1、信息工程大學畢業設計（論文）任務書（地方學生）課題名稱 經緯儀/全站儀工業測量系統精度分析 學 生 姓 名 所在院、系（隊） 專 業 學 號 申請學位級別 指導教師單位 指導教師姓名 技 術 職 務 二一 年 五 月課題名稱經緯儀/全站儀工業測量系統精度分析其他指導老師姓名、單位課題主要任務與要求：工業測量系統是指利用精密工程測量的儀器和方法并結合計量儀器，構成精密三維坐標測量與分析系統，對工業部件的幾何尺寸進行精密安裝，定位，檢測和變形測量。工業測量系統以空間交會為基礎，借助于任選基線端點上的兩臺經緯儀同一個未知點的交會而產生三維坐標，計算技術和電子技術的進步為這種系統應用三角測量，后方交會

2、，前方交會等傳統的原理提供了新的動力，并使得各部件都能與主機連接，允許實時采集，顯示，處理和評價三維坐標的數據，而且使短程上的精度達到百萬分之一以上。在理論方法發展方面，重點對平差理論、工程網優化設計、變形觀測數據處理方法進行了歸納和總結。備 注系（或教研室）審批意見：簽（章） 年 月 日學院訓練部審批意見：簽（章） 年 月 日信息工程大學畢業設計（論文）報告（地方學生）課題名稱 經緯儀/全站儀工業測量系統精度分析 學 生 姓 名 所在院、系（隊） 專 業 學 號 申請學位級別 指導教師單位 指導教師姓名 技 術 職 務 二一 年 五 月指導教師評語：簽（章） 年 月 日答辯小組意見： 負責人

3、簽（章） 年 月 日學院答辯委員會意見： 負責人簽（章） 年 月 日學院訓練部審核意見： 蓋 章 年 月 日摘 要工業測量系統是指利用精密工程測量的儀器和方法并結合計量儀器，構成精密三維坐標測量與分析系統，對工業部件的幾何尺寸進行精密安裝，定位，檢測和變形測量。隨著電子技術的發展，測量學從光學手段進入了電子時代，隨后，又是電子經緯儀和全站型電子測速儀生產相對穩定和探索的時候，八十年代是電子經緯儀高速發展的時期，也是工業測量系統不斷成熟的時期，這便為工業檢驗與裝配的高精度，自動化提供了切實有效的手段。工業測量系統以空間交會為基礎，借助于任選基線端點上的兩臺經緯儀同一個未知點的交會而產生三維坐標，

4、計算技術和電子技術的進步為這種系統應用三角測量，后方交會，前方交會等傳統的原理提供了新的動力，并使得各部件都能與主機連接，允許實時采集，顯示，處理和評價三維坐標的數據，而且使短程上的精度達到百萬分之一以上。本文指出了該學科的地位和研究應用領域；闡述了工業測量學領域通用和專用儀器的發展；在理論方法發展方面，重點對平差理論、工程網優化設計、變形觀測數據處理方法進行了歸納和總結。扼要地敘述了大型特種精密工程測量在國內外的發展情況。關鍵詞：工業測量系統，電子經緯儀，全站儀，精度分析 目 錄摘 要I目 錄III第一章 緒論11.1工業測量系統的簡介11.2 工業測量系統的特點11.3 工業測量系統的發展

5、歷程1第二章 經緯儀工業測量系統32.1系統的配置32.2 經緯儀的分類32.3 經緯儀的原理42.4 空間前方交會4坐標系的定義5系統定向5第三章 全站儀工業測量系統73.1 系統的配置73.2 全站儀的分類83.3 全站儀的測角原理9第四章 相關儀器設備的發展144.1 激光跟蹤儀144.2 激光掃描儀164.3 三坐標測量機17第五章 近景攝影測量205.1近景攝影測量205.2 近景攝影測量的特點205.3近景攝影測量的發展方向20第六章 總結與展望22參考文獻23致謝24第一章 緒論1.1工業測量系統的簡介在現代工業生產中，為了保證產品質量，都需要進行必要的有關測試。包括對零部件的質

