專利名稱：電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標、底座和基準尺的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于幾何量計量儀器校準的靶標、底座和基準尺，尤 其涉及對電子經緯儀坐標測量系統等空間大尺寸測量儀器進行校準 的靶標、底座和基準尺。
背景技術：
空間大尺寸測量儀器種類很多，包括經緯儀測量系統，激光測量 系統，攝影測量系統等，各類儀器測量原理不同，不同的測量原理導 致了對其測量精確度評價的不同方法，因而空間大尺寸測量儀器的校 準長期以來都沒有完全成形的標準。
國家《JJG425-2003光學經緯儀檢定規程》和《JJG100-2003全
站型電子速測儀檢定規程》中，對單臺經緯儀角度測量的校準進行了 規定，而由多臺電子經緯儀組成測量系統的空間坐標測量的校準卻未 作規定。
在大尺寸測量儀器中，目前研究較多的是有關激光跟蹤儀的校準 方法，中國計量科學研究院編寫的《基于激光的球坐標測量系統的性 能評價(征求意見稿)》、航空304所編寫的《大尺寸測量系統-激光 跟蹤儀校準規范(報批稿)》，都對激光跟蹤儀的校準做出了規定，其 測量方案如附圖13所示，其中使用了激光干涉儀110，參考鏡120， 激光跟蹤儀130，靶鏡140，長導軌150等，主要步驟如下
步驟l.準備測量設施，包括激光干涉儀、直線度很好的長導軌、激光跟蹤儀；
步驟2.將激光干涉儀置于長導軌的一端，被校準的激光跟蹤儀位 于長導軌一側，與長導軌橫向拉開距離H;
步驟3.使靶鏡沿導軌移動，根據校準需要改變靶鏡的移動距離， 并調整激光跟蹤儀的高度和與長導軌間的距離H，同時由激光干涉儀 和激光跟蹤儀分別測得靶鏡移動的距離；
步驟4.將激光干涉儀的測量結果作為參考值，計算激光跟蹤儀相 對于激光干涉儀的測量偏差；
lt匕夕卜，美國國家標7隹《Performance Evaluation of Laser Based Spherical Coordinate Measurement Systems》對激光跟蹤儀的校準進行 了描述，測量方案如附圖14所示，其中使用了基準軸21，目標基準 22，兩個基準目標a和b，主要步驟如下
歩驟l.準備測量設施，包括基準尺、激光跟蹤儀；
步驟2.在測量空間放置一基準尺，尺長A不小于2.3m，其兩端 點a和b的距離事先經過標定得到校準值；
步驟3.激光跟蹤儀安裝在與基準尺軸線相垂直的一側，其高度h 與基準尺的放置高度大致相同，且使其與基準尺兩個端點的距離近似 相等。
步驟4.變換激光跟蹤儀的位置和方向，對基準尺的長度進行測 量，測量結果與基準尺的校準值進行比較，并計算激光跟蹤儀相對于 基準尺的測量偏差。 在以上列出的兩種激光跟蹤儀校準方法中，方案一是采用長導軌上移動的靶鏡作為比較媒介，以激光干涉儀作為標準器，測得激光跟 蹤儀的測量偏差。此方法操作時受長導軌方向的限制，測量范圍只能 沿一維方向延伸，而電子經緯儀測量系統，則需要在水平360。，俯仰 士45。的范圍內，沿任意方向進行校準。因此方案一不適用于電子經緯 儀測量系統的校準。方案二突破了導軌方向的限制，代之以可靈活放 置的基準尺，滿足了對任意方向和角度的校準要求。但由于基準尺是
實物基準，其長度不宜過大， 一般在3m以內，否則，不僅基準尺標 定困難，當溫度等環境條件發生變化或者尺身發生變形時，都會使標 定值失準，基準尺過長還會造成攜帶不便。因此該方案無法滿足電子 經緯儀系統在數十米范圍上的校準需求。
到目前為止，國內外尚無其它電子經緯儀空間三維坐標測量校準 研究的報道。

發明內容
本發明所要解決的問題是提供一種電子經緯儀空間坐標測量系
統的校準用的耙標和基準尺，滿足電子經緯儀測量系統在水平360°， 俯仰士45。角度內，沿任意方向在數十米范圍上進行校準的需要，并且， 要求應用于校準的基準點的坐標值可以用精度更高的儀器實時的修 正，以保證高的校準精度和降低對基準放置點環境的依賴。
