工业三维坐标测量系统的最新进展

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1、工业三维坐标测量系统的最新进展李广云(解放军测绘学院 450052)工业测量是指在制造工业和机器安装工业中，对部件和产品的形体 进行精密的三维坐标测量。工业测量系统是指以电子经纬仪、全站仪、 数字相机等为传感器，在计算机的控制下，完成工件的非接触和实时三 维坐标测量，并在现场进行测量数据的处理、分析和管理的系统。与传 统的工业测量方法相比较，工业测量系统在实时性、非接触性、机动性 和与 CAD/CAM 联接等方面有突出的优点，因此在工业界得到了广泛的应 用。瑞士徕卡公司是世界上著名的测量仪器生产公司，她的光学经纬仪 在测量界享有盛誉。自 80 年代以来，徕卡推出了全新的电子经纬仪、全 站仪和数

2、字水准仪等测量仪器，同样受到了测量界的青睐。除了测绘部 门的应用外，电子经纬仪亦进入了工业计量领域。随着电子经纬仪朝高 精度和自动化方向的发展以及激光干涉测量技术和数字摄影测量技术的 应用，徕卡相继推出了诸多商用的工业三维坐标测量系统，它们在航空 航天工业、汽车工业、造船业、电力工业、机械工业和核工业等行业和 部门得到了极大的推广和应用。现在徕卡的各种工业测量系统都统一在 最新的 Axyz 软件中，由一个共同的数据管理平台 CDM 进行管理，而经纬 仪测量系统(MTM)、全站仪极坐标测量系统(STM)、激光跟踪测量系统 (LTM)及数字摄影测量系统(VDM)都是作为CDM下的一个数据采集模块。

3、 本文主要以徕卡的 4 种工业测量系统为主介绍工业三维坐标测量系统的 最新进展。一、经纬仪测量系统1. 手动经纬仪测量系统手动经纬仪测量系统(MTS)是由多台高精度电子经纬仪构成的空间 角度前方交会测量系统，如徕卡在1995年前推出的ManCAT系统和ECDS3 系统，最多可接 8 台电子经纬仪，现在波音和麦道飞机制造公司及其合 作伙伴(如中国沈飞、上飞等) 还在使用 ManCAT 系统。手动经纬仪测量系 统的硬件设备主要为高精度的电子经纬仪 T2000/T3000 系列(也可联 Kern 的 E2/E20 电子经纬仪) 、基准尺、接口和联机电缆及微机等组成。 采用手动照准目标，经纬仪自动读数

4、，逐点观测的方法。系统定向软件 采用基于大地测量控制网平差的互瞄法或基于摄影测量的光束法平差技 术。互瞄法定向可以互瞄内觇标或外觇标，但要求经纬仪严格整平，而 光束法平差技术实际上是模拟相机，故不需整平经纬仪即可进行定向和 三维坐标测量。联机测量数据处理可实时地在计算机屏幕上显示出被测 点的坐标值，这特别适用于大型设备的安装和测试。 MTS 在几米到十几 米的测量范围内的精度可达到土 0.02土 0.05 mm。图 1 T3000 电子经纬仪MTS属空间前方交会测量系统，T3000电子经纬仪如图1所示，坐标 测量原理如图 2 所示，以 2 台经纬仪为例，坐标测量前，确定 A、B 2 台电子经纬

5、仪在空间的相对位置和姿态，称为系统定向，这项工作一般 由计算机引导并完成。系统定向完成后，可进行实时坐标测量。图 2 MTS 坐标测量原理图A、B 2台经纬仪同时观测待定点P,可获得4个角度观测量a、p、 a、p。经数据处理可最终得到P点的三维坐标（X, Y，Z）,并在计算 22机屏幕上显示出来。由于有一个多余的观测量，因此可对测量结果进行 质量控制，这主要是指粗差的检验，从而保证了测量结果的可靠性。T3000 电子经纬仪是目前世界上精度最高的经纬仪，它的水平角和 垂直角的测角精度皆为0.5，带双轴补偿功能，可装内觇标或选择带 自准直装置的目镜，因此在工业测量的其他领域（如精密方位传递和准直

6、等）亦有很好的应用。最新的手动经纬仪测量系统为Axyz-MTM，角度传感器可选用T3000 电子经纬仪或TPS1000系列的TM5000/TM5100马达经纬仪，最多可接16 台。TM5000/TM5100是按TPS1000系列设计的适合于工业测量领域应用 的马达经纬仪，其测角精度为0.5 ，仪器的屏幕大，显示的信息多。 另外一个特点是马达驱动装置和经纬仪的测角机构、记录按钮是分离的， 因此仪器的稳定性更好，照准和读数更为方便。马达驱动的经纬仪特别 适合于重复、多次观测的情况和放样工作，如工件的检测和安装等。2. 自动经纬仪测量系统自动经纬仪测量系统(ATMS)是采用2台马达驱动电子经纬仪 T