6、量檢驗、裝配架的控制以及整機安裝后的總體測試，以檢驗各項指標是否達到設計的要求。以往都是通過用三維坐標測量機、氣動測量法、激光干涉儀，全息術等進行質量檢驗。這些方法的缺點是測量范圍有限。而且只能在室內進行測試，無法顧及裝配后的變形及環境影響的真實情況。而對產品的裝配，主要是用光學經緯儀、水準儀、測距儀和鋼卷尺等按設計圖紙的要求進行放樣、指揮安裝。其速度和精度都受到了較大的限制。至于整機裝配后總體外形的檢測通常是用近景攝影測量的方法進行，缺乏實時性。經緯儀工業測量系統也叫遙測系統，電子坐標測算系統，是指用于工業產品的質量檢驗及裝配的經緯儀交會系統。它利用電子經緯儀空間前方交會原理，通過連接到計算

7、機或電子數據記錄器實時的獲取被測物上各點的空間坐標，然后經過數據處理求得被測物體的有關參數，完成工業產品的質量檢驗以及指導裝配工作。1.2 工業測量系統的特點 (1) 實時性。由于數據采集和處理的設備都是高技術的電子產品，數據傳輸都實現了自動化，且采集和處理的速度極快。這樣可以實時的獲得現場結果，對于真實的反映被測物的現狀和控制裝配有顯著的意義。(2) 非接觸性。是指測量過程中對被測物的“無損性”，即避免了接觸而引起的物體變形、干擾、工作中斷等不良影響，并允許對難以接近的目標進行測量。(3) 機動性。它不受固定觀測站的制約，而且可對任何形狀的物體進行測量，另外，也可以在儀器無法整平的情況下對被

8、測物體進行測量。這表明用工業測量系統進行測量是有較優越的解算能力，所以有時也稱之為“三維測量與解算系統”。1.3 工業測量系統的發展歷程七十年代是電子經緯儀和全站型電子速測儀生產相對穩定和探索的時候。典型產品為1977年美國Hewlett Parckard生產的HP3820A。1979年該公司用一臺計算機將兩臺電子經緯儀連接起來，第一次組成了“實時三角測量系統”，這就是工業測量系統的雛形。八十年代是電子經緯儀高速發展的時期，也是工業測量系統不斷成熟的時期。1982年瑞典Geotronics AB生產的全站儀Geodimeter 140和1983年瑞士Wild廠生產的T2000電子經緯儀，都采用

9、了對徑掃描的動態測角原理，消除了角度測量中的偏心差和分劃誤差的影響，同時軸系補償技術的不斷完善，使電子測角獲得了很高的精度（0.5）。這也給工業測量系統真正在工業方面的應用提供了有力的手段。另外，整個測量過程都有完善的軟件來支持，大大地減輕了計算的工作量。八十年代末期，瑞士的Kern和Wild生產的伺服電子經緯儀E2-SE和TM3000是工業測量系統的全自動化成為可能。由此構成的工業測量系統，如Kern SPACE和Wild ATMS，既解決了人工照準目標的誤差，又提高了觀測速度。另外，工測量系統的軟件不斷完善，可以自動檢測粗差，實時控制測量并計算被測點的坐標、擬合計算被測物的有關參數的任何幾

10、何元素，以及其它輔助功能軟件包。這給工業測量系統的廣泛應用提供了有利的條件。目前，工業測量系統已廣泛地應用于制造業、工程建筑業等領域。如飛機、輪船、汽車制造中的質量檢驗和安裝都用工業測量系統來完成。我們堅信，工業測量系統作為工業產品質量保證的有效途徑之一，將會在我國各行業得到廣泛應用。第二章 經緯儀工業測量系統2.1系統的配置經緯儀（如下圖2-1）是測量任務中用于測量角度的精密測量儀器，可以用于測量角度、工程放樣以及粗略的距離測取。它由望遠鏡、水平度盤、豎直度盤、水準器、基座等組成。測量時，將經緯儀安置在三腳架上，用垂球或光學對點器將儀器中心對準地面測站點上，用水準器將儀器定平，用望遠鏡瞄準測

11、量目標，用水平度盤和豎直度盤測定水平角和豎直角。圖2-1 2.2 經緯儀的分類（如下圖2-2）（如下圖2-3）圖2-2 電子經緯儀 圖2-3 光學經緯儀2.3 經緯儀的原理 經緯儀是望遠鏡的機械部分，使望遠鏡能指向不同方向。經緯儀具有兩條互相垂直的轉軸，以調校望遠鏡的方位角及水平高度。此類架臺結構簡單，成本較低，主要配合地面望遠鏡（大地測量、觀鳥等用途）使用，若用來觀察天體，由于天體的日周運動方向通常不與地平線垂直或平行，因此需要同時轉動兩軸并隨時間變換轉速才能追蹤天體，不過視場中其它天體會相對于目標天體旋轉，除非加上抵消視場旋轉的機構，否則不適合用於長時間曝光的天文攝影。但由于電子科技的發展

