準(zhǔn)動態(tài)測量儀器動態(tài)特性的研究

更新時間：2009-11-12

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根據(jù)工作狀態(tài)，測量儀器通常可分為靜態(tài)量儀和動態(tài)量儀兩大類。但在某些測量場合（如空間坐標(biāo)測量），測量儀器無法進(jìn)行全自動測量，只能采用機(jī)動定位、人工瞄準(zhǔn)的測量方法，此類儀器在測量過程中既有動態(tài)跟蹤，又有靜態(tài)測量，因此其特性與靜態(tài)量儀和動態(tài)量儀均有所不同，我們將此類儀器稱為準(zhǔn)動態(tài)測量儀器。目前有關(guān)準(zhǔn)動態(tài)測量儀器特性的研究文獻(xiàn)不多。為了對準(zhǔn)動態(tài)測量儀器特性進(jìn)行深入研究，我們在空間坐標(biāo)測量常用的雙經(jīng)緯儀測量法的基礎(chǔ)上，選用兩臺通用電子經(jīng)緯儀組成一個雙經(jīng)緯儀準(zhǔn)動態(tài)空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)，并對該實驗裝置在不同跟蹤速度下的動態(tài)特性進(jìn)行了實驗研究。

2 實驗系統(tǒng)的建立

（1）測量原理

雙經(jīng)緯儀測量法主要基于三角法測量原理，其坐標(biāo)關(guān)系。當(dāng)利用現(xiàn)場標(biāo)定方法確定兩臺經(jīng)緯儀坐標(biāo)原點的間距L后，再由經(jīng)緯儀A和B分別測得α_A、β_A和α_B，即可通過空間幾何關(guān)系確定空間點P的位置，P點的坐標(biāo)計算公式為

x_P=r_Asinβ_Acosα_A=	cosα_Asinα_B	L

	sin（α_B-α_A）

y_P=r_Asinβ_Asinα_A=	sinα_Asinα_B	L

	sin（α_B-α_A）

z_P=r_Acosβ_A=	sinα_B	L

	tanβ_Asin（α_B-α_A）

（1）

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測量實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。兩臺電子經(jīng)緯儀按數(shù)學(xué)模型的要求相互之間傾斜一定角度放置，坐標(biāo)系原點’設(shè)置于經(jīng)緯儀1上，以兩臺經(jīng)緯儀的中心連線作為X軸。測量目標(biāo)安放在XY精密工作臺上，由光柵傳感器測定直線移動距離作為基準(zhǔn)值。電子經(jīng)緯儀原安裝于三腳架上，使用時必須保持水平，由于實驗室地面較光滑，三腳架不易安放及調(diào)節(jié)，因此設(shè)計了用于安裝電子經(jīng)緯儀和自動跟蹤系統(tǒng)電機(jī)傳動裝置的底座，為保證空間坐標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，固定儀器的底座板選用厚鋼板制作，并能方便地進(jìn)行水平調(diào)節(jié)和高度調(diào)節(jié)。兩個底座相隔一段距離安放，兩臺電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡軸線與測量目標(biāo)位于同一水平面上，電子經(jīng)緯儀分別由兩臺交流伺服電機(jī)帶動與測量目標(biāo)同步運動，進(jìn)行自動跟蹤。

電子經(jīng)緯儀原是通過人工進(jìn)行跟蹤與瞄準(zhǔn)，但為了研究準(zhǔn)動態(tài)測量儀器的動態(tài)特性，必須實現(xiàn)空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)對速度變化的測量目標(biāo)的自動跟蹤，為此設(shè)計了一套由動力源及傳動機(jī)構(gòu)組成的速度可調(diào)的自動跟蹤運動機(jī)構(gòu)。此外，由于自動跟蹤機(jī)構(gòu)采用無反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)結(jié)構(gòu)，定位不夠準(zhǔn)確，因此設(shè)計了一套定位微調(diào)機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)坐標(biāo)測量系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)與定位。由于電子經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)的限制，無法安裝皮帶輪或完整齒輪，因此設(shè)計了一個U型卡座卡在電子經(jīng)緯儀一邊的支座上，與齒輪支撐板卡在支座四周。測量時，電機(jī)帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動大齒輪（設(shè)計為部分齒片狀，中心角約為36°）和電子經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)，通過控制電機(jī)與測量目標(biāo)同步動作，即可達(dá)到坐標(biāo)測量系統(tǒng)自動跟蹤、瞄準(zhǔn)與定位的目的。由于空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)所需速度小于0.1r/min，而電機(jī)速度為4.5r/min，因此齒輪傳動機(jī)構(gòu)的傳動比設(shè)計為1:8。

