經(jīng)緯儀大尺寸三坐標測量系統(tǒng)近年來在航空、航天、天線、汽車、水利、機械和測繪等行業(yè)的研究與應用已逐漸展開;隨著近年來我國航空、航天部門企業(yè)技術改造的進行,已從國外引進了近百套成熟的大尺寸三坐標測量系統(tǒng),其中以瑞士Leica公司的經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)ECDS3、MANCAT和Axyz STM/MTM居多,對于應用規(guī)模和領域的迅速擴大而言,國內(nèi)的研究與開發(fā)則相對落后了;且以往的研究與應用主要是針對兩臺傳感器的,由于受硬件條件的限制,對多臺傳感器以及既有角度又有距離的混合傳感器構成系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)比較少。本文著重解決的問題則是對多臺儀器構成混合測量系統(tǒng)的研究與開發(fā),本著立足現(xiàn)有設備,吸收國內(nèi)外先進技術,使整個系統(tǒng)的性能價格比最優(yōu)的原則,經(jīng)過充分的調研、選擇比較、試驗,開發(fā)出了大尺寸柔性三坐標測量系統(tǒng)MetroIn,該系統(tǒng)已成功應用在航天器推進艙圓度檢測、天線面形測量、三峽大壩機組座環(huán)檢測和大型閘門的安裝與檢測等項目中。

　　1　系統(tǒng)設計基本思想

　　經(jīng)緯儀大尺寸三坐標測量系統(tǒng)MetroIn是由多臺電子經(jīng)緯儀或全站儀構成的混合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以經(jīng)緯儀或全站儀為傳感器,最終獲取目標點的空間三維坐標,利用數(shù)據(jù)庫來管理測量數(shù)據(jù),并可對測量數(shù)據(jù)進行長度、角度等幾何量計算與形位誤差的測量分析。系統(tǒng)的基本流程如圖1所示。

　　2　系統(tǒng)基本配置

　　MetroIn的基本配置,硬件主要為兩臺或多臺電子經(jīng)緯儀或全站儀(Leica、Topcon、Zeiss、Sokkia等)、486以上臺式或便攜機一臺(操作系統(tǒng)為Win95/98/2000)、多路串口轉換卡、LINK2一個、基準尺一根、激光目鏡及照準標志、與電子經(jīng)緯儀相配套的高穩(wěn)定度腳架、聯(lián)機電纜等構成。

　　3　系統(tǒng)軟件

　　3.1　功能介紹

　　系統(tǒng)軟件功能主要包括以下幾個內(nèi)容:

　　(1)設備聯(lián)機

　　設備聯(lián)機包括計算機與經(jīng)緯儀的聯(lián)接和經(jīng)緯儀內(nèi)置參數(shù)的初始化。采用鍵盤模擬技術,由計算機控制經(jīng)緯儀完成各項初始化參數(shù)的設置。

　　(2)系統(tǒng)定向(建立經(jīng)緯儀測量坐標系)

　　要實現(xiàn)對空間點的三維坐標的測量,首先必須建立系統(tǒng)坐標系,即要確定傳感器之間的相對位置(相對定向)和絕對尺度(絕對定向),我們稱之為系統(tǒng)定向。

　　系統(tǒng)定向是通過測站(儀器)間進行互瞄或觀測一定數(shù)量的物方點和基準尺并進行平差計算而建立系統(tǒng)統(tǒng)一的測量坐標系。系統(tǒng)定向完成后,各測站間的相互位置關系已確定,就可以對空間可視點進行聯(lián)機在線測量,并實時解算出其三維坐標。

　　系統(tǒng)定向是最為關鍵的步驟,定向的好壞直接影響著后續(xù)點坐標測量的質量。

　　(3)在線坐標測量

　　系統(tǒng)定向完成后,即可進行實時三維坐標測量。對于一般工件可事先用專用標志標出待測點,然后通過逐點觀測,確定各點的空間坐標。對于不可接觸的工件或粘貼標志有困難時,可用激光束投影到工件上形成激光點,利用激光點作為測量標志。多臺經(jīng)緯儀的系統(tǒng)在定向完成后可以二臺或多臺間構成多個測量系統(tǒng)同時開展測量工作,測量坐標均在統(tǒng)一的測量坐標系中,測量數(shù)據(jù)顯示在屏幕的不同窗口中。全站儀和經(jīng)緯儀的組合測量系統(tǒng)中,全站儀可單獨采集坐標數(shù)據(jù),亦可與經(jīng)緯儀一起交會采集坐標。