12、，上述問題已獲得解決，而且經緯儀使望遠鏡指向不同方向時的空間姿態改變最小，因此不少專業天文臺的大口徑望遠鏡均使用經緯儀，以減輕由機械變形所引起的精度下降。甚至一些天文愛好者自制的專門用于低倍率目視觀測的天文望遠鏡。2.4 空間前方交會類似于測量學中的前方交會原理（如下圖2-4），在兩個已知點A和B上架設儀器，來觀測未知點N上的目標，在兩個測站上分別得到水平角和垂直角的觀測值，再由基線長b來求得未知點N的三維坐標。圖2-4 前方交會原理圖2-5 坐標系示意圖2.4.1坐標系的定義在工業測量系統中一般只關心被測物體內部各部件的相對位置關系，不要求與外部基準之間的坐標關系或方位相連，因此常采用局部坐

13、標系。如（圖2-5）所示，一般定義為：A經緯儀的中心為坐標系原點，A與B的連線在水平面上的投影為X軸，過A的鉛垂線方向為Z軸，以右手坐標系法則確定Y軸，形成局部坐標系A-XYZ。因此，在該局部坐標系中，A經緯儀的坐標為（0,0,0）, B經緯儀的坐標為（b,0,h），b為A、B兩經緯儀中心間的水平距離，h為兩經緯儀中心的高度差。 2.4.2系統定向圖 2-6 系統定向要完成上述坐標系的建立，是通過系統定向（如右圖 2-6）來完成的。系統定向分為相對定向和絕對定向。相對定向即是通過兩臺經緯儀相互瞄準對方的儀器中心，以確定兩經緯儀間的相對方位。由于儀器中心是不可見的，在實際測量中，可通過互瞄經緯儀

14、中安裝的內覘標后外覘標來完成。絕對定向是為了獲取兩經緯儀中心之間準確的水平距離。同樣由于儀器中心不可見，因此通過兩臺經緯儀分別測量一根高精度的基準尺L（基準尺長度已知）來反算兩儀器中心間的水平距離b，在依據兩儀器互瞄時的垂直角計算出高差h。因此通過相對定向和絕對定向，可獲得兩臺儀器的中心在所定義的局部坐標系中的空間三維坐標。第三章 全站儀工業測量系統3.1 系統的配置 全站儀（如下圖3-1）是一種集光、機、電為一體的新型測角儀器，與光學經緯儀比較電子經緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤，將人工光學測微讀數代之以自動記錄和顯示讀數，使測角操作簡單化，且可避免讀數誤差的產生。同電子經緯儀、光學經緯儀相

15、比，全站儀增加了許多特殊部件，因此而使得全站儀具有比其它測角、測距儀器更多的功能，使用也更方便。這些特殊部件構成了全站儀在結構方面獨樹一幟的特點。 1同軸望遠鏡 全站儀的望遠鏡實現了視準軸、測距光波的發射、接收光軸同軸化。同軸化的基本原理是：在望遠物鏡與調焦透鏡間設置分光棱鏡系統，通過該系統實現望遠鏡的多功能，即既可瞄準目標，使之成像于十字絲分劃板，進行角度測量。同時其測距部分的外光路系統又能使測距部分的光敏二極管發射的調制紅外光在經物鏡射向反光棱鏡后，經同一路徑反射回來，再經分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收；為測距需要在儀器內部另設一內光路系統，通過分光棱鏡系統中的光導纖維將由光敏二極管發

16、射的調制紅外光傳也送給光電二極管接收 ，進行而由內、外光路調制光的相位差間接計算光的傳播時間，計算實測距離。 同軸性使得望遠鏡一次瞄準即可實現同時測定水平角、垂直角和斜距等全部基本測量要素的測定功能。加之全站儀強大、便捷的數據處理功能，使全站儀使用極其方便。 2雙軸自動補償 在儀器的檢驗校正中已介紹了雙軸自動補償原理，作業時若全站儀縱軸傾斜，會引起角度觀測的誤差，盤左、盤右觀測值取中不能使之抵消。而全站儀特有的雙軸（或單軸）傾斜自動補償系統，可對縱軸的傾斜進行監測，并在度盤讀數中對因縱軸傾斜造成的測角誤差自動加以改正(某些全站儀縱軸最大傾斜可允許至6）。，也可通過將由豎軸傾斜引起的角度誤差，由