本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案為
-一種電子經諱儀空間坐標測量系統校準用耙標，其中，靶標整體 為鋼球經過加工得到的半球或球缺，鋼球由于切割而具有一個經過球 心的端面，在此端面上粘貼有環形目標。如上所述的一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標，其 中，所述靶標為一個沿鋼球最大截圓平面切入八分之五的深度，然后 沿與最大截圓平面呈120°方向進行切除所形成的球缺。
如上所述的一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標，其 中，環形目標為紙質環形目標，其圖案為三個同心圓，中心畫有十字 線，紙質環形目標與鋼球同心。
一種放置如上所述的靶標的底座，其中，底座采用圓柱形鋼加工 而成，圓柱一端有加工出的放置靶標的孔，孔的外邊緣有倒出的與靶 標相配合的光滑圓角，孔的內部有加工出的階梯孔，階梯孔中裝有稀 土磁石。
一種安裝如上所述的靶標的基準尺，包括測量桿，工裝，手柄部 分，其中，工裝固連在測量桿兩端，為L形鋼，長邊中心加工有階梯 孔，L形鋼短邊中心加工有沉孔。
一種如上所述的一種安裝如上所述的靶標的基準尺，其中，基準
尺長度在900mm 1100mm之間，測量桿部分采用碳纖維材料。
本發明的有益效果在于提供了一種電子經緯儀空間坐標測量系 統的校準用的靶標和基準尺，滿足電子經緯儀測量系統在水平360°， 俯仰士45。角度內，沿任意方向在數十米范圍上進行校準的需要，并且， 應用于校準的基準點的坐標值可以用精度更高的儀器，如激光雷達掃 描儀實時的修正，以保證高的校準精度和降低對基準放置點環境的依 賴。


圖1是球缺耙標主視圖2是球缺靶標左視圖3是半球靶標主視圖4是半球靶標左視圖5是兩種儀器對靶標測量示意圖6是球缺靶標和底座結合使用時的主視圖7是球缺靶標和底座結合使用時的左視圖8是校準時空間靶標布局示意圖9是半球靶標和基準尺結合使用時的主視圖IO是半球靶標和基準尺結合使用時的俯視圖11是基準尺上的工裝主視圖12是基準尺上的工裝剖視圖13是激光跟蹤儀校準方案1示意圖14是激光跟蹤儀校準方案2示意其中，R為球半徑，Z為兩個切割面交線與球心的距離，ZA為 兩個切割面的夾角，31電子經緯儀測量系統，32電子經緯儀，33測 量耙標，34激光雷達掃描儀，41環形目標，42球缺革巴標，43磁石， 44底座，L校準空間的長度，M校準空間的寬度，H校準空間的高 度，61環狀目標，62球狀靶標，63測量桿，64手柄，65工裝， 110激光干涉儀，120參考鏡，130激光跟蹤儀，140靶鏡，150長 導軌，H距離，21基準軸，22目標基準，h測量儀器高度，D測 量儀器距離目標基準的距離，A 2個目標基準之間的距離，a基準目標，b基準目標。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。 實施例一
此靶標為將一個半徑30mm的鋼球，沿最大截圓平面切入八分之 五的深度，然后沿與最大截圓平面呈120°方向進行切除所形成的球 缺，如圖1所示，其中，R為球半徑，Z為兩個切割面交線與球心的 距離，ZA為兩個切割面的夾角。
球缺是篩選過的，中心球冠高為半徑大小，公差范圍為-0.02mm -0.05mm之內。
在過球心的平面上粘貼有紙質環形目標，紙質環形目標圖案為三 個同心圓，中心畫有十字線。中心圓為直l^ lmm，線寬0.4mm，第 二個圓為直徑8mm，線寬lmm，外圓為直徑16mm，線寬3mm，三 個圓同心度小于0.003mm，中心十字線長20mm，寬0.2mm。
