自動化地面激光掃描儀校準(zhǔn)實驗室構(gòu)建與應(yīng)用

徐 建,施曉勇,黃昌狄,周憶寧

（1.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311122）

目前，對于地面激光掃描儀的參數(shù)評定大多是從某一方面進行評定[1-4]，缺乏整體性，有的校準(zhǔn)裝置過于簡單[5]，不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、費時費力。近年來，相關(guān)學(xué)者對地面激光掃描儀開展了精度評價及校準(zhǔn)研究，徐壽志[6]等利用比長基線檢定場、多齒分度臺等對三維激光掃描儀開展精度評定工作。劉勝男[7]等基于儀器、外界環(huán)境、目標(biāo)等誤差源，對儀器測距和測角精度進行了評定。但是，當(dāng)前研究中多致力于儀器精度評價分析，鮮有學(xué)者基于儀器校準(zhǔn)技術(shù)流程，整合相關(guān)硬件及軟件，開展自動化地面激光掃描儀校準(zhǔn)實驗室的構(gòu)建及應(yīng)用研究。因此，本文提出的基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流程，開發(fā)、整合軟硬件實現(xiàn)地面激光掃描儀的自動化校準(zhǔn)[8-9]具有一定的社會及經(jīng)濟效益。

1 實驗室框架

地面激光掃描儀校準(zhǔn)實驗室是一個集軟硬件一體化的高效、科學(xué)的自動化實驗室。

實驗室包含硬件設(shè)備和配套軟件兩部分。硬件設(shè)備主要包含徑向距離校準(zhǔn)裝置和空間距離校準(zhǔn)裝置，分別如圖1、2組成。

圖1 徑向距離校準(zhǔn)裝置

圖2 空間距離校準(zhǔn)裝置

配套軟件主要包含測繪儀器檢定信息管理系統(tǒng)、徑向距離示值誤差記錄器、空間距離示值誤差記錄器、機械臂控制軟件、出證終端軟件等。

徑向距離校準(zhǔn)裝置：以雙頻激光干涉儀為主標(biāo)準(zhǔn)器，配合大長度自動化檢測平臺提供精確的基準(zhǔn)值，平臺上球型標(biāo)靶的球心提供唯一的空間位置，實現(xiàn)徑向距離示值誤差、徑向重復(fù)性和標(biāo)靶重復(fù)性的校準(zhǔn)。

空間距離校準(zhǔn)裝置：裝置由三維靶球墻和機械臂等組成。三維靶球墻作為主標(biāo)準(zhǔn)器提供空間標(biāo)準(zhǔn)值，機械臂代替?zhèn)鹘y(tǒng)觀測墩提供多姿態(tài)空間觀測位置，實現(xiàn)空間距離示值誤差的校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)裝置基于JJF1406-2013《地面激光掃描儀校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，實現(xiàn)對掃描儀距離精度、點位精度的科學(xué)、準(zhǔn)確、高效地評定。此外，實驗室新增距離精度、點云密度、點云精度、角度標(biāo)準(zhǔn)偏差、補償器補償誤差和平面模型精度[10-11]的檢測項，用于相關(guān)計量檢測科學(xué)實驗及研究以提升技術(shù)服務(wù)能力，并為后續(xù)校準(zhǔn)規(guī)范改版夯實技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示，校準(zhǔn)人員按照《地面激光掃描儀校準(zhǔn)規(guī)范》的要求操作掃描儀對校準(zhǔn)裝置進行掃描，獲取原始數(shù)據(jù)，利用掃描儀配套軟件解算原始數(shù)據(jù)得到點云數(shù)據(jù)，采用掃描儀配套點云數(shù)據(jù)后處理軟件對標(biāo)靶點云進行球心擬合，得到標(biāo)靶球心坐標(biāo)，結(jié)合外部標(biāo)準(zhǔn)值計算校準(zhǔn)結(jié)果。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 徑向距離校準(zhǔn)裝置

