全站儀反射棱鏡遙控指揮系統(tǒng)的研制*

蘇清磊　范乃胤

(河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

0　引言

全站儀作為目前普遍應(yīng)用的一種長度計量儀器，廣泛應(yīng)用于建筑、測繪、大型設(shè)備制造與安裝等行業(yè)。全站儀測距部分的檢定按照J(rèn)JG 703—2003光電測距儀檢定規(guī)程進(jìn)行[1]，其中最主要的兩項技術(shù)指標(biāo)加乘常數(shù)與測距綜合標(biāo)準(zhǔn)差，都需要在長度基線場內(nèi)采用多段基線組合比較法同時測定，在一條基線上設(shè)立7個基線點(diǎn)，基線可以組合為21段，全長距離不小于1000m[2-5]。檢定時在基線兩端分別安置全站儀與反射棱鏡，各基線段上的觀測均為一次照準(zhǔn)取5個讀數(shù)求其平均值。這樣就需要在基線中間位置5個樁各安排一個人手，用于反射棱鏡的移動與安裝對位，每測量一個測回，需要人工移動反射棱鏡21次，由于讀數(shù)位置與反射棱鏡距離較遠(yuǎn)(不小于1000m)，需要用對講機(jī)與操作人員來回確認(rèn)，測量一臺全站儀的測距部分誤差值至少需要2個多小時，國內(nèi)計量檢定單位普遍采用這種辦法，費(fèi)時費(fèi)工費(fèi)力，目前國內(nèi)外也無更有效辦法或者類似裝置解決此問題，針對這種情況，我們研制出一種全站儀反射棱鏡遙控指揮系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程控制反射棱鏡的狀態(tài)，提高了定位精度和工作效率。

1　遙控指揮系統(tǒng)的原理與組成

1.1　遙控裝置工作原理

根據(jù)現(xiàn)場測量特點(diǎn)，我們設(shè)計了一套遙控裝置，原理如圖1所示，控制端通過鍵盤輸入控制指令(包括受控點(diǎn)位信息、棱鏡狀態(tài)信息以及特殊中斷指令)，ATMEGA16單片機(jī)掃描到鍵盤輸入信息后，以基于Zigbee協(xié)議的ZIC2410無線通信芯片作為無線收發(fā)端，控制遠(yuǎn)端步進(jìn)電機(jī)動作，帶動棱鏡達(dá)到指定位置。Zigbee是一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本的近距離無線通信技術(shù)，本裝置采用基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的ZIC2410芯片和ATMEGA16單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件設(shè)計，并且工作在2.4GHz的免費(fèi)頻段[6]。

圖1　遙控裝置工作原理方框圖

1.2　反射棱鏡機(jī)械部分設(shè)計

反射棱鏡機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個裝置安裝在一個三角水平基座1上，2為調(diào)整螺旋，反射棱鏡4中心與基座中心同軸，旋轉(zhuǎn)電機(jī)8通過聯(lián)軸器3與反射棱鏡連接，反射棱鏡正對待測全站儀，電機(jī)旋轉(zhuǎn)平面垂直于測量方向，根據(jù)阿貝原理，由棱鏡不垂直引起的基線誤差為二階誤差，可以忽略不計，這樣可以最大減少測量誤差。在棱鏡豎直位置和水平位置處安裝有限位開關(guān)9，當(dāng)棱鏡旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)觸點(diǎn)7位置時會觸發(fā)限位開關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)動。為了避免前面棱鏡臥倒后對后面棱鏡測距的反射光干擾，在基座水平位置加了一定顏色的遮光擋板，作用有二，一是遮擋反射棱鏡的光；二是其自身不能對測距產(chǎn)生干擾光，為此我們選用灰色。

1.底座；2.調(diào)角螺旋；3.聯(lián)軸器；4.反射棱鏡；5.砧板；6.調(diào)整旋鈕；7.觸點(diǎn)；8.電機(jī)；9.限位開關(guān)

