激光跟蹤儀系統(tǒng)介紹及其應(yīng)用

1、 分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)課程名稱：光機(jī)電一體化機(jī)械工程學(xué)院碩 3002 班周強(qiáng)院 系：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào):3113001060 目錄1 激光跟蹤儀系統(tǒng). 11.1 激光跟蹤儀系統(tǒng)的概述. 11.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的基本原理. 11.2.1 系統(tǒng)的組成. 21.2.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理. 32 分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng). 72.1 引言. 72.2 基于 gps 多邊形定位原理. 72.3 分時(shí)測(cè)量的算法. 92.3.1 激光跟蹤儀基站的自標(biāo)定. 92.3.2 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)定. 10 光機(jī)電一體化課程作業(yè)1 激光跟蹤儀系統(tǒng)1.1 激光跟蹤儀系統(tǒng)的概述激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（lase

2、r tracker system）是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。它集合了激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測(cè)量，測(cè)量靜止目標(biāo)，跟蹤和測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)或它們的組合。smart310是 leica 公司在 1990 年生產(chǎn)的第一臺(tái)激光跟蹤儀，1993 年 leica 公司 又推出了 smart310 的第二代產(chǎn)品，其后，leica 公司還推出了 lt/ltd系列的激光跟蹤儀，以滿足不同的工業(yè)生產(chǎn)

3、需要。ltd系列的激光跟蹤儀采用了 leica 公司專利的絕對(duì)測(cè)距儀，測(cè)量速度快，精度高，配套的軟件則在 leica 統(tǒng)一的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái) axyz下進(jìn)行開發(fā)，包括經(jīng)緯儀測(cè)量模塊、全站儀測(cè)量模塊、激光跟蹤儀測(cè)量模塊和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量模塊等。激光跟蹤系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用始于 1996 年，上飛、沈飛集團(tuán)在我國(guó)第一次引進(jìn)了 smart310 激光跟蹤系統(tǒng)；2005 年上海盾構(gòu)公司引進(jìn)了 leica 公司的一套ltd600跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用于三維管模的檢測(cè)。（a）api 的激光跟蹤儀(b) leica 的激光跟蹤儀(c)faro 的激光跟蹤儀圖 1-1 api 等公司生產(chǎn)的激光跟蹤儀1.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)

4、的基本原理近年來，激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，很多公司都相繼推出了各自品牌的激光跟蹤儀，但所有的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、反射器（靶鏡）及測(cè)量附件等組成的。實(shí)驗(yàn)采用的是leica at 901mr 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。1 光機(jī)電一體化課程作業(yè)1.2.1 系統(tǒng)的組成激光跟蹤儀的實(shí)質(zhì)是一臺(tái)能激光干涉測(cè)距和自動(dòng)跟蹤測(cè)角測(cè)距的全站儀，區(qū)別之處在于它沒有望遠(yuǎn)鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉(zhuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了激光跟蹤儀的三個(gè)軸，三軸相交的中心是測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)。系統(tǒng)的硬件主要組成部分包括：傳感器頭、控制器、電動(dòng)機(jī)和傳感器電纜、帶 lan 電纜的應(yīng)用計(jì)算機(jī)以及反射器。

5、圖 1-2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的組成(1) 傳感器頭：讀取角度和距離測(cè)量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉(zhuǎn)。每根軸具有一個(gè)編碼器用于角度測(cè)量和一只直接供電的 dc 電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行遙控移動(dòng)。傳感器頭的油缸包含了一個(gè)測(cè)量距離差的單頻激光干涉測(cè)距儀（ifm），還有一個(gè)絕對(duì)距離測(cè)量裝置（adm）。激光束通過安裝在傾斜軸和旋轉(zhuǎn)軸交叉處的一面鏡子直指反射器。激光束也用作為儀器的平行瞄正軸。挨著激光干涉儀的光電探測(cè)器（ psd）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。圖 1-3 傳感器頭2 光機(jī)電一體化課程作業(yè)(2) 控制器: 包含電源、編碼器和干涉儀用計(jì)數(shù)器、電動(dòng)機(jī)放大器、跟蹤處理器和網(wǎng)卡跟蹤處理器將跟蹤器內(nèi)的