17、微處理器自動按豎軸傾斜改正計算式計算，并加入度盤讀數中加以改正，使度盤顯示讀數為正確值，即所謂縱軸傾斜自動補償。 3鍵盤 鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數據的硬件，全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式，便于正、倒鏡作業時操作。4存儲器 全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數據存儲起來，再根據需要傳送到其它設備如計算機等中，供進一步的處理或利用，全站儀的存儲器有內存儲器和存儲卡兩種。 全站儀內存儲器相當于計算機的內存(RAM)，存儲卡是一種外存儲媒體，又稱PC卡，作用相當于計算機的磁盤。5通訊接口 全站儀可以通過BS232C通訊接口和通訊電纜將內存中存儲的數據輸入計算機，或將計算機中的數據和信

18、息經通訊電纜傳輸給全站儀，實現雙向信息傳輸。全站儀具有角度測量、距離(斜距、平距、高差)測量、三維坐標測量、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內置專用軟件后，功能還可進一步拓展。 3.2 全站儀的分類全站儀按其外觀結構可分為兩類：1.積木型（Modular，又稱組合型）早期的全站儀，大都是積木型結構，即電子速測儀、電子經緯儀、電子記錄器各是一個整體，可以分離使用，也可以通過電纜或接口把它們組合起來，形成完整的全站儀。2.整體性（Integral）隨著電子測距儀進一步的輕巧化，現代的全站儀大都把測距，測角和記錄單元在光學、機械等方面設計成一個不可分割的整體,其中測距儀的發射軸、接收軸和

19、望遠鏡的視準軸為同軸結構。這對保證較大垂直角條件下的距離測量精度非常有利。全站儀按測量功能分類，可分成四類： 1.經典型全站儀 經典型全站儀也稱為常規全站儀，它具備全站儀電子測角、電子測距和數據自動記錄等基本功能，有的還可以運行廠家或用戶自主開發的機載測量程序。2機動型全站儀 在經典全站儀的基礎上安裝軸系步進電機，可自動驅動全站儀照準部和望遠鏡的旋轉。在計算機的在線控制下，機動型系列全站儀可按計算機給定的方向值自動照準目標，并可實現自動正、倒鏡測量。徠卡TCM系列全站儀就是典型的機動型全站儀。3.無合作目標性全站儀無合作目標型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下，可對一般的目標直接測距的全站儀。因此

20、，對不便安置反射棱鏡的目標進行測量，無合作目標型全站儀具有明顯優勢。如徠卡TCR系列全站儀，無合作目標距離測程可達200m，可廣泛用于地籍測量，房產測量和施工測量等。4.智能型全站儀在機動化全站儀的基礎上，儀器安裝自動目標識別與照準的新功能，因此在自動化的進程中，全站儀進一步克服了需要人工照準目標的重大缺陷，實現了全站儀的智能化。在相關軟件的控制下，智能型全站儀在無人干預的條件下可自動完成多個目標的識別、照準與測量，因此，智能型全站儀又稱為“測量機器人”典型的代表有徠卡的TCA型全站儀等。全站儀按測距儀測距分類，還可以分為三類：1. 短測程全站儀測程小于3KM，一般精度為（5mm+5ppm），

21、主要用于普通測量和城市測量。2.中測程全站儀測程為3-15km,一般精度為（5mm+2ppm）-，（2mm+2ppm)通常用于一般等級的控制測量。3.長測程全站儀測程大于15km，一般精度為（5mm+1ppm），通常用于國家三角網及特級導線的測量。全站儀幾乎可以用在所有的測量領域。3.3 全站儀的測角原理光電度盤一般分為兩大類：一類是由一組排列在圓形玻璃上具有相鄰的透明區域或不透明區的同心圓上刻得編碼所形成編碼度盤進行測角；另一類是在度盤表面上一個圓環內刻有許多均勻分布的透明和不透明等寬度間隔的輻射狀柵線的光柵度盤進行測角。也有將上述二者結合起來，采用“編碼與光柵相結合”的度盤進行測角。1、編

