一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于室內空間測量定位系統(wMPS，workshop MeasurementPosit1ning System)的三維坐標精密測量領域，尤其涉及一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法。
【背景技術】
[0002]室內空間測量定位系統是為了滿足大型制造業(如航空航天、船舶制造)的測量要求，基于光電掃描和角度交匯原理發展起來的大尺度空間坐標網絡化高精度自動測量系統。該系統借鑒全球定位系統的測量思想，利用多個激光發射裝置(發射站)組成測量網絡，對單個接收器進行定位，得到接收器所在點的三維坐標。發射站固定在基座上，發射站頂端為一個可以繞固定旋轉軸勻角速度轉動的旋轉平臺。旋轉平臺在轉動時發出兩束平面激光，稱為掃描光。基座上的激光器發出全向光脈沖，稱為同步光。當旋轉平臺轉動到預定位置時，接收器接收同步光信號作為單周旋轉起點的同步標記，隨后接收到掃描光信號，通過兩信號的時間差可以結算得到發射站轉過的角度值。兩臺或者兩臺以上的發射站組成測量網絡即可得到空間范圍內各點的三維坐標。
[0003]根據空間角度交匯的測量原理，該空間測量定位系統主要是通過測量被測點與各個發射站之間的角度方位，并結合各個發射站之間的位姿信息結算得到被測點的空間坐標。因此，使用前，需要對系統進行外參數標定，包括:各發射站旋轉中心之間的旋轉矩陣R和平移矩陣T。標定外參數時，往往利用已知長度的矢量棒在空間內擺放多個位置姿態進行解算。
[0004]但是，一方面，在復雜環境下，由于空間限制、環境干擾等不確定性影響，測量現場并不能滿足標定的空間要求；另一方面，對于多個基站組網標定，該標定方法效率不高，從而影響測量定位系統的使用。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，本發明簡化了外參數的標定過程，增加了系統的適用性；將發射站的旋轉軸作為大地坐標系的基準，進而建立與其他測量儀器的位置和姿態關系，便于各種儀器的組合使用，詳見下文描述:
[0006]—種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，所述調平與校準方法包括以下步驟:
[0007]傾角儀與基座剛性連接；基座固定于一個三角底座上，三角底座的三個支腳高度自由調節；發射站固定于基座的頂端；發射站的頂端固定激光器；
[0008]發射站供電，帶動頂端的激光器向外發射可見激光，形成一個掃描平面，保證掃描平面上各點在經瑋儀視場內；
[0009]利用經瑋儀瞄準相隔約120°的三個點，讀取Z軸方向的坐標值；
[0010]計算三個平均值之差，直到任意兩個差值小于0.1mm，否則，調節三角底座相應的支腳高度；
[0011]將傾角儀兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站調平的基準。
[0012]其中，所述調平與校準方法還包括:
[0013]將左右兩經瑋儀對中整平，并使經瑋儀的Z軸垂直于水平面。
[0014]其中，所述將傾角儀兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站調平的基準的步驟具體為:
[0015]調節三角底座的相應支腳的高度，使傾角儀兩軸輸出角度值再次為零，即發射站的旋轉軸垂直于水平面。
[0016]本發明提供的技術方案的有益效果是:本發明利用傾角儀、經瑋儀、三角底座、激光器等作為輔助工具，利用經瑋儀自身坐標系Z軸與水平面正交的特點，以Z軸為基準，對發射站進行了高精度的調平與校準，使發射站旋轉軸垂直于水平面，一方面簡化了發射站外參數的標定過程，減少了旋轉矩陣的參數數量；另一方面建立了發射站與大地坐標系的關系，提供了一個大地坐標系的基準。利用本方法，系統只需要調校一次，即可長期使用，精度可達I ”，精度高，穩定性好，操作簡捷，實用性好。
【附圖說明】
[0017]圖1為用于發射站調平和校準的系統示意圖；
[0018]圖2為一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法的流程圖。
[0019]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0020]1:基座2:傾角儀；
[0021]3:發射站4:激光器；
[0022]5:掃描平面；6:經瑋儀。
【具體實施方式】
[0023]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0024]如果能夠精確定向發射站的旋轉軸并將其校準到與水平面垂直的方向，即使發射站坐標系的XOY平面與大地平面平行，那么在發射站外參數標定過程中，只需要定向發射站坐標系的軸即可求得兩個發射站坐標系之間的旋轉矩陣R和平移矩陣T，從而大大減少了需要標定的參數個數，簡化了外參數標定的過程。而且，如果旋轉軸垂直于大地，也可以將旋轉軸作為大地坐標系的一個基準，進而建立與其他測量儀器(如經瑋儀、全站儀等)的關系，方便各種儀器的組合使用。