6、信號(hào)轉(zhuǎn)化成角度和距離觀測(cè)值，通過局域網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用計(jì)算機(jī)上，同理從計(jì)算機(jī)中發(fā)出的指令也可以通過跟蹤處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換再傳送給跟蹤器，完成測(cè)量操作。(3) 電纜：傳感器電纜和電動(dòng)機(jī)電纜分別用來完成傳感器和電動(dòng)機(jī)與控制器之間的連接。lan 電纜則用于跟蹤處理器和應(yīng)用計(jì)算機(jī)之間的連接。(4) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)：加載了工業(yè)用的專業(yè)配套軟件，用來發(fā)出測(cè)量指令和接收測(cè)量數(shù)據(jù)。(5) 反射器（靶標(biāo)）：是激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。作為光學(xué)逆反射器，它把所有沿光軸方向入射的光線沿原路反射回去，進(jìn)入干涉系統(tǒng)，與參考光發(fā)生干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的高精度測(cè)量；作為測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)頭，它直接與被測(cè)物體接觸，用目標(biāo)反射鏡中心的坐標(biāo)

7、值來描述被測(cè)對(duì)象的形狀和尺寸。圖 1-4 靶球（smr）(6) 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數(shù)據(jù)需要用來在計(jì)算激光反射時(shí)是必需的，并通過串行接口被傳送給聯(lián)機(jī)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。(7) 測(cè)量附件：包括三角支架、手推服務(wù)小車等。支架用來固定激光跟蹤儀，調(diào)整高度，保證各種測(cè)量模式的穩(wěn)定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動(dòng)激光跟蹤儀。手推服務(wù)小車則可裝載控制器等設(shè)備，運(yùn)送方便快捷。1.2.2 激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理要介紹激光跟蹤儀系統(tǒng)的原理就要從兩部分進(jìn)行介紹：激光跟蹤的原理和激光跟蹤儀系統(tǒng)坐標(biāo)測(cè)量的原理。a）激光跟蹤的原理當(dāng)跟蹤系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，如圖 1-5 所示，由激光發(fā)生器射出的光束，經(jīng)過干

8、涉光路和分光鏡，被跟蹤轉(zhuǎn)鏡反射到目標(biāo)鏡中心。沿目標(biāo)反射鏡中心入射的光線按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光鏡反射到光電位置檢測(cè)器的中心，位置檢測(cè)器輸出零電壓信號(hào)，此時(shí)控制電路沒有信號(hào)輸出到電機(jī)。當(dāng)目標(biāo)反射鏡運(yùn)動(dòng)一個(gè)位移量后，如圖 1-6 所示，此時(shí)光束不再?gòu)哪繕?biāo)鏡中心入射，從而目標(biāo)反射鏡返回的光束與入射光平行，兩者相距2。返回光經(jīng)過分光鏡，一3 光機(jī)電一體化課程作業(yè)部分落在位置檢測(cè)器上，此時(shí)光斑中心將偏離位置檢測(cè)器中心，隨即產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大調(diào)節(jié)后通過伺服控制回路控制電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使照射到目標(biāo)反射鏡的光束方向發(fā)生變化，直至入射光通過目標(biāo)反射鏡的中心，使系統(tǒng)重新達(dá)到跟蹤平衡狀

9、態(tài)。圖 1-5 激光跟蹤儀的平衡狀態(tài)圖 1-6 激光跟蹤儀的不平衡狀態(tài)b）激光儀器的坐標(biāo)測(cè)量原理首先以跟蹤頭中心為原點(diǎn)，建立球坐標(biāo)系，如圖 1-7 所示。4 光機(jī)電一體化課程作業(yè)圖 1-7 激光跟蹤儀的球坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè) p (x,y,z)為被測(cè)空間點(diǎn)假設(shè)點(diǎn) p 到點(diǎn) o 的距離為 l， op 與 z 軸的夾角為 b ，op 在 oxy 平面內(nèi)的投影與 x 軸的夾角為a ，則點(diǎn) p (x,y,z)的表達(dá)式為：x = l sin bgcosagy = l sin bgsinag（1-1）z = lgcosb式中，a 、b 的值由安裝在跟蹤頭中的兩個(gè)角度編碼器測(cè)量得出，l 的值通過安裝在激光頭中的激光干

10、涉儀獲得。激光干涉法測(cè)距原理為：由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡分成反射光束 s1 和透射光束 s2，其中 s1 作為干涉參考光，s2 作為測(cè)量光。當(dāng) s2 經(jīng)目標(biāo)反射鏡反射回來時(shí)，與s1 匯合成相干光束。若兩列光 s1 和 s2 的光程差為 n（為波長(zhǎng)，n 為零或正整數(shù)），實(shí)際合成光的振幅是兩個(gè)分振幅之和，光強(qiáng)最大，出現(xiàn)明條紋。若 s1 和 s2 的光程差為/2（或半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍）時(shí)，合成光的振幅和為零，此時(shí)光強(qiáng)最小，出現(xiàn)暗條紋。所以當(dāng)目標(biāo)反射鏡在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于 s1 和 s2 光程差的變化，明暗相間的條紋也會(huì)發(fā)生變化。激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接收