22、碼度盤測角原理 在玻璃圓盤上刻劃幾個同心圓帶，每一個環帶表示一位二進制編碼，稱為碼道（如下圖3-1）。如果再將全圓劃成若干扇區，則每個扇形區有幾個梯形，如果每個梯形分別以“亮”和“黑”表示“0”和“1”的信號，則該扇形可用幾個二進數表示其角值。例如，用四位二進制表示角值，則全圓只能刻成2416個扇形，則度盤刻劃值為360o/16=22.5o，如圖所示，這顯然是沒有什么實際意義的。如果最小值為20”，則需刻成(3606060)/20=64800個扇形區，而64800216個碼道。因為度盤直徑有限，碼道愈多，靠近度盤中心的扇形間隔愈小，又缺乏使用意義，故一般將度盤刻成適當的碼道，再利用測微裝置來達

23、到細分角值的目的。 圖3-1 碼道2、 增量式光柵度盤測角原理均勻地刻有許多一定間隔細線的直尺或圓盤稱為光柵尺或光柵盤。刻在直尺上用于直線測量的為直線光柵（如下圖 3-2 ），刻在圓盤上的等角距的光柵稱為徑向光柵。設光柵的柵線（不透光區）寬度為 a ，縫隙寬度為 b ，柵距 d a b ，通常 a b ，它們都對應一角度值。在光柵度盤的上下對應位置上裝上光源、計數器等，使其隨照準部相對于光柵度盤轉動，可由計數器累計所轉動的柵距數，從而求得所轉動的角度值。因為光柵度盤上沒有絕對度數，只是累計移動光柵的條數計數，故稱為增量式光柵度盤，其讀數系統為增量式讀數系統。 圖3-2 增量式光柵度盤測角原理

24、（如下圖3-3）所示。指示光柵、接收管、發光管位置固定在照準部上。當度盤隨照準部移動時，莫爾條紋落在接收管上。度盤每轉動一條光柵，莫爾條紋在接收管上移動一周，流過接收管的電流變化一周。當儀器照準零方向時，讓儀器的計數器處于零位，而當度盤隨照準部轉動照準某目標時，流過接收管電流的周期數就是兩方向之間所夾的光柵數。由于光柵之間的夾角是已知，計數器所計的電流周期數經過處理就刻有顯示處角度值。如果在電流波形的每一周期內再均勻內插n個脈沖，計算器對脈沖進行計數，所得的脈沖數就等于兩個方向所夾光柵數的n倍，就相當于把光柵刻劃線增加了n倍，角度分辨率也就提高了n倍。使用增量式光柵度盤測角時，照準部轉動的速度

25、要均勻，不可突快或太快，以保證計數的正確性。 圖3-3 增量式光柵度盤測角原理3、動態光柵度盤測角原理 動態光柵度盤測角原理（如下圖3-4）所示。度盤光柵可以旋轉，另有兩個與度盤光柵交角為的指標光柵S和R，S為固定光柵，位于度盤外側；R為可動光柵，位于度盤內側。同時，度盤上還有兩個標志點a和b，S只接收a的信號，R只接收b的信號，測角時，S代表任一原方向，R隨著照準部旋轉，當照準目標后，R位置已定，此時啟動測角系統，使度盤在馬達的帶動下，始終以一定的速度逆時針旋轉，b點先通過R，開始計數。接著a通過S，計數停止，此時計下了RS之間的柵距（0）的整倍n和不是一個分劃的小數0，則水平角為=n0+0

26、。事實上，每個柵格為一脈沖信號，由R、S的粗測功能可計數得n；利用R、S的精測功能可測得不足一個分劃的相位差0，其精度取決于將0劃分成多少相位差脈沖。 圖3-4 動態光柵度盤測角原理1、水平角測量 （1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準第一個目標A。（2）設置A方向的水平度盤讀數為00000。（3）照準第二個目標B，此時顯示的水平度盤讀數即為兩方向間的水平夾角。2、距離測量 （1）設置棱鏡常數測距前須將棱鏡常數輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進行改正。（2）設置大氣改正值或氣溫、氣壓值光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15和760mmHg是儀器設置的一個標準值，此時的

27、大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結果進行改正。（3）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。（4）距離測量照準目標棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。全站儀的測距模式有精測模式、跟蹤模式、粗測模式三種。精測模式是最常用的測距模式，測量時間約2.5S，最小顯示單位1mm；跟蹤模式，常用于跟蹤移動目標或放樣時連續測距，最小顯示一般為1cm，每次測距時間約0.3S；粗測模式，測量時間約0.7S，最小顯示單位1cm或1mm。在距離測量或坐標測量時，可按測距模式（MODE）鍵選擇不同的測距模式。3、坐標測量

