測距測角對激光跟蹤儀精度影響的實驗與分析

饒建華，梁靜

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

1 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，需要對各類零部件和大型結(jié)構(gòu)進行精密三維測量，其具有測量范圍大、精度高、動態(tài)測量和實時監(jiān)測等特點，傳統(tǒng)測量無法滿足要求，由此產(chǎn)生了iGPS測量系統(tǒng)、關(guān)節(jié)臂式坐標測量機、激光跟蹤測量系統(tǒng)等大尺寸空間坐標測量技術(shù)。在大尺寸數(shù)字化測量系統(tǒng)中，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)憑借其測量速度快、測量精度高、測量范圍大等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，被稱為移動的三坐標測量機[1]。激光跟蹤測量系統(tǒng)由激光跟蹤儀、控制器、反射器、用戶計算機等組成。激光跟蹤儀的精度評定通常是由國外的生產(chǎn)廠家來完成的，國內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的規(guī)程來檢測儀器的測量精度，關(guān)于激光跟蹤儀的論文大部分為應(yīng)用型文章，其精度主要是根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定[2]。

2 實驗裝置和實驗方案

考慮到國內(nèi)激光跟蹤儀精度檢測現(xiàn)狀，采用FARO Xi跟蹤儀和CCR1.5″反射靶標球，利用長城計量測試技術(shù)研究所的標準裝置進行，標準裝置包括 32 m水平導(dǎo)軌和 3 m垂直導(dǎo)軌，利用標準裝置中的雙頻激光干涉儀，導(dǎo)軌上的滑動工作臺滑動精度可以精確到微米。將激光跟蹤儀分別架設(shè)在離導(dǎo)軌 9 m、3 m遠處，在縱向、橫向和垂直方向進行測量，通過與標準裝置測量的標準值進行對比，分析測距、水平角及垂直角對測量精度的影響。

2.1 測距影響實驗

將激光跟蹤儀架設(shè)在32 m水平導(dǎo)軌一側(cè)，激光跟蹤頭與反射球等高，避免測角誤差對測距精度的影響，反映測距對結(jié)果的影響。跟蹤儀反射球和標準裝置反射器都固定在滑動工作臺上，它們在工作臺上運動的距離是一致的。通過激光跟蹤儀測量反射球在縱向的移動距離，并與干涉儀給出的標準值進行對比，可以得出激光跟蹤儀縱向精度，分析激光跟蹤儀測距誤差對精度的影響。反射球從近端向遠端每滑動 1 m，激光跟蹤儀測量一次距離，同時雙頻干涉儀記錄距離真值。然后反射球從遠端到近端每滑動 1 m再測量一次距離。縱向試驗對FARO XI跟蹤儀和CCR1.5″進行了兩次重復(fù)測量，共進行120次距離觀測，縱向試驗示意圖如圖1所示。

圖1 縱向試驗示意圖

2.2 水平角影響實驗

激光跟蹤儀兩次分別架設(shè)在距離水平的激光導(dǎo)軌 9 m及 3 m處，通過測量反射球在橫向的移動距離，并與干涉儀給出的標準值進行對比，可以得出激光跟蹤儀橫向精度。受現(xiàn)場場地的影響，跟蹤儀距標準裝置距離 9 m時，測量范圍為 4 m，反射球每滑動 0.3 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共進行48次距離觀測。跟蹤儀距標準裝置，距離為 3 m時，測量范圍為 8 m，反射球每滑動 0.8 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共測量40次距離觀測。橫向?qū)嶒炛?，激光跟蹤頭與反射球等高，避免垂直角測量誤差對結(jié)果的影響，主要反映跟蹤儀水平測角對測量結(jié)果的影響，橫向試驗示意圖如圖2所示。

圖2 橫向試驗示意圖

2.3 垂直角影響實驗

激光跟蹤儀兩次分別架設(shè)在距離垂直的激光導(dǎo)軌 9 m及3 m處，測量范圍 2 m，通過測量反射球在垂直方向的移動距離，反射球每滑動 0.1 m測量一次距離，反復(fù)測量4遍，共進行49次距離觀測。測量時水平度盤保持不動，與干涉儀給出的標準值進行對比，可以得出激光跟蹤儀豎向精度，即垂直角對測量精度的影響，垂直試驗示意圖如圖3所示。

圖3 垂直試驗示意圖

3 實驗結(jié)果分析

3.1 測距對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實驗方案，測距對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀縱向精度。表1給出了部分距離觀測與標準距離的結(jié)果。

激光跟蹤儀測距精度較高，縱向?qū)嶒炛?，測量值與真值的差值均方根僅為 4.3 μm，結(jié)果如表2所示，這與儀器的標稱精度相符。

縱向?qū)嶒灉y量值與標準值的差值統(tǒng)計 表2

3.2 水平角對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實驗方案，測距對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀橫向精度。表3給出了部分距離觀測與標準距離的結(jié)果。

并對橫向?qū)嶒灲Y(jié)果進行測量精度統(tǒng)計分析與計算，結(jié)果如表4所示，可以看到水平角測量誤差隨著距離的增大而增加。

橫向?qū)嶒灉y量值與標準值的差值統(tǒng)計 表4

3.3 垂直角對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果分析

根據(jù)實驗方案，測距對激光跟蹤儀精度影響結(jié)果主要體現(xiàn)在激光跟蹤儀豎向精度。表5給出了部分距離觀測與標準距離的結(jié)果。

9 m豎向?qū)嶒灢糠志嚯x觀測值與標準值的差值 表5

并對豎向?qū)嶒灲Y(jié)果進行測量精度統(tǒng)計分析與計算，結(jié)果如表6所示，可以看到隨著垂直角角度的增大，測量誤差增加。

豎向?qū)嶒灉y量值與標準值的差值統(tǒng)計 表6

4 結(jié) 語

本文將測距測角對激光跟蹤儀的精度影響進行了深入研究，以FARO XI跟蹤儀和CCR1.5″為例，利用激光干涉儀標準裝置設(shè)計了實驗方案，通過橫向、縱向及垂直三個方向?qū)嶒灧治鰷y距、水平角測量、垂直角測量對激光跟蹤儀測量精度的影響。在 30 m的水平導(dǎo)軌及 3 m的垂直導(dǎo)軌上或者激光跟蹤儀系統(tǒng)及標準裝置的距離觀測值，通過對兩套觀測值的差異分析，得出激光跟蹤儀測距精度較高，與干涉儀的差值均方根僅為 4.3 μm，水平角測量誤差隨著距離的增大而增加，垂直角測量誤差隨著角度的增大而增加的結(jié)論。