　　(4)數(shù)據(jù)管理及編輯

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)管理器窗口界面類似于Windows的資源管理器,其左面是一樹形結構,為數(shù)據(jù)庫的主要列表,如工件、設站、基準尺、反射片和參考庫、坐標系等。右面是左面選中的具體數(shù)據(jù)庫的各個數(shù)據(jù)庫表及其內(nèi)容顯示,如點坐標、觀測值等?？删庉嫺鲾?shù)據(jù)記錄、添加一條新的記錄(如3維點坐標)、刪除記錄和對記錄進行排序。對數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)可選中或復合選中某些行進行編輯處理。操作是直接對數(shù)據(jù)庫進行的,每次操作即更改數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容,這點相當于及時自動存盤。對每一條記錄都可進行編輯,但所有原始觀測值只可讀,不可更改。

　　(5)坐標系的生成與轉換

　　通過平移、旋轉、縮放可生成一個新的坐標系。此外還有兩種方法,即軸對準法和最小二乘轉換法。如用不在一直線上的3個點軸對準生成一坐標系。其中,第一點確定坐標系原點,第二點定x軸,第三點定z軸。利用公共點最小二乘轉換法可以將測量數(shù)據(jù)與工件的設計數(shù)據(jù)轉換到同一坐標系中進行比較。有了坐標系的生成與轉換功能,就可以很方便地對不同坐標系下的數(shù)據(jù)進行分析處理。

　　(6)測量數(shù)據(jù)分析與計算

　　依據(jù)坐標測量結果可進行各種點、線、面的分析、計算。如點、線、面之間的距離;線線、線面之間的角度計算,點線、點面、線線、線面等之間的平行、垂直及平分關系的分析與計算;利用測量數(shù)據(jù)擬合生成標準形狀,并對直線、平面和圓等形狀誤差進行檢測;擬合生成的各種幾何形狀可以存入數(shù)據(jù)管理器的形狀庫中。

　　(7)參考數(shù)據(jù)的放樣與測量

　　將理論的設計數(shù)據(jù)輸入到參考庫中,通過測量恢復設計坐標系后,將設計數(shù)據(jù)轉換成相應的角度信息,并在實地指示出來。

　　(8)數(shù)據(jù)的輸入、輸出

　　MetroIn系統(tǒng)不僅使用它本身的數(shù)據(jù),也能兼容外部數(shù)據(jù)?？蓪⑼獠繑?shù)據(jù)直接輸入到某指定工件并轉換到特定坐標系中;點坐標及其觀測值可以輸出到相應格式的文件中;定向的結果可以進行打印輸出。

　　(9)三維圖形顯示

　　聯(lián)機或脫機測量數(shù)據(jù)可以三維可視化顯示,其中包括離散的單點顯示、擬合計算的基本幾何形狀(如直線、平面、圓柱、球等)顯示,并可對視圖進行任意視角觀察,使得我們對測量結果有個直觀的感覺。

　　4　系統(tǒng)的主要數(shù)學原理

　　4.1　系統(tǒng)定向

　　經(jīng)緯儀三坐標測量是基于角度前方交會的三角測量原理,而對多臺儀器構成的測量系統(tǒng),由于“甬余”數(shù)據(jù)的存在,對定向和坐標解算算法有兩種方法:一種是基于儀器精確整平的測站三維網(wǎng)平差的方法;另一種是建立在攝影測量學共線方程基礎上的光束法平差法。下面主要介紹前一種方法的數(shù)學原理。多臺儀器的系統(tǒng)定向也就是確定儀器各設站點的相互位置關系,其實也就是測站點三維控制網(wǎng)的解算。經(jīng)緯儀三坐標測量系統(tǒng)三維控制網(wǎng)中的觀測值僅為水平方向值和天頂距(或垂直角),再加上必要的相對控制條件(如基準尺的長度)即可完成網(wǎng)的平差解算。

　　在測站三維控制網(wǎng)中,加入基準尺的測量是為了給網(wǎng)提供一個尺度控制條件?；鶞食邇啥它c間的長度已知,基準尺的測量即構成距離條件。

　　以上各誤差方程的系數(shù)和常數(shù)項可參見文獻6。測站三維控制網(wǎng)引入相對控制(距離)條件后,平差處理可分為兩種類型。一是把相對控制視為確定值,作為條件方程與角度觀測方程構成附有條件的間接平差模型進行處理;二是視相對控制為觀測值,將條件方程化為虛擬觀測值誤差方程,并賦以一定的權,同角度觀測值一并按間接平差進行處理。

　　把相對控制看成是虛擬觀測值,則可得間接平差模型:

　　4.2　在線測量

　　系統(tǒng)定向完成后,各測站間的相互位置關系已確定,就可以對空間可視點進行在線點測量。所謂混合測量系統(tǒng)就是指既有經(jīng)緯儀也有全站儀組成的測量系統(tǒng),對物方點的測量既有角度觀測信息,也有距離觀測信息。