28、（1）設定測站點的三維坐標。（2）設定后視點的坐標或設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。當設定后視點的坐標時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。（3）設置棱鏡常數。（4）設置大氣改正值或氣溫、氣壓值。（5）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。（6）照準目標棱鏡，按坐標測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標。第四章 相關儀器設備的發展4.1 激光跟蹤儀激光跟蹤儀的實質是一臺能激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀，區別之處在于它沒有望遠鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉鏡和旋轉軸構成了激光跟蹤儀的三個軸，三軸相交的中心是測量坐標系的原點。系統的硬件主要組成部分包

29、括：傳感器頭、控制器、電動機和傳感器電纜、帶LAN電纜的應用計算機以及反射器。1、傳感器頭：讀取角度和距離測量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉。每根軸具有一個編碼器用于角度測量和一只直接供電的DC電動機來進行遙控移動。傳感器頭的油缸包含了一個測量距離差的單頻激光干涉測距儀（IFM），還有一個絕對距離測量裝置（ADM）。激光束通過安裝在傾斜軸和旋轉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器（PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。2、 控制器: 包含電源、編碼器和干涉儀用計數器、電動機放大器、跟蹤處理器和網卡。跟蹤處理器將跟蹤器內的信號轉化

30、成角度和距離觀測值，通過局域網卡將數據傳送到應用計算機上，同理從計算機中發出的指令也可以通過跟蹤處理器進行轉換再傳送給跟蹤器，完成測量操作。3、電纜：傳感器電纜和電動機電纜分別用來完成傳感器和電動機與控制器之間的連接。LAN電纜則用于跟蹤處理器和應用計算機之間的連接。4、應用計算機：經過專業人員的配置后，加載了工業用的專業配套軟件，用來發出測量指令和接收測量數據。 5、 反射器：采用球形結構，因此測量點到測量面的距離是固定的。本系統中采用三面正交鏡的三重鏡反射器。6、 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數據需要用來在計算激光反射時是必需的，并通過串行接口被傳送給聯機的計算機應用程序。7、 測量附

31、件：包括三角支架、手推服務小車等。支架用來固定激光跟蹤儀，調整高度，保證各種測量模式的穩定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動激光跟蹤儀。手推服務小車則可裝載控制器等設備，運送方便快捷。激光跟蹤測量系統的工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量系統的所要解決的問題是靜態或動態地跟蹤一個在空間中運動的點，同時確定目標點的空間坐標。激光跟蹤儀的坐標測量是基于極坐標測量原理的。測量點的坐標由跟蹤頭輸出的兩個角度，即水平角H和垂直角V

32、，以及反射器到跟蹤頭的距離D計算出來的。系統的工作原理從以下幾個部分進行討論：1、 角度測量部分：其工作原理類似于電子經緯儀、馬達驅動式全站儀的角度測量裝置，包括水平度盤、垂直度盤、步進馬達及讀數系統，由于具有跟蹤測量技術，它的動態性能較好。2、 距離測量部分：由IFM裝置和ADM裝置分別進行相對距離測量和絕對距離測量。IFM是基于光學干涉法的原理，通過測量干涉條紋的變化來測量距離的變化量，因此只能測量相對距離。而跟蹤頭中心到鳥池的距離是已知固定的，稱為基準距離。ADM裝置的功能就是自動重新初始化IFM，獲取基準距離。ADM通過測定反射光的光強最小來判斷光所經過路徑的時間，來計算出絕對距離。當

33、反射器從鳥池內開始移動，IFM測量出移動的相對距離，再加上ADM測出的基準距離，就能計算出跟蹤頭中心到空間點的絕對距離。3、 激光跟蹤控制部分：由光電探測器（PSD）來完成。反射器反射回的光經過分光鏡，有一部分光直接進入光電探測器，當反射器移動時，這部分光將會在光電探測器上產生一個偏移值，光電探測器根據偏移值會自動控制馬達轉動直到偏移值為零，實現跟蹤反射器的目的。 在航天航空制造業領域，飛行器具有外形尺寸及重量大、外部結構特殊、部件之間相互位置關系要求嚴格等特點，因此必須要確保航天航空領域測量的精確性。激光跟蹤測量系統的現場性和實時性以及它的高精度性都滿足了飛機行架的定位安裝，飛機外形尺寸的檢