1.3　遙控發(fā)射接受模塊

遙控反射接收模塊的硬件原理圖如圖3所示，ATMEGA16單片機(jī)對鍵盤輸入指令進(jìn)行一定預(yù)處理后，通過基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的ZIC2410無線通訊模塊進(jìn)行傳輸，接收端芯片接收到相應(yīng)指令后，將動作指令通過ATMEGA16單片機(jī)轉(zhuǎn)換成電機(jī)所接受的命令序列，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成設(shè)計動作，限位開關(guān)給出反饋信號。運(yùn)行時，首先選擇控制末端(基線點(diǎn))，在面板處設(shè)置了若干個控制末端，根據(jù)控制需要選擇相應(yīng)的按鍵，然后選擇水平、垂直、急停按鈕，就可以遙控對應(yīng)點(diǎn)位的反射棱鏡達(dá)到相應(yīng)的狀態(tài)。

圖3　遙控發(fā)射接收端硬件原理圖

圖4給出了發(fā)射端和接收端的程序流程圖，在發(fā)射端程序主要實(shí)現(xiàn)按鍵值采集、發(fā)送指令、和讀取遠(yuǎn)程子站點(diǎn)的狀態(tài)，在主函數(shù)中主要設(shè)計了以下4個子函數(shù)。

void init_devices(void)初始化各硬件設(shè)備

void tran_jianzhi()按鍵值的處理

void int0_isr(void)中斷產(chǎn)生的處理

void PosQuery(void)遠(yuǎn)程子站點(diǎn)狀態(tài)查詢

在接受端程序主要實(shí)現(xiàn)接收指令、控制電機(jī)和讀取本站點(diǎn)的狀態(tài)，在主函數(shù)中主要設(shè)計了以下4個子函數(shù)。

void init_devices(void)初始化各硬件設(shè)備

void tran_rcvdata(void)解析指令的處理

void Timer0_cmp_isr(void)驅(qū)動電機(jī)的處理

void PosCheck(void)位置檢測的處理

圖4　收發(fā)端程序流程圖

2　遙控指揮系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在我院原陽二基地基線場，按圖5放置全站儀和反射棱鏡遙控裝置，分別調(diào)整各自整平螺旋，確保中心點(diǎn)和樁基中心重合，在觀察點(diǎn)樁4位置遙控操作反射棱鏡2、3等動作，測量了3段距離(圖中只給出了兩段測量距離D1、D2)，每段測量5次，每次測量完成后反射棱鏡均回到水平位置再重新測量，數(shù)據(jù)如表1所示。

1.全站儀；2、3反射棱鏡遙控裝置;4、5、6基線樁

表1　遙控裝置測量基線場數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)表1可以看出，不管是在近點(diǎn)(24m附近)還是在遠(yuǎn)點(diǎn)(1km附近)，重復(fù)定位誤差均小于0.2mm，遙控距離和定位重復(fù)性兩項指標(biāo)完全滿足設(shè)計和實(shí)際使用要求。

3　結(jié)論

全站儀測距部分的野外檢定工作采用傳統(tǒng)人工摘取棱鏡的辦法費(fèi)時費(fèi)力，研制了一套反射棱鏡遙控指揮裝置，該裝置能夠在1km范圍內(nèi)對反射棱鏡的位置做出遙控控制，遙控距離適當(dāng)，定位重復(fù)精性高，省去了檢定過程中人員來回移動棱鏡的繁瑣勞動，提高了檢定效率。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.光電測距儀檢定規(guī)程(JJG 703—2003).北京：中國計量出版社，2004

[2]陳士達(dá)，徐秉華，陳益茂，高明.全站儀加乘常數(shù)的校準(zhǔn)方法[J].計量技術(shù)，2012(11)

[3]陶茂盛.全站儀測距加常數(shù)及其短基線檢測法[J].計量技術(shù)，2006(9)

[4]范百興,李佩臻,鄧向瑞,等.全站儀測距常數(shù)分離檢定研究[J].計量學(xué)報,2009(Z1)

[5]張莉,齊維君,方愛平,等.大長度實(shí)驗(yàn)室檢測平臺自動化系統(tǒng)[J].計量學(xué)報,2008(z1)

[6]李文仲，段朝玉.Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007