實驗室主要由徑向距離校準(zhǔn)裝置和空間距離校準(zhǔn)裝置及相關(guān)配套軟件構(gòu)成，徑向距離校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成及相關(guān)配套軟件如下。

2.1 裝置構(gòu)成

徑向距離校準(zhǔn)裝置以室內(nèi)大長度自動化檢測平臺（平直度優(yōu)于5×10-5）為基礎(chǔ)，在其移動平臺上增加可以安置球型標(biāo)靶的過渡裝置，配置1 個球型標(biāo)靶（表面噴砂處理的鋁制品，直徑200 mm，直徑變化量≤0.1 mm）、1 個反射板（啞光處理，平面度≤0.2 mm，長200 mm，寬300 mm），結(jié)構(gòu)如圖4。雙頻激光干涉儀安置在大長度平臺的一端作為該裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器，提供標(biāo)準(zhǔn)距離值。其線性位移示值誤差≤0.5×10-6L（單位為m）。

將球型標(biāo)靶安置在大長度平臺的置鏡系統(tǒng)上，在直線導(dǎo)軌一端的觀測墩上安置掃描儀，調(diào)節(jié)掃描儀的位置和高度，使其中心大致處于標(biāo)靶中心運動軌跡的延長線上。掃描儀至標(biāo)靶的初始位置大約2 m，標(biāo)靶沿導(dǎo)軌按預(yù)先設(shè)好的程序自動移動到不同測量位置，共計6個測量位置，每次移動距離5 m。

2.1.1 配套軟件

徑向距離校準(zhǔn)裝置配套軟件為徑向距離示值誤差記錄器，主要實現(xiàn)徑向距離示值誤差、徑向重復(fù)性、標(biāo)靶重復(fù)性和平面模型精度等校準(zhǔn)項目的一鍵自動化計算及電子版原始記錄冊的自動生成并上傳至數(shù)據(jù)庫。避免了手工計算、簡化了操作流程，代替了傳統(tǒng)人工紙質(zhì)化記錄、計算的工作流程。

軟件信息區(qū)域?qū)崿F(xiàn)檢測編號與儀器的型號、編號、類型及廠家和送檢單位信息的關(guān)聯(lián)，避免了反復(fù)多遍的手工填寫。標(biāo)準(zhǔn)器的名稱、證書編號和存放地點的信息都可以實現(xiàn)一鍵關(guān)聯(lián)?？刂茀^(qū)域可自行設(shè)置小車移動距離和移動速度，主要用于小車上的置鏡系統(tǒng)在軌道上自動向前或向后運行。擺脫了人為的手工操作，既減少了檢定員的體力工作又增加了球型標(biāo)靶的移動精度。顯示區(qū)域主要實現(xiàn)了雙頻激光干涉儀的自動讀數(shù)和保存，即標(biāo)準(zhǔn)值的自動存儲。同時，通過Fluke 和溫度傳感器可以實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)值的自動溫改修正，提高了標(biāo)準(zhǔn)值精度。操作區(qū)域可以實現(xiàn)球心坐標(biāo)的自動擬合及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一鍵計算，并自動生成電子版原始記錄冊上傳至數(shù)據(jù)庫，避免了繁瑣的手工記錄、計算。