此過程中需要在萬能工具顯微鏡下對靶標找中心，利用專用工裝 保證耙標回轉的情況下中心位置不變。將紙質耙標粘貼球心所在平 面，盡量保證靶標中心與球同心，并且利用萬能工具顯微鏡對其進行 檢驗。
并且粘貼后需要測量粘貼靶標后中心點球冠高，球冠高要求與球 半徑差小于O.Olmm，不滿足要求的在靶標中心粘入紙片，調整到半 球矢高與標準半徑差小于0.005mm。
耙標放置于底座上，如圖6所示，其中，環形目標41，半球靶標42，磁石43，底座44，底座由直徑30mm，長60mm的圓柱形45 鋼加工而成，圓柱一端加工直徑20mm，深8mm的孔，用于放置靶 標，孔的外邊緣倒出和靶標配合的光滑圓角，內部加工出直徑10mm， 深10mm的階梯孔，在階梯孔中填充適當大小的磁石，整個工件發黑 處理。
由于磁石的磁性傳導，球缺耙標被吸附在底座上，在施加外力情 況下可以在孔中順暢的旋轉。
上述的靶標和底座放置于距離電子經緯儀10m處左右后，即使 左右旋轉，環形靶標的中心位移量也會很小，可以供電子經緯儀校準用。
實施例二
為一個半球耙，是將半徑為30mm鋼球切除一半形成的，如圖3 所示，其中R為球半徑。
半球是篩選過的，中心球冠高為半徑大小，公差范圍為-0.02mm -0.05mm之內。
在過球心的平面上粘貼有紙質環形目標，紙質環形目標圖案為三 個同心圓，中心畫有十字線。中心圓為直徑lmm，線寬0.4mm，第 二個圓為直徑8mm，線寬lmm，外圓為直徑16mm，線寬3mm，三 個圓同心度小于0.003mm，中心十字線長20mm，寬0.2mm。
此過程中需要在萬能工具顯微鏡下對靶標找中心，利用專用工裝 保證靶標回轉的情況下中心位置不變。將紙質靶標粘貼球心所在平 面，盡量保證靶標中心與球同心，并且利用萬能工具顯微鏡對其進行檢驗。
并且粘貼后需要測量粘貼靶標后中心點球冠高，球冠高要求與球
半徑差小于0.01mm，不滿足要求的在靶標中心粘入紙片，調整到半 球矢高與標準半徑差小于0.005mm。
此半球耙放置于基準尺兩端，如圖9所示，其中，環狀目標61， 球狀耙標62，基準尺長1148.726mm，當然根據需求可以對基準尺長 進行選取，最好控制在900mm 1200mm內。基準尺過短會影響校準 的效果，太長的話不僅基準尺標定困難，當溫度等環境條件發生變化 或者尺身發生變形時，都會使標定值失準，基準尺過長還會造成攜帶 不便。基準尺中間安裝有手柄，兩端固連有放置如上所述靶標的工裝， 工裝是能保證靶標的球面和平面都能被觀測到的環形結構，工裝如附 圖11所示，此處，工裝為L形鋼，長邊長46mm，寬38mm，厚4mm; 長邊中心加工有階梯孔，小孔直徑28mm，沉孔直徑31mm，深3mm; L形鋼短邊長14mm，寬38mm，厚8mm，中心加工有直徑為5mm 的孔，沉孔直徑7mm，深2mm用于加裝緊固螺釘。
當然，半球耙標也可以和底座配合使用，球缺靶標也可以和基準 尺配合使用。
靶標使用時被兩種儀器同時測量的情況如圖5所示，其中，電子 經緯儀測量系統31，電子經緯儀32，測量靶標33，激光雷達掃描儀 34，經緯儀建立的空間坐標測量系統采用的是紙質環形目標，激光雷 達掃描儀采用的是金屬球面靶標。專門研究設計的具有半球結構的靶 標適合不同種類的儀器進行測量，并且反應相同的測量目標。利用靶標即可實現對大尺寸儀器校準。
具體測試時布置耙標的方式如圖8所示，其中，測試用耙標1 16，
長L為20m，寬M為14m，高N為7m， 一方面在空間上布置若干 靶標，利用靶標中心反應空間坐標點，建立空間坐標實物標準，激光 雷達掃描儀作為空間坐標量值傳遞裝置，得到各個靶標空間坐標標準 值，然后經緯儀測量系統對靶標進行測量，測量結果與標準值比較完 成對經緯儀系統校準過程。
