国产全站仪即将迎来又一轮技术革命——谈南方高精度伺服全站仪

1、作者：赵保卫（南方测绘北京全站仪及电子经纬仪厂副厂长） 阅读： 134 次 日期： 2011-3-1810万台全站仪、 13万台电子经纬仪， 这个数量在当初连做梦都不敢想的事情，在 16 年后的今天变成了现实。作为在南方全站仪厂从事电子经纬仪、 全站仪研制与生产工作 16 年之余 的我，激动不已的同时也未免有些压力：经历了 16 年的发展，我们的产量已经 达到了世界第一，在全站仪的中低端方面已经和国外发达的厂商站到了同一起跑 线上，但在高精度自动伺服全站仪（机器人全站仪）方面还存在较大的差距。在 未来的 3 到 5年的时间内，研制和批量生产自动伺服全站仪， 应该是我们的首要 任务。目前，南方北

2、京工厂基本掌握了高精度自动伺服全站仪的各项关键技术， 主要包括高精度测角系统、高精度测距系统、瞄准跟踪系统和伺服驱动系统。（一）高精度测角系统：（1）放弃原先的半浮动立轴结构，采用密珠轴系。密珠轴系是北京工厂 最新研制的立轴系统， 轴系的内轴和外轴通过两套精密钢珠配合， 纵向靠平面保 持架上的钢珠定位， 横向上靠圆柱型保持架上的钢珠与内轴和外轴的两个曲面过 盈配合，即无间隙配合。 内外轴相对旋转时， 保持架上的钢珠在公转圆周上做自 传滚动。密珠轴系有以下优点：A. 内外轴和钢珠是过盈配合，过盈量选择合适，保证在 40C+ 60C 的范围内，无间隙转动，精度不丢失。B. 圆柱型保持架上安排了 1

3、00 多颗精密钢珠，每颗钢珠的旋转轨迹均不 重合，可以认为内轴的旋转中心为 100多个钢珠公转圆心的平均值， 使旋转轴的 精度更高。C. 只有滚动摩擦，无滑动摩擦，轴不易卡死、转动灵活。（2）采用绝对编码测角技术， 在水平轴和垂直轴上都安装四个角度读取 头，尽可能地减少旋转轴及镀盘的偏心误差。试验证明，采用了密珠轴系和四个读取头的测角系统，水平角的精度完 全能达到 1 秒级甚至更高级别的精度。（二）高精度测距系统：（1）全新的五同轴光路设计，即望远、测距激光发射、测距激光接收、 瞄准光源发射和瞄准图像接收五个光轴的同轴。 测距激光采用中心发射， 四周接 收的光路系统， 主物镜发射部分打通。 发

4、射光从仪器内部射出时， 尽量减少穿过 物镜的介面数量，使光串扰大为减少。（2）采用相位式测量，提高测距频率。众所周知相位式测距仪的测尺长度入=C/2f ,。=光在空气中的传播速度 （约30万公里/秒），f=电磁波测距的调制频率。提高调制频率就能降低测尺长 度入，在测相器的测相精度相同时，减小测尺长度就能提高测量精度。国内常 规测距仪的测距调制频率一般为15MHz60M，我们把在伺服全站仪上的测距载 波频率提高为150MHz即精测测尺长度 入将缩短为1.0米。精测测尺的缩短使 得在鉴相精度和信噪比都不变的情况下，仪器精度大为提高。（3）采用频谱分析法测相。 伺服全站仪所采用的测相原理和频谱分析仪

5、 的原理相似，对测距信号通过高精度模数变换器（14位）高速定时采样，得到采样周期间隔相同离散信号序列；对该离散信号进行快速傅里叶变换（FFT）， 就可得到测距信号的幅值和相位。 经理论证明和实验证明， 此测相方法的鉴相精 度能达到万分之一。 如果伺服全站仪的测距精测测尺选为 1.0 米，鉴相精度可达 0.10 毫米，完全满足伺服全站仪高精度测距的要求。（三）瞄准跟踪系统： 瞄准跟踪系统是伺服全站仪的核心技术，完成对目标棱镜的搜索、精确 瞄准和锁定。瞄准跟踪系统由红外面光源系统、 光学成像系统、 图像处理系统组 成。（1）红外面光源系统：由高亮度红外激光二极管、混相光纤和准直透镜 组成，激光二极

6、管近似为点光源， 和特殊的光纤耦合， 经过混相处理后在光纤的 出射端面形成一个光密度均匀的面光源。 由面光源发出的红外光经过准直透镜准 直后以充满望远镜视场（视场角 1.5 度）的角度照亮全站仪前方视场。（2）光学成像系统：和全站仪的望远镜系统、测距系统共用一套光学系 统。在有效距离和望远镜视场内被红外光照亮的目标棱镜的影像， 通过光学系统 的分光和成像，照射到图像传感器面阵 CCDto（3）图像处理系统：该系统把聚焦在面阵 CCD上的目标棱镜的实像（是中心对称图像）读到高速缓存中，经过高速微处理器对形状和亮度信息的处理， 计算出目标棱镜在望远镜视场的精确位置，由于采用高像素（480X480的

7、面阵CCD并且对图像通过10位A/D进行采集，最后经过科学的计算可以把目标棱镜 在视场的位置定位误差确保在1秒以下，远远高于人眼的分辨精度。（四）伺服驱动系统： 伺服驱动系统是高精度伺服全站仪的运动执行环节和核心部分，该系统 由驱动电机（含编码器）、编码手轮、微控制器组成。主要完成以下几个功能：（ 1 ）在搜寻或快速接近目标棱镜时， 全站仪的照准部或望远镜需要高速 转动，此时马达高速转动， 马达自带的编码器粗略测量仪器的转动角度， 并控制 马达的转速和转动与否。（ 2）在伺服全站仪需要精确瞄准目标棱镜时， 需要微调仪器来瞄准目标 棱镜。此时马达低速转动，由瞄准跟踪系统测得的棱镜在视场主的位置与

8、主光轴 的偏差来控制马达的转速和转动与否， 同时角度测量系统测出水平角度和垂直角 度。（ 3）当伺服全站仪跟踪锁定目标棱镜时， 仪器连续执行精确瞄准目标棱 镜的动作，并同时测量水平角和垂直角。（4）当伺服全站仪需要转动到用户设定的角度时，起初马达高速旋转， 马达自带的编码器粗略控制转动角度。 在接近设定的角度时，马达慢速旋转，角 度测量系统进行角度测量并来控制马达的转速和转动与否。（5）当用户微调仪器的微调手轮时， 微调手轮上的旋转编码器输出的正 交编码信号控制马达微步转动，并同时测量水平角和垂直角。以上是南方测绘北京工厂所掌握的伺服全站仪的各项关键技术，绝大部 分已经验证通过，正处在各项技术的综合试验和联合调试阶段，预计 2011 年会 完成样机的研制，两年内进入小批量生产阶段。随着地理信息产业的不断发展壮大，未来几年对海量