[0025]基于【背景技術】中的缺點，設計一種合理高效的發射站調平和校準方法具有非常重要的實用價值。傾角儀作為一種角度測量儀器，可以輸出繞兩個坐標軸轉過的角度值。將傾角儀與發射站剛性連接，可以利用傾角儀的兩個角度值指示發射站本身坐標系中X軸和Y軸的指向，從而對發射站坐標軸起到定向作用。經瑋儀作為一種坐標測量儀器，其自身坐標系的Z軸可以通過調平的方法使其正交于水平面，Z軸坐標可以直接反映被測點所在的平面與水平面的關系，從而避免了坐標系變換的繁瑣過程。經瑋儀的Z軸可以作為基準來調平發射站坐標系，并且精度可達1”，可以滿足工業現場的測量要求。該方法即是將傾角儀、經瑋儀與發射站配合使用達到發射站調平與校準的目的。
[0026]為了實現簡化標定外參數的過程和建立大地坐標系基準的目的，本發明實施例提供了一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，參見圖1，圖2。I是基座；2是傾角儀，與基座I剛性連接；3是發射站，固定于基座I的頂端；4是激光器。基座I固定于一個三角底座(圖中未標出)上，三角底座的三個支腳高度可自由調節。發射站3供電后，固定在發射站3頂端的激光器4跟隨發射站3勻速旋轉，從而得到一個掃描平面5。在掃描平面5上，相隔約120°均勻選取三個標記點。
[0027]101:將左右兩經瑋儀6對中整平，并使經瑋儀6的Z軸垂直于水平面；
[0028]102:發射站3供電，帶動激光器4向外發射可見激光，形成一個掃描平面5，同時保證掃描平面在經瑋儀6的視場內；
[0029]103:利用經瑋儀6瞄準相隔約120°的三個點，讀取Z軸方向的坐標值；
[0030]S卩，根據三點確定平面的原理，利用經瑋儀6瞄準相隔約120°的三個點，讀取Z軸方向的坐標值，記作Z1, Z2, Z3O Z1, Z2, Z3均重復測量三次求平均值。
[0031]104:計算三個平均值之差，直到任意兩個差值小于0.1mm,否則，調節三角底座相應的支腳高度。
[0032]S卩，若滿足任意兩個差值小于0.1mm，則認為發射站3旋轉軸垂直于水平面。若不滿足要求，則調節三角底座相應的支腳高度，再次進行步驟104，直至滿足要求。
[0033]105:將傾角儀2兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站3調平的基準。
[0034]S卩，如果發射站3位置發生變化，轉軸不垂直于水平面，則傾角儀2兩軸輸出角度不再為零。若要調平發射站3，只需要調節三角底座的相應支腳的高度，使傾角儀2兩軸輸出角度值再次為零，即可認為在新的位置上發射站3的旋轉軸垂直于水平面。
[0035]綜上所述，本發明實施例以坐標系Z軸為基準，該方法不需要繁瑣的坐標系變換，利用經瑋儀自身坐標系Z軸與水平面正交的特性即可精確調平發射站坐標系。利用本方法，只需要進行一次調校，室內空間測量定位系統即可長期使用，精度可達1”，穩定性好，操作簡捷。
[0036]本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0037]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0038]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，其特征在于，所述調平與校準方法包括以下步驟: 傾角儀與基座剛性連接；基座固定于一個三角底座上，三角底座的三個支腳高度自由調節；發射站固定于基座的頂端；發射站的頂端固定激光器； 發射站供電，帶動頂端的激光器向外發射可見激光，形成一個掃描平面，保證掃描平面上各點在經瑋儀視場內； 利用經瑋儀瞄準相隔約120°的三個點，讀取Z軸方向的坐標值； 計算三個平均值之差，直到任意兩個差值小于0.1mm,否則，調節三角底座相應的支腳高度； 將傾角儀兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站調平的基準。2.根據權利要求1所述的一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，其特征在于，所述調平與校準方法還包括: 將左右兩經瑋儀對中整平，并使經瑋儀的Z軸垂直于水平面。3.根據利要求I所述的一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，其特征在于，所述將傾角儀兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站調平的基準的步驟具體為: 調節三角底座的相應支腳的高度，使傾角儀兩軸輸出角度值再次為零，即發射站的旋轉軸垂直于水平面。
【專利摘要】本發明公開了一種用于室內空間測量定位系統的調平與校準方法，包括以下步驟：傾角儀與基座剛性連接；發射站固定于基座的頂端；發射站的頂端固定激光器；發射站供電，帶動頂端的激光器向外發射可見激光，形成一個掃描平面，保證掃描平面上各點在經緯儀視場內；利用經緯儀瞄準相隔約120°的三個點，讀取Z軸方向的坐標值；計算三個平均值之差，直到任意兩個差值小于0.1mm，否則，調節三角底座相應的支腳高度；將傾角儀兩軸的輸出角度值置零，并以此作為發射站調平的基準。本發明簡化了外參數的標定過程，增加了系統的適用性；將發射站的旋轉軸作為大地坐標系的基準，進而建立與其他測量儀器的位置和姿態關系，便于各種儀器的組合使用。
【IPC分類】G01C25/00
【公開號】CN105157729
【申請號】CN201510593342
【發明人】邾繼貴, 任永杰, 楊凌輝, 林嘉睿, 史慎東
【申請人】天津大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月17日