激光跟踪仪系统介绍及其应用

1、 分时多站式激光跟踪仪测量系统课程名称：光机电一体化机械工程学院硕 3002 班周强院 系：班 级：姓 名：学 号:3113001060 目录1 激光跟踪仪系统. 11.1 激光跟踪仪系统的概述. 11.2 激光跟踪仪系统的基本原理. 11.2.1 系统的组成. 21.2.2 激光跟踪仪系统的原理. 32 分时多站式激光跟踪仪测量系统. 72.1 引言. 72.2 基于 gps 多边形定位原理. 72.3 分时测量的算法. 92.3.1 激光跟踪仪基站的自标定. 92.3.2 测量点坐标的标定. 10 光机电一体化课程作业1 激光跟踪仪系统1.1 激光跟踪仪系统的概述激光跟踪测量系统（lase

2、r tracker system）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量，测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。smart310是 leica 公司在 1990 年生产的第一台激光跟踪仪，1993 年 leica 公司 又推出了 smart310 的第二代产品，其后，leica 公司还推出了 lt/ltd系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产

3、需要。ltd系列的激光跟踪仪采用了 leica 公司专利的绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在 leica 统一的工业测量系统平台 axyz下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等。激光跟踪系统在我国的应用始于 1996 年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了 smart310 激光跟踪系统；2005 年上海盾构公司引进了 leica 公司的一套ltd600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。（a）api 的激光跟踪仪(b) leica 的激光跟踪仪(c)faro 的激光跟踪仪图 1-1 api 等公司生产的激光跟踪仪1.2 激光跟踪仪系统

4、的基本原理近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了各自品牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成的。实验采用的是leica at 901mr 激光跟踪测量系统。1 光机电一体化课程作业1.2.1 系统的组成激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区别之处在于它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的三个轴，三轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带 lan 电缆的应用计算机以及反射器。

5、图 1-2 激光跟踪仪系统的组成(1) 传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转。每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的 dc 电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（ifm），还有一个绝对距离测量装置（adm）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器（ psd）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。图 1-3 传感器头2 光机电一体化课程作业(2) 控制器: 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡跟踪处理器将跟踪器内的

6、信号转化成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。(3) 电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。lan 电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。(4) 应用计算机：加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。(5) 反射器（靶标）：是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标

7、值来描述被测对象的形状和尺寸。图 1-4 靶球（smr）(6) 气象站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。(7) 测量附件：包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。1.2.2 激光跟踪仪系统的原理要介绍激光跟踪仪系统的原理就要从两部分进行介绍：激光跟踪的原理和激光跟踪仪系统坐标测量的原理。a）激光跟踪的原理当跟踪系统处于平衡状态时，如图 1-5 所示，由激光发生器射出的光束，经过干

8、涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。当目标反射镜运动一个位移量后，如图 1-6 所示，此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2。返回光经过分光镜，一3 光机电一体化课程作业部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状

9、态。图 1-5 激光跟踪仪的平衡状态图 1-6 激光跟踪仪的不平衡状态b）激光仪器的坐标测量原理首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图 1-7 所示。4 光机电一体化课程作业图 1-7 激光跟踪仪的球坐标系统设 p (x,y,z)为被测空间点假设点 p 到点 o 的距离为 l， op 与 z 轴的夹角为 b ，op 在 oxy 平面内的投影与 x 轴的夹角为a ，则点 p (x,y,z)的表达式为：x = l sin bgcosagy = l sin bgsinag（1-1）z = lgcosb式中，a 、b 的值由安装在跟踪头中的两个角度编码器测量得出，l 的值通过安装在激光头中的激光干

10、涉仪获得。激光干涉法测距原理为：由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束 s1 和透射光束 s2，其中 s1 作为干涉参考光，s2 作为测量光。当 s2 经目标反射镜反射回来时，与s1 汇合成相干光束。若两列光 s1 和 s2 的光程差为 n（为波长，n 为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，出现明条纹。若 s1 和 s2 的光程差为/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，此时光强最小，出现暗条纹。所以当目标反射镜在空间运动时，由于 s1 和 s2 光程差的变化，明暗相间的条纹也会发生变化。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收

11、并转换为电信号，经处理后由计数器计数，实现对位移变化量的检测。图 1-8 激光干涉测距原理5 光机电一体化课程作业由以上原理可知激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值 。跟踪头上有一个固定点叫鸟巢，测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与跟踪头中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜进行空间点的测量。由于激光干涉仪是增量码仪器，所以在测量过程中一旦发生丢光，干涉仪就会停止计数，测量就无法继续，整个测量过程就必须重新开始。此外，测量系统给出的三维坐标值是目标反射镜的中心位置，理论上目标反射镜的中心均与其外面的球形外壳中心重合，所以要获得被测点