（3）動態(tài)精度分析

雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)組合測量系統(tǒng)的動態(tài)精度主要取決于組成系統(tǒng)的兩臺電子經(jīng)緯儀的動態(tài)誤差和自動跟蹤傳動定位機(jī)構(gòu)的動態(tài)誤差。電子經(jīng)緯儀的動態(tài)誤差主要與儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)，自動跟蹤傳動定位機(jī)構(gòu)的動態(tài)誤差主要與電機(jī)動態(tài)特性有關(guān)，它們的動態(tài)誤差將直接影響自動跟蹤速度，因此，研究測量系統(tǒng)動態(tài)精度與跟蹤速度的對應(yīng)關(guān)系對于研究準(zhǔn)動態(tài)測量儀器的動態(tài)特性具有重要意義。

3 實驗系統(tǒng)動態(tài)精度的標(biāo)定

（1）電子經(jīng)緯儀動態(tài)精度的標(biāo)定

**附表標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)**
跟蹤速度ω	ω=3.6r/min	ω=2.7r/min	ω=1.8r/min	ω=0.9r/min
σ（L）（mm）	0.2973	0.5045	0.3880	0.2474
s₁（"）	6.033	9.400	3.633	5.643
s₂（"）	7.194	20.727	9.920	3.382

首先采用自準(zhǔn)直儀與正24面棱體組合校準(zhǔn)方法對電子經(jīng)緯儀的動態(tài)精度進(jìn)行標(biāo)定實驗。由于實驗系統(tǒng)測量目標(biāo)移動范圍的限制，自動跟蹤傳動機(jī)構(gòu)中大齒輪的圓心角只有36°，只能標(biāo)定電子經(jīng)緯儀30°水平轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的動態(tài)精度（即只需對正24面棱體的3個面進(jìn)行標(biāo)定）。標(biāo)定時，電機(jī)帶動電子經(jīng)緯儀順時針方向旋轉(zhuǎn)，由點動開關(guān)和定位微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位，標(biāo)定完30°位置后將電子經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)回再重新標(biāo)定。分別對電子經(jīng)緯儀4種跟蹤速度（由慢到快）下的動態(tài)精度進(jìn)行標(biāo)定，并計算出15°、30°位置分別與0°位置測量值差值的標(biāo)準(zhǔn)差s₁和s₂，實驗數(shù)據(jù)見附表。

（2）測量系統(tǒng)動態(tài)精度的標(biāo)定

雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)組合測量系統(tǒng)動態(tài)精度的標(biāo)定實驗。通過調(diào)節(jié)相關(guān)機(jī)構(gòu)使兩臺電子經(jīng)緯儀與測量目標(biāo)的位置關(guān)系符合數(shù)學(xué)模型要求（同一水平面、等高、X軸重合），當(dāng)兩臺電子經(jīng)緯儀等高后，將經(jīng)緯儀1的水平角度置零，經(jīng)緯儀2回轉(zhuǎn)180°后置零，即可使兩臺經(jīng)緯儀的X軸重合。由電機(jī)帶動兩臺經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)測量目標(biāo)，記下此時角度，測量目標(biāo)隨XY精密工作臺在視場內(nèi)近似均布的5個位置停止（現(xiàn)場安放的電子經(jīng)緯儀對XY精密工作臺的視場角小于15°，因此兩位置之間的視場角約為3°），雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)在4種不同跟蹤速度下進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，記下兩臺經(jīng)緯儀的讀數(shù)α_A、α_B及XY精密工作臺的讀數(shù)L₀。為減小偶然誤差的影響，上述標(biāo)定過程重復(fù)進(jìn)行3次。

根據(jù)式（1）確定兩臺經(jīng)緯儀坐標(biāo)原點之間的距離L。由于當(dāng)標(biāo)定點位于兩臺經(jīng)緯儀連線的中心線上時U（L）zui小，因此任取大致位于經(jīng)緯儀連線的中心線上的5個點作為L的標(biāo)定點，對計算得到的L值取平均值可得L=1200.3818mm。將L值和兩臺電子經(jīng)緯儀的讀數(shù)α_A和α_B帶入式（1），計算出測量目標(biāo)各個位置與起點間的距離L₁并減去XY精密工作臺的讀數(shù)L₀，根據(jù)得到的偏差值ΔL，即可計算出在4種跟蹤速度下的σ（L）值（見附表）。

4 結(jié)論

綜合分析電子經(jīng)緯儀和雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)組合測量系統(tǒng)動態(tài)精度標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)s₁、s₂和σ（L）的變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論:

由于受儀器結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)部件間隙的影響，電子經(jīng)緯儀的動態(tài)精度比靜態(tài)精度（s=5"）有較大幅度下降。
單臺電子經(jīng)緯儀以及由兩臺電子經(jīng)緯儀組成的雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)的動態(tài)精度均與跟蹤速度的變化趨勢有關(guān)。
在雙經(jīng)緯儀空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)動態(tài)精度隨跟蹤速度的變化趨勢中存在一個臨界速度，在此臨界速度附近測量系統(tǒng)的動態(tài)精度較低，因此使用準(zhǔn)動態(tài)測量儀器進(jìn)行動態(tài)測量時應(yīng)盡可能避開該臨界速度。

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