7、M3000L和TM3000V所构成的空间前方交会测量系统，由于电子经纬仪 采用马达驱动，因此操作可以自动进行。TM3000L有一个激光目标投射 器，用于在被测物的表面上标志出目标点，TM3000V为摄像经纬仪，它 内置一小型CCD摄像机，一个特制的广角镜可以获得一个9X12。的 目标的全景。用它来跟踪TM3000L发出的激光点，通过高精度图像处理 软件可测定出目标点的三维坐标。在测量过程中，激光束的强度可自动调整，因此激光点的亮度总能 与构成背景的物体的亮度相匹配。TM3000V测量目标点实际上是确定激 光点与经纬仪视准轴之间的位置关系，利用TM3000V在标校时取得的参 数，激光点的测量值可

8、自动施加修正，这样系统的工作速度更快TM3000V 自动经纬仪测量系统在新加坡地铁变形监测中有很成功的应用，实现了 车辆营运状态下地铁变形监测的24 h连续不间断和全自动化。二、全站仪极坐标测量系统1.手动极坐标测量系统极坐标测量系统是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪 器三维坐标测量系统(STS)。1995年前所推出的商业化系统为PCMSplus, 其全站仪采用TC2002，测角精度为土0.5，测距标称精度为(1 mm+lX10-D)。用掌上计算机配合微机推出的一个产品为DCA-TC。其中 DCP10软件装入掌上计算机用于控制TC2002进行数据采集和一般性处 理，DCP20软件运行

9、在微机上进行测量数据的综合处理和分析。TC2002在近距离测距时，无需棱镜作为测距目标，只需采用特制的 不干胶(或磁性)反射片贴到被测物的表面上，软件处理时顾及了标志的 厚度。极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便和灵活，测程较远，实 际上在100 m范围内的精度可达到土 0.5 mm左右，因此特别适用于钢架 结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。极坐标测量仪器为全站仪，如图3所示，它的测量原理如图4所示， 通过测量角度a、P和斜距S来计算待定点P的坐标。其测量原理比交 会法更为简单。图3 TC2002全站仪图4 STS坐标测量原理图最新推出的极坐标系统为Axyz-MTM,全站仪采用TDM5

10、000马达全站 仪或TC2003全站仪，它们的测距精度为(1 mm+lX10-6D),但在120 m 范围内的测距精度优于0.5 mm。2.自动极坐标测量系统自动极坐标测量系统(APS)是由一台TM3000D马达驱动电子经纬仪 和一台徕卡测距仪构成的，所用的测距仪可根据实际需求来选择某一型 号。对于无棱镜合作的情况，可选DI0R3002,高精度测距仪可选DI2002。 APS的照准和观测完全自动化，特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变 形监测。最新的APS-Win系统采用TM1800马达经纬仪或 TCA1800/TCA2003自动跟踪全站仪TCA1800全站仪采用了所谓的自动目 标识别(ATR)

11、技术，能自动瞄准棱镜进行测量。它的基本原理是ATR与望 远镜同轴安装，并向目标发射激光束，返回的激光束被仪器中的CCD相 机捕获，从而计算出反射光点中心的位置并化算为水平角和垂直角改正 数，最后驱动马达步进到棱镜的中心位置。由多台TCA1800构成的自动极坐标测量系统已经应用于香港地铁的 变形监测中，其中一台仪器可监测近200 m左右的断面，每个断面上按 一定间隔安装专用的微型棱镜，并在固定点上也安装棱镜，多台仪器同 时对固定站和变形点进行观测，从而实现了 2个地铁车站间隧道的24 h 不间断自动化测量。三、激光跟踪测量系统激光跟踪测量系统(LTS)的代表产品为SMART 310。与常规经纬仪

12、测 量系统不同的是，SMART 310激光跟踪测量系统可全自动地跟踪反射装 置，只要将反射装置在被测物的表面移动，就可实现该表面的快速数字 化，因此实际上SMART 310只需要一个操作员即可。由于干涉测量的速 度极快(每秒钟最多到500次读数)，因此它特别适用于动态目标的监测， 如机器人的检校等。激光跟踪测量需要有专用的反射器配合，一般可根 据不同的测量情况来进行选择，如“猫眼”反射器(CatEye)、角隅反射 器(Corner Cube)、工具球反射器(TBR)等，不同反射器的常数和偏距是 不同的。SMART 310的测量原理同样是极坐标法，其坐标重复测量精度达到 5X10-6D。测量硬件