另一方面，為了方便激光雷達掃描儀和電子經緯儀系統現場校準 的需求，利用半球耙標制作了多用途基準尺，方便不同儀器的現場校 準需求，即基準尺可以有兩個方面的用途， 一是在進行上述校準之前 對激光雷達掃描儀進行校準，以保證激光雷達掃描儀的結果的可靠 性，二是可以直接用于電子經緯儀的校準。
除了上述的校準以外，通過對靶標的進一步改進，可以拓展到其 它相關類型影像式大尺寸測量儀器，實現不同儀器測量結果校準和比 較，這也為大尺寸測量儀器的校準開辟了新途徑。
使用時的詳細步驟介紹如下
步驟l、放置儀器和耙標；
在校準進行的實驗室內放置儀器和靶標，儀器包括激光雷達掃描 儀一臺，多臺電子經緯儀組成的待校準的電子經緯儀系統一套，靶標 是能夠同時被激光雷達掃描儀和電子經緯儀測量且對不同測量儀器 反應空間同 一 點坐標的專用靶標；
激光雷達掃描儀放置于實驗室中間；電子經緯儀系統電子經緯儀均布在激光雷達掃描儀周圍。
在步驟1中，實驗室通常是選用20mxl0mxl0m左右的測量空 間，場地內采光良好，四周固定靶標的墻體堅實牢固的實驗室，以保 證得到的數據的準確性。
此外，通常經緯儀系統中每兩臺電子經緯儀間的距離控制在 3m 4m內互瞄精度較高，所以將每臺電子經緯儀放置于距激光雷達 掃描儀1.5m左右，這樣可以保證電子經緯儀的互瞄精度，電子經緯 儀高度調整至實驗者操作方便的高度。
電子經諱儀系統中電子經緯儀的組成臺數是不一定的，但是其臺 數不影響本校準方法的使用。
電子經緯儀由于工作過程中會自行確認各臺經緯儀的確切位置， 所以放置電子經緯儀時不需要十分精確，大致均勻的放置于激光雷達 掃描儀四周即可，如待校準的電子經緯儀系統由4臺電子經緯儀組成 時，按相互間隔90。均布在激光雷達掃描儀周圍。
革巴標數量和位置根據實驗空間大小和環境條件靈活設定，數量在 16 30之間，設置靶標時，高低方向上須照顧到經緯儀測量的俯仰 角度范圍，控制在每臺經緯儀的觀測角都為±45°內；實際布置方法 的示意圖如圖8所示；其中，1 16測試用靶標，L長20m， M寬 14m， N高7m;
步驟2、用激光雷達掃描儀對靶標賦值，組成標準器具組；
由激光雷達掃描儀對測量耙標P, P"依次進行測量，得到激光雷 達掃描儀坐標系下各測量靶標的空間三維坐標標準值，記錄為(x,標，y!標，Zi標)，(X2標，y2標，Z2標)(Xn標，yn標，Zn標)；
在步驟2中，由激光雷達掃描儀對測量靶標g P"依次進行測量 時，可以是每個測點經過3次測量取平均值。
步驟3、被校準的電子經緯儀系統測量每個靶標得到測量值；
首先由電子經緯儀在測量坐標系下對測量靶標g P"依次進行 測量，得到電子經緯儀測量系統對測量靶標空間三維坐標的實測值； 對靶標進行3次測量，每次測量需要對經緯儀系統的位置進行調整， 得到3種不同狀態下測量值，對于每一種狀態下的一組測量值，用以 下步驟進行處理，得到每種狀態下每個測量值的相對誤差；
在步驟3中，具體操作時，可以是電子經緯儀測量系統對測量靶 標空間三維坐標，每個測點經過2或4次測量取平均值，測量時均方 根誤差控制在0.05mm以內；
步驟4、將電子經緯儀的測量值轉換到激光雷達掃描儀的測量坐 標系下；通過歩驟4.1 4.2完成；
歩驟4.1、電子經緯儀系統的測量坐標系和激光雷達掃描儀的測 量坐標系關系的確定通過步驟4丄1 步驟4丄3完成；
步驟4丄1、布置基準尺，這些基準尺上的靶標，作為公共標志
點；
基準尺布置在電子經緯儀系統和激光雷達掃描儀都能夠測量的 地方。
