两种工业测量系统坐标转换精度分析

白傲然

[摘要]工业测量系统是现代工业技术的主要组成部分，其具有较强的现场测量、计算和实时分析功能、能满足工业产品质量现场检测和控制的要求。由于实际测量工作中在不同坐标系的点位误差的存在，对其进行精度检测是非常有必要的。本文通过公共点转换法对工业测量系统中的全站仪测量系统和激光跟踪仪测量系统坐标转换测量精度进行分析和研究。

[关键词]工业测量系统 公共点 坐标转换 精度分析

[中图分类号] E992.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-238-1

1研究背景

近年来随着我国国民经济的快速发展，先进的工业制造水平也对工业测量技术提出了许多新的要求，主要表现在：测量目标的尺寸越来越大，测量的精度要求越来越高，测量目标及现场环境越来越复杂，动态测量越来越多。工业测量系统于各行各业中的作用日益凸显。本文分别通过对全站仪测量系统、激光跟踪仪测量系统进行实验和数据的分析、对比其公共点坐标转换的精度。具体工作是利用全站仪TDA5005和激光跟踪仪AT901-B，分别在每个系统下设计并进行了A、B、C三个测站，每个测站四个测回对十六个点进行测量，得出每个点的坐标。选取公共点坐标转换的方法，多次分析不同位置、不同数量的公共点转换的精度。

2工业测量系统简介

2.1全站仪

全站仪也称为全站式电子速测仪，是由电子测角，电子测距，电子计算机和数据存储单元等组成的三维坐标测量系。仪器的三轴中心O为测量坐标系原点，水平度盘为XOY平面，其中水平度盘零方向为Y轴，水平度盘垂线向上方向为Z轴。测距采用红外测距原理，以棱镜和反射片为测距合作目标，通过相位法获得待测距离。实验中采用TDA5005全站仪。

2.2激光跟踪仪简介

激光跟踪仪实际上是由一台激光干涉测距和自动跟踪的全站仪[1]。激光跟踪仪硬件基本包含五个部分：角度测量部分、距离测量部分、跟踪控制部分、激光跟踪仪控制器部分、支撑部分，激光跟踪测量系统的软件是系统的重要组成部分，软件主要实现控制、测量、校准、分析、计算等功能。测量系统不仅可以测量静态点，还可以对动态目标进行连续跟踪测量，包括连续采样、格网采样和进行表面测量等动态测量建模[2]。实验中采用Leica AT901-B激光跟踪仪。

3坐标转换精度分析

3.1仪器的稳定性检测

为了检测目标点的稳定性，共测了三站，每站四个测回。在全站仪测量系统和激光跟踪仪测量系统的每个测站内，以第一测回为基准，与其它3个测回之间进行全部16个点位的坐标转换，分别得出均方根误差。坐标转换数据表如下：

把全站仪和激光跟踪仪的每测站的四个测回取平均，用全站仪的第一测站数据与激光跟踪仪的第一测站数据通过公共点转换，均方根误差对比如下所示：

通过分析各测站、各测回间的坐标转换以及全站仪和激光跟踪仪之间的比较，说明仪器的稳定性很好，各测回的数据可靠。

3.2空间点位分布对坐标转换精度的影响

选取第一测站的第一测回向第二测站的第一测回进行坐标转换，以此两测站的两测回为基础，选取相同数量、不同空间位置的公共点进行坐标转换[3]，通过计算转换前后同一目标点的各坐标分量差值△X、△Y、△Z，及目标点的坐标偏差△P和均方根误差进行分析：

地面：选取1、2、3、4、5点构成一个平面

墙面：选取12、13、14、15、16点构成墙面

空间：选取2、3、4、12、15点组成空间图形

再分别使用全站仪和济钢跟踪仪选取地面上的5个点，墙面上的5个点，空间随意的5个点作为公共点进行转换，比较△X、△Y、△Z，所得均方根误差如下表所示：

综合以上数据可得：在全站仪测量系统中，均方根误差上，空间点稍好，墙面点次之，地面点最差。从各坐标分量差值△X、△Y、△Z，以及目标点的坐标偏差△P，空间点同样最好，墙面次之，地面点最差。所以，空间点的精度最高。

在跟踪仪测量系统中，均方根误差上，墙面点稍好，空间点次之，地面点最差。从各坐标分量差值 △X、△Y、△Z，以及目标点的坐标偏差△P，空间点同样最好，墙面次之，地面点最差。说明地面由于一些人为因素导致地面不平而精度不高。所以，空间点的精度最高。

因此空间点为公共点转换的最佳选择。

3.3 公共点的个数对转换精度的影响

以地面点位P1、P2、P3、P4、P5为基础，依次增加一个，两个，三个，四个墙面上的公共点（即P7、P10、P15、P16）进行转换，分析比较地面点坐标转换前后的坐标偏差量和均方根误差。

所得均方根误差如下表所示：

通过以上数据综合得出，以地面上的点位为基础，通过增加点的数量作为公共点进行转换分析，说明随着点位数量的增加，精度并不会随着公共点的个数的增多而增高，而是精度越来越趋于稳定。

4结论

随着工业测量系统在精密仪器的制造和检定、航空、航天工业，汽车工业，船舶工业，加速器工程，金属结构设备，大型天线工程，轨道交通、市政工程，建筑工业等工程中的应用，对不同工业测量系统的特点及精度的分析和研究，对测量方案的设计和选取，完善工业测量系统在实践中的应用具有重要意义。

参考文献

[1]林嘉睿，邾继贵，张皓琳.激光跟踪仪测角误差的现场评价.仪器仪表学报.2012.01：32.

[2]刘得军，刘彩平.基于粒子群算法的6-DOF并联坐标测量机的测量建模.光学精密工程.2008.01：14.

[3]陈涛， 蒋茂利.全站仪一测回水平方向标准偏差两种检定方法的不确定度评定.中国计量.2013.09：32.