2.1.2 空間距離校準(zhǔn)裝置

空間距離校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成及相關(guān)配套軟件如下：

1）裝置構(gòu)成?？臻g距離校準(zhǔn)裝置由三維靶球墻（測量范圍為0.5 ～7 m，U=0.087，K=2）、球型標(biāo)靶（表面噴砂處理的鋁制品，直徑150 mm，直徑變化量≤0.1 mm）、溫度傳感器（精度0.2℃）、機械臂（重復(fù)精度＜0.1 mm，臂展2 101 mm，負載70 kg）、多齒分度臺（分度誤差0.3″ ）組成。三維靶球墻作為該裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器，提供空間距離的標(biāo)準(zhǔn)值，并且使用機械臂代替了觀測墩，預(yù)先開挖基坑并澆筑好鋼筋混凝土基礎(chǔ)，將機械臂安置在上面，確保了機械臂在最大臂展和負荷狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定空間距離校準(zhǔn)裝置沿水平和垂直方向標(biāo)靶數(shù)均不少于4，且保證與掃描儀構(gòu)成角度不小于60°×60°（水平角α×垂直角β）。將掃描儀安置在3 個不同位置，應(yīng)滿足其至標(biāo)靶距離大于最小測量距離，在不同位置將掃描儀頭部大致旋轉(zhuǎn)120°，同時改變儀器高度，分別對垂直平面內(nèi)各個標(biāo)靶進行掃描，并擬合標(biāo)靶球心坐標(biāo)。由圖2 可知，實驗室沿水平和垂直方向的標(biāo)靶數(shù)分別為5 個和8 個，并且用機械臂代替了3 個觀測墩，既滿足了規(guī)范要求，又可以實現(xiàn)空間任意觀測位置，提高解算精度。

三維靶球墻和球型標(biāo)靶提供穩(wěn)固的空間位置及多類型的空間距離。溫度傳感器監(jiān)測三維靶球墻所在的環(huán)境溫度，并且計算溫度引起球型標(biāo)靶變化的不確定度分量。機械臂提供空間任意觀測位置，并提供傾斜角度值。多齒分度臺提供精確的基準(zhǔn)角度值。

2）配套軟件?？臻g距離校準(zhǔn)裝置配套軟件包含空間距離示值誤差記錄器、機械臂控制軟件、出證終端軟件等，軟件的主要情況如下：①空間距離示值誤差記錄器主要實現(xiàn)空間距離示值誤差、點云精度、水平角標(biāo)準(zhǔn)偏差、豎直角標(biāo)準(zhǔn)偏差、補償器補償范圍/補償誤差等校準(zhǔn)項目的一鍵自動化計算及電子版原始記錄冊的自動生成并同時上傳至數(shù)據(jù)庫。②機械臂控制軟件通過KUKA端和PC端建立機械臂和控制軟件間的連接。以單步控制或六軸聯(lián)動方式移動到指定位置，并保存對應(yīng)坐標(biāo)。在后續(xù)校準(zhǔn)過程中，只需通過對控制軟件將機械臂自動運行到預(yù)設(shè)位置即可。利用機械臂替代傳統(tǒng)觀測墩，既滿足校準(zhǔn)規(guī)范要求的3 個不同觀測位置，又提供了多姿態(tài)的精密觀測位置作為解算約束條件，提高解算精度。同時，經(jīng)檢測機械臂在負載情況下，位置重復(fù)性精度小于0.1 mm，保證了儀器精度檢測的準(zhǔn)確性及可靠性。此外，機械臂的應(yīng)用避免了傳統(tǒng)觀測墩反復(fù)拆裝儀器的步驟，減少了儀器拆裝風(fēng)險并提高了工作效率。③出證終端軟件可按儀器送檢時間以及儀器類型快速定位待出證儀器，并基于校準(zhǔn)過程中記錄器生成的電子版原始記錄冊，自動匹配數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)實現(xiàn)對校準(zhǔn)儀器的一鍵自動化出證，并同步顯示儀器校準(zhǔn)狀態(tài)，完成核驗、批準(zhǔn)流程，操作過程簡單、高效。

3 結(jié) 語

本文建立了徑向距離校準(zhǔn)裝置和空間距離校準(zhǔn)裝置并開發(fā)了相關(guān)配套軟件，實現(xiàn)了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動化采集與計算、主標(biāo)準(zhǔn)器溫度實時采集并計算改正、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，并以自動化機械臂替代傳統(tǒng)觀測墩。最終，構(gòu)建了自動化地面激光掃描儀校準(zhǔn)實驗室，為地面激光掃描儀提供了全自動的數(shù)字化校準(zhǔn)服務(wù)，實驗室的建立提高了儀器校準(zhǔn)效率，保證了儀器校準(zhǔn)的時效性。