13、为一台激光跟踪仪(Laser Tracker)，它的测量头的设 计与经纬仪类似，也有横轴和竖轴，并用码盘分别测量水平角和垂直角。2 个轴上安装的直流马达可使测量头在空间作任意方位的旋转以跟踪目 标。斜距通过激光干涉测量法获得，由于干涉测量只能获得相对距离， 因此绝对距离需要从某一距离已知的点上起算，该点称为基点(Home Point),仪器本身也带有这样一个固定距离的点叫作“鸟巢”(Bird Bath) 。现代仪器的设计强调的是仪器的稳定性，跟踪仪也是这样，因此仪 器轴系间的误差是采用软件修正的方法来实现的。与跟踪仪配套的有所 谓的球杆校准装置和校准软件，通过测量程序来确定各种系统误差，如 水

14、平度盘、垂直度盘偏心差、横轴倾斜误差等，这些误差参数通过测量 软件来对观测结果进行改正。激光跟踪测量系统需要 2 个处理器，一个 用来控制测量头并实现数据的高速采集，称为跟踪仪控制器，它实际上 是一台 486 工控计算机。另一个为用户 PC 计算机，在该计算机上装有系 统软件和应用软件。SMART 310软件除了对测量结果进行分析计算外， 还可将被测物和计算结果按图形方式显示在微机的屏幕上。跟踪仪控制 器与用户PC机间的数据通讯采用局域网(LAN)的方式。最新的激光跟踪测量系统为Axyz-LTM，它的硬件为LT500/LTD500 激光跟踪仪，其测量速度比SMART 310快一倍，而LTD50

15、0为带绝对测距 仪的激光跟踪仪，在测量信号遮挡后，绝对测距仪能及时测出绝对距离， 保证跟踪仪能继续测量，因此工作速度更快。图 5 为激光跟踪测量仪 SMART 310。图 5 激光跟踪仪 SMART 310图 6 V-STARS 数字摄影测量系统四、数字摄影测量系统徕卡最新的数字摄影测量系统为美国大地测量服务公司(GSI)生产 的V-STARS，如图6所示。它是采用数字近景摄影测量原理，通过2台 高分辨率的柯达数字相机对被测物同时拍摄，得到物体的数字影像，经 计算机图像处理后得到精确的 X、Y、Z 坐标。坐标计算可采用脱机和联 机2种方式。对于静态目标，脱机处理可采用单台数字相机，在2个或 多

16、个位置进行拍摄，图像可存入相机背后的PCMCIA卡中，然后将PCMCIA 卡插入笔记本电脑即可进行图像处理。因此对静态目标来说，这种脱机 方式只需一台数字相机，是最为经济的选择。V-STARS 系统为了保证最佳的图像量测精度和效果，被测点的标志 比较讲究，采用特制的回光反射标志(Retro Reflective Target),如图 7 所示。另外在拍摄图像时应采用多姿态和不同角度以消除镜头的畸变 差，数字相片的相对定向和绝对定向采用专用磁性定向标志和标准尺放 在物方空间，同时被拍摄到图像中。相对定向由鼠标控制完成，而影像 匹配则由计算机自动完成。图 7 回光反射标志用于物体表面测量V-STA

17、RS 特别适合于动态物体的快速坐标测量，操作方便，对现场环境无任何要求，尤其在有毒、有害的环境下是其他工业测量系统所无 法比拟的。在近距离范围内它的测量精度达到土 0.1土 0.03 mm,因此 是一种非常有推广价值的工业测量系统。数字摄影测量的最新进展是采用高分辨率的数字相机来提高测量精 度,图 8 为柯达公司最新的数字相机产品。另外,利用条码测量标志可 以实现控制点编号的自动识别,采用专用纹理投影设备可以代替物体表 面的标志设置,这些最新的技术正在使数字摄影测量朝完全自动化的方 向发展。图 8 高分辨率数字相机参考文献1 李广云,倪涵,徐忠阳.工业测量系统.北京：解放军出版社, 19942 于来法,段定乾.实时经纬仪工业测量系统.北京：测绘出版社, 19963 李广云,张良琚等.光束法平差在工业测量系统 TSST 中的应用. 解放军测绘学院学报, 1996, 13(2)4 Leica Axyz-MTM/STM/LTM information5 Leica ECDS3/PCMS plus information6 Proceedings of “Fourth Conference on Optical 3D Measurement Techniques”,Zurich, Switzerland,1997