34、測，零部件的檢測，飛機的維修等工程項目的需要。 科研領域中，激光跟蹤測量系統已在機器人的制造校準過程使用。在校準機器人的實際應用中，操作人員通過計算機控制定位，激光跟蹤測量系統可以檢測兩個工作小組的測量工作。在一組操作人員利用激光跟蹤儀檢測機器人配件的同時，另一組工作人員則負責裝配已經經過檢測的工件，裝配完后再利用激光跟蹤儀進行校準。依此類推，大幅提高了機器人生產安裝的工作效率，也節省人力物力。4.2 激光掃描儀激光掃描儀是借著掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器，激光掃瞄儀必須采用一個穩定度及精度良好的旋轉馬達，當光束打射到由馬達所帶動的多面棱規反射而形成掃瞄光束。由于多面棱規位于

35、掃瞄透鏡的前焦面上，并均勻旋轉使激光束對反射鏡而言，其入射角相對地連續性改變，因而反射角也作連續性改變，經由掃瞄透鏡的作用，形成一平行且連續由上而下的掃瞄線。 由于掃瞄法系以時間為計算基準，故又稱為時間法。它是一種十分準確、快速且操作簡單的儀器，且可裝置于生產在線，形成邊生產邊檢驗的儀器。激光掃瞄儀的基本結構包含有激光光源及掃瞄器、受光感測器、控制單元等部分。激光光源為密閉式，較不易受環境的影響，且容易形成光束，目前常采用低功率的可見光激光，如氦氖激光、半導體激光等，而掃瞄器為旋轉多面棱規或雙面鏡，當光束射入掃瞄器后，即快速轉動使激光光反射成一個掃瞄光束。光束掃瞄全程中，若有工件即擋住光線，因

36、此可以測知直徑大小。測量前，必須先用兩支已知尺寸的量規作校正，然后所有測量尺寸若介于此兩量規間，可以經電子信號處理后，即可得到待測尺寸。因此，又稱為激光測規。激光掃描儀的工作原理并不復雜，從它的工作過程就能夠基本反映出來。其掃描的一般工作過程是：1、開始掃描時，機內光源發出均勻光線照亮玻璃面板上的原稿，產生表示圖像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光經過玻璃板和一組鏡頭，分成紅綠藍3種顏色匯聚在CCD感光元件上，被CCD接受。其中空白的地方比有色彩的地方能反射更多的光。2、步進電機驅動掃描頭在原稿下面移動，讀取原稿信息。掃描儀的光源為長條形，照射到原稿上的光線經反射后穿過一個很窄的

37、縫隙，形成沿x方向的光帶，經過一組反光鏡，由光學透鏡聚焦并進入分光鏡。經過棱鏡和紅綠藍三色濾色鏡得到的RGB三條彩色光帶分別照到各自的CCD上，CCD將RGB光帶轉變為模擬電子信號，此信號又被AD轉換器轉變為數字電子信號。3、反映原稿圖像的光信號轉變為計算機能夠接受的二進制數字電子信號，最后通過 USB等接口送至計算機。掃描儀每掃描一行就得到原稿x方向一行的圖像信息，隨著沿y方向的移動，直至原稿全部被掃描。經由掃描儀得到的圖像數據被暫存在緩沖器中，然后按照先后順序把圖像數據傳輸到計算機并存儲起來。當掃描頭完成對原稿的相對運動，將圖稿全部掃描一遍，一幅完整的圖像就輸入到計算機中去了。4、數字信息

38、被送入計算機的相關處理程序，在此數據以圖像應用程序能使用的格式存在。最后通過軟件處理再現到計算機屏幕上。所以說，掃描儀的簡單工作原理就是利用光電元件將檢測到的光信號轉換成電信號，再將電信號通過模擬數字轉換器轉化為數字信號傳輸到計算機中。無論何種類型的掃描儀，它們的工作過程都是將光信號轉變為電信號。所以，光電轉換是它們的核心工作原理。掃描儀的性能取決于它把任意變化的模擬電平轉換成數值的能力。4.3 三坐標測量機三坐標測量機 (Coordinate Measuring Machine, CMM) （如下圖4-3） 是指在一個六面體的空間范圍內，能夠表現幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱

39、為三坐標測量儀或三次元。圖4-3 三坐標測量機CMS-554M移動橋架型，為最常用的三坐標測量儀的結構，x軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿水平梁在方向移動，此水平梁垂直軸且被兩支柱支撐于兩端，梁與支柱形成“橋架”，橋架沿著兩個在水平面上垂直和軸的導槽在軸方向移動。因為梁的兩端被支柱支撐，所以可得到最小的撓度，且比懸臂型有較高的精度。2. 床式橋架型(Bridge bed type)床式橋架型，x軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿著垂直軸的梁而移動，而梁沿著兩水平導軌在軸方向移動，導軌位于支柱的上表面，而支柱固定在機械本體上。此型與移動橋架型一樣，梁的兩端被支撐，因此梁的撓度為最少