11、并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)處理后由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移變化量的檢測(cè)。圖 1-8 激光干涉測(cè)距原理5 光機(jī)電一體化課程作業(yè)由以上原理可知激光干涉儀為增量碼測(cè)量系統(tǒng)，因此測(cè)量前必須預(yù)設(shè)初值 。跟蹤頭上有一個(gè)固定點(diǎn)叫鳥巢，測(cè)量開始時(shí)，首先將目標(biāo)反射鏡置于該固定點(diǎn)上，該點(diǎn)與跟蹤頭中心的距離是固定的，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將初值置為該距離值，然后即可移動(dòng)目標(biāo)反射鏡進(jìn)行空間點(diǎn)的測(cè)量。由于激光干涉儀是增量碼儀器，所以在測(cè)量過程中一旦發(fā)生丟光，干涉儀就會(huì)停止計(jì)數(shù)，測(cè)量就無法繼續(xù)，整個(gè)測(cè)量過程就必須重新開始。此外，測(cè)量系統(tǒng)給出的三維坐標(biāo)值是目標(biāo)反射鏡的中心位置，理論上目標(biāo)反射鏡的中心均與其外面的球形外殼中心重合，所以要獲得被測(cè)點(diǎn)

12、的實(shí)際坐標(biāo)值還要對(duì)直接測(cè)量值進(jìn)行半徑補(bǔ)償。6 光機(jī)電一體化課程作業(yè)2 分時(shí)多站式激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)2.1 引言激光跟蹤儀作為一種新型的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，具有便攜性、精度高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車、機(jī)械制造、水電等領(lǐng)域。由于激光跟蹤儀測(cè)角誤差遠(yuǎn)大于測(cè)長(zhǎng)誤差，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量距離達(dá)到十幾米甚至幾十米時(shí)，跟蹤儀測(cè)量誤差將顯著增大，因此在精密測(cè)量的領(lǐng)域使其受到一定的限制。角a b度誤差是引起坐標(biāo)測(cè)量誤差的主要來源。由于轉(zhuǎn)角 和 的測(cè)量采用編碼器得到，其測(cè)量精度有限，與激光干涉的距離測(cè)量精度相差甚遠(yuǎn)，且角度誤差會(huì)隨著測(cè)量距離的增大而被進(jìn)一步放大，因而直接影響了空間坐標(biāo)點(diǎn)的整體測(cè)量精度

13、。因此，提出了一種基于 gps 定位原理的多站式測(cè)量方法，在這系統(tǒng)只利用具有納米分辨率的高精度的激光干涉儀的測(cè)距信息，而不使用誤差較大的角度信息，因此這種方法可以實(shí)現(xiàn)非常高的精確度。2.2 基于 gps 多邊形定位原理gps 定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，通過多個(gè)衛(wèi)星的測(cè)距信息確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖 2-1 所示，假設(shè) t 時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置 gps 接收機(jī)，可以測(cè)定 gps 信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式，通過上述四個(gè)方程式可求解出來中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) x、 y、 z 和 vt。

14、圖 2-1 gps 定位原理基于多邊法的多站測(cè)量原理如圖 2-2 所示。若已知三個(gè)測(cè)量基站 、 、 的位a bc7 光機(jī)電一體化課程作業(yè)置，分別測(cè)量出三個(gè)基站到 點(diǎn)的距離 、 和p pa pb,然后便可以唯一確定出 點(diǎn)的ppc空間坐標(biāo)，這與gps 測(cè)量原理非常相似。多站法測(cè)量采用gps 測(cè)量原理，測(cè)量過程中只對(duì)距離測(cè)量而不涉及角度測(cè)量，只用到激光跟蹤儀的測(cè)距信息，因此，這種方法具有較高的測(cè)量精度。理論上測(cè)量時(shí)只要有 3 個(gè)測(cè)量基站就可確定出目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，但實(shí)際測(cè)量時(shí)，為了獲得冗余的測(cè)量數(shù)據(jù)，基站數(shù)目可靠性和測(cè)量精度。4 ，這樣可以提高測(cè)量系統(tǒng)的m圖 2-2 多邊形原理基于多邊法的多站激光跟