在步驟4丄1中，基準尺可分別取電子經緯儀最短工作距離1.5m 左右和實驗空間允許的最大距離處放置，并盡量放置于最低處，即觀測角接近一45。，和最高處，即觀測角接近+ 45°的不同位置。這樣的點用于坐標轉換時，可以保證得到的轉換公式能最大限度 的適用于所有的測量點。步驟4丄2、激光雷達掃描儀和電子經緯儀分別測量公共標志點， 分別得到公共標志點的三維坐標；歩驟4丄3、根據公共點在兩種儀器的測量坐標系下的測量值， 利用迭代解算的方法可以得到兩個坐標系關系，主要包括坐標系角度 旋轉和坐標系平移，按照這種關系電子經緯儀坐標系下的點就可以轉 換到激光雷達掃描儀坐標系下；步驟4.2、電子經緯儀系統的測量值的轉換；利用上述的關系， 將電子經緯儀系統得到的測量值的轉換為激光雷達掃描儀坐標系下 的值，得到轉換后的坐標值(x,轉，y1K， z轉)，(X2轉，y2ft， 22轉) (Xn轉，yn轉，Zn轉)；步驟5、經轉換的電子經緯儀測量值與其標準值比較，并通過以 下步驟，分析得到電子經緯儀測量系統的測量偏差及測量不確定度評 估；歩驟5.1、點集比較轉換坐標值與標準坐標值進行比較Axiii轉-Xi標，Z\yi 二yi轉-yi標，Azi ^Zi轉-z;標，z' = l "， 步驟5.2、求得轉換坐標值與標準坐標值的空間坐標綜合偏差，D,. = V( Ax,.)2+(A》2+( Az》2 ，" 1 "； 步驟5.3、標準極徑計算激光雷達測量儀測得的各測量靶標極<formula>formula see original document page 15</formula>. 步驟5.4、空間坐標測量相對誤差計算；測量靶標P,的空間坐標綜合偏差D,與其標準極徑的比值A/丄,即為電子經緯儀測量系統對該點的空間坐標測量相對誤差。 D,/丄,，1)2/丄2，…，z^//^，……中的最大值即為電子經緯儀測量系統空間坐標測量的最大相對誤差。
權利要求
1.一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標，其特征在于靶標整體為鋼球經過加工得到的半球或球缺，鋼球由于加工而具有一個經過球心的端面，在此端面上粘貼有環形目標。
2. 如權利要求1所述的一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準 用靶標，其特征在于所述靶標為一個沿鋼球最大截圓平面切入八分 之五的深度，然后沿與最大截圓平面呈120。方向進行切除所形成的球 缺。
3. 如權利要求1至2中任一項所述的一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標，其特征在于環形目標為紙質環形目標，其圖 案為三個同心圓，中心畫有十字線，紙質環形目標與鋼球同心。
4. 一種放置如權利要求1所述靶標的底座，其特征在于底座 采用圓柱形鋼加工而成，圓柱一端有加工出的放置靶標的孔，孔的外 邊緣有倒出的與靶標相配合的光滑圓角，孔的內部有加工出的階梯 孔，階梯孔中裝有稀土磁石。
5. —種安裝如權利要求1所述耙標的基準尺，包括測量桿，工 裝，手柄部分，其特征在于工裝固連在測量桿兩端，為L形鋼，長 邊中心加工有階梯孔，L形鋼短邊中心加工有沉孔。
6. —種如權利要求5所述的一種安裝如權利要求1所述靶標的 基準尺，其特征在于基準尺長度在900mm 1100mm之間，測量桿部分采用碳纖維材料。
全文摘要
本發明是一種電子經緯儀空間坐標測量系統校準用靶標、底座和基準尺，旨在滿足電子經緯儀測量系統在水平360°，俯仰±45°角度內，沿任意方向在數十米范圍上進行校準的需要。其中靶標為軸承鋼球經過線切割加工而成的半球或球缺；包括粘貼有紙質環形標志的端面，及一種放置如上所述靶標的底座，一種安裝如上所述靶標的基準尺。本發明滿足了電子經緯儀測量系統在水平360°，俯仰±45°角度內，沿任意方向在數十米范圍上進行校準的需要，并且，應用于校準的基準點的坐標值可以用精度更高的儀器，如激光雷達掃描儀實時的修正，以保證高的校準精度和降低對基準放置點環境的依賴。
文檔編號G01B7/00GK101655343SQ200810147440
公開日2010年2月24日 申請日期2008年8月18日 優先權日2008年8月18日
發明者勇 劉, 芳 方, 晴 殷, 沈兆欣, 燕 賀, 陳曉暉 申請人:北京航天計量測試技術研究所