兩種工業(yè)測量系統(tǒng)坐標轉(zhuǎn)換精度分析

白傲然

[摘要]工業(yè)測量系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的主要組成部分，其具有較強的現(xiàn)場測量、計算和實時分析功能、能滿足工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)場檢測和控制的要求。由于實際測量工作中在不同坐標系的點位誤差的存在，對其進行精度檢測是非常有必要的。本文通過公共點轉(zhuǎn)換法對工業(yè)測量系統(tǒng)中的全站儀測量系統(tǒng)和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)坐標轉(zhuǎn)換測量精度進行分析和研究。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)測量系統(tǒng) 公共點 坐標轉(zhuǎn)換 精度分析

[中圖分類號] E992.1 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-9-238-1

1研究背景

近年來隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，先進的工業(yè)制造水平也對工業(yè)測量技術(shù)提出了許多新的要求，主要表現(xiàn)在：測量目標的尺寸越來越大，測量的精度要求越來越高，測量目標及現(xiàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，動態(tài)測量越來越多。工業(yè)測量系統(tǒng)于各行各業(yè)中的作用日益凸顯。本文分別通過對全站儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)進行實驗和數(shù)據(jù)的分析、對比其公共點坐標轉(zhuǎn)換的精度。具體工作是利用全站儀TDA5005和激光跟蹤儀AT901-B，分別在每個系統(tǒng)下設(shè)計并進行了A、B、C三個測站，每個測站四個測回對十六個點進行測量，得出每個點的坐標。選取公共點坐標轉(zhuǎn)換的方法，多次分析不同位置、不同數(shù)量的公共點轉(zhuǎn)換的精度。

2工業(yè)測量系統(tǒng)簡介

2.1全站儀

全站儀也稱為全站式電子速測儀，是由電子測角，電子測距，電子計算機和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標測量系。儀器的三軸中心O為測量坐標系原點，水平度盤為XOY平面，其中水平度盤零方向為Y軸，水平度盤垂線向上方向為Z軸。測距采用紅外測距原理，以棱鏡和反射片為測距合作目標，通過相位法獲得待測距離。實驗中采用TDA5005全站儀。

2.2激光跟蹤儀簡介

激光跟蹤儀實際上是由一臺激光干涉測距和自動跟蹤的全站儀[1]。激光跟蹤儀硬件基本包含五個部分：角度測量部分、距離測量部分、跟蹤控制部分、激光跟蹤儀控制器部分、支撐部分，激光跟蹤測量系統(tǒng)的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，軟件主要實現(xiàn)控制、測量、校準、分析、計算等功能。測量系統(tǒng)不僅可以測量靜態(tài)點，還可以對動態(tài)目標進行連續(xù)跟蹤測量，包括連續(xù)采樣、格網(wǎng)采樣和進行表面測量等動態(tài)測量建模[2]。實驗中采用Leica AT901-B激光跟蹤儀。

3坐標轉(zhuǎn)換精度分析

3.1儀器的穩(wěn)定性檢測

為了檢測目標點的穩(wěn)定性，共測了三站，每站四個測回。在全站儀測量系統(tǒng)和激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的每個測站內(nèi)，以第一測回為基準，與其它3個測回之間進行全部16個點位的坐標轉(zhuǎn)換，分別得出均方根誤差。坐標轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)表如下：

把全站儀和激光跟蹤儀的每測站的四個測回取平均，用全站儀的第一測站數(shù)據(jù)與激光跟蹤儀的第一測站數(shù)據(jù)通過公共點轉(zhuǎn)換，均方根誤差對比如下所示：

通過分析各測站、各測回間的坐標轉(zhuǎn)換以及全站儀和激光跟蹤儀之間的比較，說明儀器的穩(wěn)定性很好，各測回的數(shù)據(jù)可靠。

3.2空間點位分布對坐標轉(zhuǎn)換精度的影響

選取第一測站的第一測回向第二測站的第一測回進行坐標轉(zhuǎn)換，以此兩測站的兩測回為基礎(chǔ)，選取相同數(shù)量、不同空間位置的公共點進行坐標轉(zhuǎn)換[3]，通過計算轉(zhuǎn)換前后同一目標點的各坐標分量差值△X、△Y、△Z，及目標點的坐標偏差△P和均方根誤差進行分析：

地面：選取1、2、3、4、5點構(gòu)成一個平面

墻面：選取12、13、14、15、16點構(gòu)成墻面

空間：選取2、3、4、12、15點組成空間圖形

再分別使用全站儀和濟鋼跟蹤儀選取地面上的5個點，墻面上的5個點，空間隨意的5個點作為公共點進行轉(zhuǎn)換，比較△X、△Y、△Z，所得均方根誤差如下表所示：

綜合以上數(shù)據(jù)可得：在全站儀測量系統(tǒng)中，均方根誤差上，空間點稍好，墻面點次之，地面點最差。從各坐標分量差值△X、△Y、△Z，以及目標點的坐標偏差△P，空間點同樣最好，墻面次之，地面點最差。所以，空間點的精度最高。

在跟蹤儀測量系統(tǒng)中，均方根誤差上，墻面點稍好，空間點次之，地面點最差。從各坐標分量差值 △X、△Y、△Z，以及目標點的坐標偏差△P，空間點同樣最好，墻面次之，地面點最差。說明地面由于一些人為因素導(dǎo)致地面不平而精度不高。所以，空間點的精度最高。

因此空間點為公共點轉(zhuǎn)換的最佳選擇。

3.3 公共點的個數(shù)對轉(zhuǎn)換精度的影響

以地面點位P1、P2、P3、P4、P5為基礎(chǔ)，依次增加一個，兩個，三個，四個墻面上的公共點（即P7、P10、P15、P16）進行轉(zhuǎn)換，分析比較地面點坐標轉(zhuǎn)換前后的坐標偏差量和均方根誤差。

所得均方根誤差如下表所示：

通過以上數(shù)據(jù)綜合得出，以地面上的點位為基礎(chǔ)，通過增加點的數(shù)量作為公共點進行轉(zhuǎn)換分析，說明隨著點位數(shù)量的增加，精度并不會隨著公共點的個數(shù)的增多而增高，而是精度越來越趨于穩(wěn)定。

4結(jié)論

隨著工業(yè)測量系統(tǒng)在精密儀器的制造和檢定、航空、航天工業(yè)，汽車工業(yè)，船舶工業(yè)，加速器工程，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，大型天線工程，軌道交通、市政工程，建筑工業(yè)等工程中的應(yīng)用，對不同工業(yè)測量系統(tǒng)的特點及精度的分析和研究，對測量方案的設(shè)計和選取，完善工業(yè)測量系統(tǒng)在實踐中的應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻

[1]林嘉睿，邾繼貴，張皓琳.激光跟蹤儀測角誤差的現(xiàn)場評價.儀器儀表學(xué)報.2012.01：32.

[2]劉得軍，劉彩平.基于粒子群算法的6-DOF并聯(lián)坐標測量機的測量建模.光學(xué)精密工程.2008.01：14.

[3]陳濤， 蔣茂利.全站儀一測回水平方向標準偏差兩種檢定方法的不確定度評定.中國計量.2013.09：32.