15、蹤測(cè)量系統(tǒng)雖具有較高精度，但需要四臺(tái)或更多的激光跟蹤儀同時(shí)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（如圖 2-3 所示），硬件成本比較高。圖 2-3 激光跟蹤儀多站式測(cè)量系統(tǒng)為了節(jié)約成本，同時(shí)保證較高的測(cè)量精度，通過一臺(tái)激光跟蹤儀先后在不同基站位置對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即分時(shí)多站式測(cè)量。該方法與多站法測(cè)量原理相同，測(cè)量過程中涉及距離測(cè)量，只利用激光跟蹤儀的測(cè)距信息，因此，該方法具有較高的測(cè)量精度，同時(shí)采用分時(shí)測(cè)量原理，硬件成本大大降低。圖 2-4 為利用激光跟蹤儀采用多站分時(shí)測(cè)量方法對(duì)機(jī)床平動(dòng)軸誤差測(cè)量的原理圖，圖 2-5 分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型為平動(dòng)軸誤差多站分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，其中 p 、 p 、 p 、 p 為測(cè)量時(shí)激

16、光跟蹤儀所在的四1234個(gè)基站位置，刀具運(yùn)動(dòng)區(qū)域按正方體給出， a 為初始目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)在正方體的每條邊0上分布著多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)目可以根據(jù)測(cè)量的精度和實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。8 光機(jī)電一體化課程作業(yè)圖 2-4 多站分時(shí)測(cè)量原理圖 2-5 分時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型采用多站分時(shí)測(cè)量方法檢測(cè)機(jī)床誤差時(shí)，將目標(biāo)靶鏡貓眼安裝在刀具附近，并跟隨刀具一起運(yùn)動(dòng)。控制刀具按設(shè)定的路徑在 3d 空間進(jìn)給，一臺(tái)激光跟蹤儀先后在不同的基站位置對(duì)刀具相同的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到各測(cè)量點(diǎn)位置時(shí)，控制刀具停止運(yùn)動(dòng)，并記下當(dāng)前位置激光跟蹤儀的測(cè)距數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)毒咦咄觐A(yù)先設(shè)定的路徑時(shí)，第一個(gè)基站位置測(cè)量結(jié)束，然后將激光跟蹤儀移動(dòng)到

17、下一個(gè)基站位置并重復(fù)上述測(cè)量過程，直至在所有基站位置都完成對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量。2.3 分時(shí)測(cè)量的算法2.3.1 激光跟蹤儀基站的自標(biāo)定假設(shè) a 為初始測(cè)量點(diǎn)，刀具沿著預(yù)先設(shè)定好的路徑運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置一0定數(shù)目的測(cè)量點(diǎn)，且各測(cè)量點(diǎn)的理論坐標(biāo) a (x , y , z ) （ 1、2、 ）是已知的，測(cè)niiiii量過程中測(cè)量點(diǎn) a 到基站 p 的距離記為l 。i11i9 光機(jī)電一體化課程作業(yè)設(shè)基站 p(x, y, z) ，對(duì)測(cè)量點(diǎn) a (x , y , z ) ，按兩點(diǎn)距離公式可以建立如下方程組：1iiii(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l2221111

18、1(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l222（2-1）22212m(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l222iii1i利用最小二乘原理，求解出正規(guī)方程： nnnnn2 x2 x y 2 x z - xx (x + y + z -l )i222221iiiii iiiiii=1i=1i=1i=1i=1 x nnnnn2 x y 2 y2 y z - yy (x + y + z -l )2 22221iyiiii iiiiii i=1=（2-2）i=1i=1i=1i=1 z nnnnn2 x z 2 y z 2 z- zz (x +

19、y + z -l )2 22221ii ii iiiciiiii=1 1i=1i=1i=1i=1n nnnn- x- y- z-(x + y + z -l )2222221iiiiiiii=1i=1i=1i=1當(dāng)式（2-2）中的系數(shù)行列式不為零時(shí)，有唯一確定的解。重復(fù)上述標(biāo)定過程，即可依次標(biāo)定出基站 、 p 、 的空間坐標(biāo)。p2p432.3.2 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)定當(dāng)標(biāo)定出四個(gè)基站位置后，同樣的基于多邊法測(cè)量原理，便可確定出測(cè)量過程中各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo) ( , , ) （ 1、2、 ）。axyziniiii設(shè) 標(biāo) 定 得 到 的 四 個(gè) 基 站 空 間 坐 標(biāo) 為 ( ,p x y z) 、 ( , ) 、p x y z1p1p1, p12p2p2, p2p (x , y z ) 、 p (x , y z) ，測(cè)量點(diǎn) a 到各基站的距離分別為 l 、l 、l 、l 。3p3p3, p34p4p4, p4i1i2i3i4i對(duì)測(cè)量點(diǎn) ( , , ) ，按兩點(diǎn)距離公式可以建立如下方程組：axyziiii(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l22ip1ip1ip11i(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l222p2ip2ip22i4i（2-3）i ( - ) + ( - ) + ( - ) =x xy yz z