40、。此型比懸臂型的精度好，因為只有梁在軸方向移動，所以慣性比全部橋架移動時為小，手動操作時比移動橋架型較容易。3. 柱式橋架型(Gantry type)柱式橋架型，與床式橋架型式比較時，柱式橋架型其架是直接固定在地板上又稱為門型，比床式橋架型有較大且更好的剛性，大部分用在較大型的三坐標測量儀上。各軸都以馬達驅動，測量范圍很大，操作者可以在橋架內工作。4. 固定橋架型(Fixed bridge type)固定橋架型，x軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿著垂直x軸的水平橫梁上做方向移動。橋架被固定在機器本體上，測量臺沿著水平平面的導軌作 軸方向的移動，且垂直于x和y軸。每軸皆由馬達來驅動，可確

41、保位置精度，此機型不適合手動操作。5. L 形橋架型(L-Shaped bridge type)L 形橋架型，這個設計乃是為了使橋架在軸移動時有最小的慣性而作的改變。它與移動橋架型相比較，移動組件的慣性較少，因此操作較容易，但剛性較差。6. 軸移動懸臂型(Fixed table cantilever arm type)軸移動懸臂型，x軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿著垂直x軸的水平懸臂梁在y軸方向移動，懸臂梁沿著在水平面的導槽在y軸方向移動，且垂直于x軸和y軸。此型為三邊開放，容易裝拆工件，且工件可以伸出臺面即可容納較大工件，但因懸臂會造成精度不高。此型早期很盛行，現在已不普遍。7.單

42、支柱移動型(Moving table cantilever arm type)單支柱移動型，x軸為主軸在垂直方向移動，支柱整體沿著水平面的導槽在x軸上移動，且垂直y軸，而y軸連接于支柱上。測量臺沿著水平面的導槽在 y軸上移動，且垂直x軸和y軸。此型測量臺面、支柱等具很好的剛性，因此變形少，且各軸的線性刻度尺與測量軸較接近，以符合阿貝定理。8. 單支柱測量臺移動型(Single column xy table type)單支柱測量臺移動型，x軸為主軸在垂直方向移動，支柱上附有y軸導槽，支柱被固定在測量儀本體上。測量時，測量臺在水平面上沿著x軸和y軸方向作移動。9. 水平臂測量臺移動型(Movin

43、g table horizontal arm type)水平臂測量臺移動型，廂形架支撐水平臂沿著垂直的支柱在垂直的方向移動。探頭裝在水平方向的懸臂上，支柱沿著水平面的導槽在x軸方向移動，且垂直y軸，測量臺沿著水平面的導槽在y軸方向移動，且垂直于x軸和y軸。這是水平懸臂型的改良設計，為了消除水平臂在軸方向，因伸出或縮回所產生的撓度。10. 水平臂測量臺固定型(Fixed table horizontal arm type)水平臂測量臺固定型，其構造與測量臺移動型相似。此型測量臺固定，x和y軸均在導槽內移動，測量時支柱在x軸的導槽移動，而y軸滑動臺面在垂直軸方向移動。11. 水平臂移動型(Movi

44、ng arm horizotal arm type)水平臂移動型，x軸懸臂在水平方向移動，支撐水平臂的廂形架沿著支柱在x軸方向移動，而支柱垂直y軸。支柱沿著水平面的導槽在x軸方向移動，且垂直x軸和y軸，故不適合高精度的測量。除非水平臂在伸出或回收時，對因重量而造成的誤差有所補償。目前應用在車輛檢驗工作。12.閉環橋架型(Ring bridge type)閉環橋架型，由于它的驅動方式在工作臺中心，可減少因橋架移動所造成沖擊，為所有三坐標測量儀中最穩定的一種。第五章 近景攝影測量5.1近景攝影測量近景攝影測量是指利用攝影機或其他傳感器采集近距離范圍內（一般指100米以內）非地形目標的圖像信息，通過加工，處理和分析，確定其形狀，大小，位置及性質等有價值的可靠信息的理論和技術。近景攝影測量包括近景攝影和圖像處理兩個過程。近景攝影一般使用量測攝影機，它是框標、內方位元素已知并且物鏡畸變小的專用儀器，有的還備有外