12、的实际坐标值还要对直接测量值进行半径补偿。6 光机电一体化课程作业2 分时多站式激光跟踪仪测量系统2.1 引言激光跟踪仪作为一种新型的工业测量系统，具有便携性、精度高、测量速度快等特点，已广泛应用于航空、航天、造船、汽车、机械制造、水电等领域。由于激光跟踪仪测角误差远大于测长误差，在现场测量距离达到十几米甚至几十米时，跟踪仪测量误差将显著增大，因此在精密测量的领域使其受到一定的限制。角a b度误差是引起坐标测量误差的主要来源。由于转角 和 的测量采用编码器得到，其测量精度有限，与激光干涉的距离测量精度相差甚远，且角度误差会随着测量距离的增大而被进一步放大，因而直接影响了空间坐标点的整体测量精度

13、。因此，提出了一种基于 gps 定位原理的多站式测量方法，在这系统只利用具有纳米分辨率的高精度的激光干涉仪的测距信息，而不使用误差较大的角度信息，因此这种方法可以实现非常高的精确度。2.2 基于 gps 多边形定位原理gps 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，通过多个卫星的测距信息确定待测点的位置。如图 2-1 所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 gps 接收机，可以测定 gps 信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式，通过上述四个方程式可求解出来中待测点坐标 x、 y、 z 和 vt。

14、图 2-1 gps 定位原理基于多边法的多站测量原理如图 2-2 所示。若已知三个测量基站 、 、 的位a bc7 光机电一体化课程作业置，分别测量出三个基站到 点的距离 、 和p pa pb,然后便可以唯一确定出 点的ppc空间坐标，这与gps 测量原理非常相似。多站法测量采用gps 测量原理，测量过程中只对距离测量而不涉及角度测量，只用到激光跟踪仪的测距信息，因此，这种方法具有较高的测量精度。理论上测量时只要有 3 个测量基站就可确定出目标点的空间坐标，但实际测量时，为了获得冗余的测量数据，基站数目可靠性和测量精度。4 ，这样可以提高测量系统的m图 2-2 多边形原理基于多边法的多站激光跟

15、踪测量系统虽具有较高精度，但需要四台或更多的激光跟踪仪同时对目标点进行测量（如图 2-3 所示），硬件成本比较高。图 2-3 激光跟踪仪多站式测量系统为了节约成本，同时保证较高的测量精度，通过一台激光跟踪仪先后在不同基站位置对目标点进行测量，即分时多站式测量。该方法与多站法测量原理相同，测量过程中涉及距离测量，只利用激光跟踪仪的测距信息，因此，该方法具有较高的测量精度，同时采用分时测量原理，硬件成本大大降低。图 2-4 为利用激光跟踪仪采用多站分时测量方法对机床平动轴误差测量的原理图，图 2-5 分时测量的数学模型为平动轴误差多站分时测量的数学模型，其中 p 、 p 、 p 、 p 为测量时激

16、光跟踪仪所在的四1234个基站位置，刀具运动区域按正方体给出， a 为初始目标点，同时在正方体的每条边0上分布着多个测量点，测量点数目可以根据测量的精度和实际情况进行设置。8 光机电一体化课程作业图 2-4 多站分时测量原理图 2-5 分时测量的数学模型采用多站分时测量方法检测机床误差时，将目标靶镜猫眼安装在刀具附近，并跟随刀具一起运动。控制刀具按设定的路径在 3d 空间进给，一台激光跟踪仪先后在不同的基站位置对刀具相同的运动轨迹进行测量。当刀具运动到各测量点位置时，控制刀具停止运动，并记下当前位置激光跟踪仪的测距数据，当刀具走完预先设定的路径时，第一个基站位置测量结束，然后将激光跟踪仪移动到

17、下一个基站位置并重复上述测量过程，直至在所有基站位置都完成对刀具运动轨迹的测量。2.3 分时测量的算法2.3.1 激光跟踪仪基站的自标定假设 a 为初始测量点，刀具沿着预先设定好的路径运动，在其运动路径上设置一0定数目的测量点，且各测量点的理论坐标 a (x , y , z ) （ 1、2、 ）是已知的，测niiiii量过程中测量点 a 到基站 p 的距离记为l 。i11i9 光机电一体化课程作业设基站 p(x, y, z) ，对测量点 a (x , y , z ) ，按两点距离公式可以建立如下方程组：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，求解出正规方程： 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当式（2-2）中的系数行列式不为零时，有唯一确定的解。重复上述标定过程，即可依次标定出基站 、 p 、 的空间坐标。p2p432.3.2 测量点坐标的标定当标定出四个基站位置后，同样的基于多边法测量原理，便可确定出测量过程中各测量点的实际坐标 ( , , ) （ 1、2、 ）。axyziniiii设 标 定 得 到 的 四 个 基 站 空 间 坐 标 为 ( ,p x y z) 、 ( , ) 、p x y z1p1p1, p12p2p2, p2p (x , y z ) 、 p (x , y z) ，测量点 a 到各基站的距离分别为 l 、l 、l 、l 。3p3p3, p34p4p4, p4i1i2i3i4i对测量点 ( , , ) ，按两点距离公式可以建立如下方程组：axyziiii(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l22ip1ip1ip11i(x - x ) + (y - y ) + (z - z ) = l222p2ip2ip22i4i（2-3）i ( - ) + ( - ) + ( - ) =x xy yz z