀鋼此次試軋的980 MPa級冷軋雙相鋼質(zhì)量要求高，軋制工藝窗口較窄。由于原料卷本身硬度較高，達到酸軋機組產(chǎn)品的設(shè)計極限能力，生產(chǎn)難度較大。為確保該產(chǎn)品軋制成功，攀鋼西昌鋼釩公司嚴格按照產(chǎn)品大綱要求，優(yōu)化酸軋機組入口開卷焊接、中部酸洗和軋機軋制等系統(tǒng)工藝，并對激光焊機、酸洗速度、拉矯機延伸率、卷取張力、軋制規(guī)程等進行了技術(shù)攻關(guān)，對相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行重新匹配和調(diào)整修正，要求生產(chǎn)管理人員和崗位操作人員嚴格按照規(guī)程進行操作，保證軋制過程穩(wěn)定受控。在生產(chǎn)過程中，攀鋼釩鈦鋼研究所汽車板研發(fā)團隊的專家進行了跟蹤指導，提出優(yōu)化方案，成功完成軋制。

（孟祥林 高 飛 蘇 琳）

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1000-4998（2015）10-0059-03

2015年4月