國產(chǎn)全站儀即將迎來又一輪技術(shù)革命——談南方高精度伺服全站儀

1、作者：趙保衛(wèi)（南方測繪北京全站儀及電子經(jīng)緯儀廠副廠長） 閱讀： 134 次 日期： 2011-3-1810萬臺全站儀、 13萬臺電子經(jīng)緯儀， 這個數(shù)量在當(dāng)初連做夢都不敢想的事情，在 16 年后的今天變成了現(xiàn)實(shí)。作為在南方全站儀廠從事電子經(jīng)緯儀、 全站儀研制與生產(chǎn)工作 16 年之余 的我，激動不已的同時也未免有些壓力：經(jīng)歷了 16 年的發(fā)展，我們的產(chǎn)量已經(jīng) 達(dá)到了世界第一，在全站儀的中低端方面已經(jīng)和國外發(fā)達(dá)的廠商站到了同一起跑 線上，但在高精度自動伺服全站儀（機(jī)器人全站儀）方面還存在較大的差距。在 未來的 3 到 5年的時間內(nèi)，研制和批量生產(chǎn)自動伺服全站儀， 應(yīng)該是我們的首要 任務(wù)。目前，南方北

2、京工廠基本掌握了高精度自動伺服全站儀的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 主要包括高精度測角系統(tǒng)、高精度測距系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。（一）高精度測角系統(tǒng)：（1）放棄原先的半浮動立軸結(jié)構(gòu)，采用密珠軸系。密珠軸系是北京工廠 最新研制的立軸系統(tǒng)， 軸系的內(nèi)軸和外軸通過兩套精密鋼珠配合， 縱向靠平面保 持架上的鋼珠定位， 橫向上靠圓柱型保持架上的鋼珠與內(nèi)軸和外軸的兩個曲面過 盈配合，即無間隙配合。 內(nèi)外軸相對旋轉(zhuǎn)時， 保持架上的鋼珠在公轉(zhuǎn)圓周上做自 傳滾動。密珠軸系有以下優(yōu)點(diǎn)：A. 內(nèi)外軸和鋼珠是過盈配合，過盈量選擇合適，保證在 40C+ 60C 的范圍內(nèi)，無間隙轉(zhuǎn)動，精度不丟失。B. 圓柱型保持架上安排了 1

3、00 多顆精密鋼珠，每顆鋼珠的旋轉(zhuǎn)軌跡均不 重合，可以認(rèn)為內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)中心為 100多個鋼珠公轉(zhuǎn)圓心的平均值， 使旋轉(zhuǎn)軸的 精度更高。C. 只有滾動摩擦，無滑動摩擦，軸不易卡死、轉(zhuǎn)動靈活。（2）采用絕對編碼測角技術(shù)， 在水平軸和垂直軸上都安裝四個角度讀取 頭，盡可能地減少旋轉(zhuǎn)軸及鍍盤的偏心誤差。試驗(yàn)證明，采用了密珠軸系和四個讀取頭的測角系統(tǒng)，水平角的精度完 全能達(dá)到 1 秒級甚至更高級別的精度。（二）高精度測距系統(tǒng)：（1）全新的五同軸光路設(shè)計(jì)，即望遠(yuǎn)、測距激光發(fā)射、測距激光接收、 瞄準(zhǔn)光源發(fā)射和瞄準(zhǔn)圖像接收五個光軸的同軸。 測距激光采用中心發(fā)射， 四周接 收的光路系統(tǒng)， 主物鏡發(fā)射部分打通。 發(fā)

4、射光從儀器內(nèi)部射出時， 盡量減少穿過 物鏡的介面數(shù)量，使光串?dāng)_大為減少。（2）采用相位式測量，提高測距頻率。眾所周知相位式測距儀的測尺長度入=C/2f ,。=光在空氣中的傳播速度 （約30萬公里/秒），f=電磁波測距的調(diào)制頻率。提高調(diào)制頻率就能降低測尺長 度入，在測相器的測相精度相同時，減小測尺長度就能提高測量精度。國內(nèi)常 規(guī)測距儀的測距調(diào)制頻率一般為15MHz60M，我們把在伺服全站儀上的測距載 波頻率提高為150MHz即精測測尺長度 入將縮短為1.0米。精測測尺的縮短使 得在鑒相精度和信噪比都不變的情況下，儀器精度大為提高。（3）采用頻譜分析法測相。 伺服全站儀所采用的測相原理和頻譜分析儀

5、 的原理相似，對測距信號通過高精度模數(shù)變換器（14位）高速定時采樣，得到采樣周期間隔相同離散信號序列；對該離散信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）， 就可得到測距信號的幅值和相位。 經(jīng)理論證明和實(shí)驗(yàn)證明， 此測相方法的鑒相精 度能達(dá)到萬分之一。 如果伺服全站儀的測距精測測尺選為 1.0 米，鑒相精度可達(dá) 0.10 毫米，完全滿足伺服全站儀高精度測距的要求。（三）瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)： 瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)是伺服全站儀的核心技術(shù)，完成對目標(biāo)棱鏡的搜索、精確 瞄準(zhǔn)和鎖定。瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)由紅外面光源系統(tǒng)、 光學(xué)成像系統(tǒng)、 圖像處理系統(tǒng)組 成。（1）紅外面光源系統(tǒng)：由高亮度紅外激光二極管、混相光纖和準(zhǔn)直透鏡 組成，激光二極

6、管近似為點(diǎn)光源， 和特殊的光纖耦合， 經(jīng)過混相處理后在光纖的 出射端面形成一個光密度均勻的面光源。 由面光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn) 直后以充滿望遠(yuǎn)鏡視場（視場角 1.5 度）的角度照亮全站儀前方視場。（2）光學(xué)成像系統(tǒng)：和全站儀的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、測距系統(tǒng)共用一套光學(xué)系 統(tǒng)。在有效距離和望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)被紅外光照亮的目標(biāo)棱鏡的影像， 通過光學(xué)系統(tǒng) 的分光和成像，照射到圖像傳感器面陣 CCDto（3）圖像處理系統(tǒng)：該系統(tǒng)把聚焦在面陣 CCD上的目標(biāo)棱鏡的實(shí)像（是中心對稱圖像）讀到高速緩存中，經(jīng)過高速微處理器對形狀和亮度信息的處理， 計(jì)算出目標(biāo)棱鏡在望遠(yuǎn)鏡視場的精確位置，由于采用高像素（480X480的

7、面陣CCD并且對圖像通過10位A/D進(jìn)行采集，最后經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算可以把目標(biāo)棱鏡 在視場的位置定位誤差確保在1秒以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人眼的分辨精度。（四）伺服驅(qū)動系統(tǒng)： 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是高精度伺服全站儀的運(yùn)動執(zhí)行環(huán)節(jié)和核心部分，該系統(tǒng) 由驅(qū)動電機(jī)（含編碼器）、編碼手輪、微控制器組成。主要完成以下幾個功能：（ 1 ）在搜尋或快速接近目標(biāo)棱鏡時， 全站儀的照準(zhǔn)部或望遠(yuǎn)鏡需要高速 轉(zhuǎn)動，此時馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動， 馬達(dá)自帶的編碼器粗略測量儀器的轉(zhuǎn)動角度， 并控制 馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動與否。（ 2）在伺服全站儀需要精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡時， 需要微調(diào)儀器來瞄準(zhǔn)目標(biāo) 棱鏡。此時馬達(dá)低速轉(zhuǎn)動，由瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)測得的棱鏡在視場主的位置與

8、主光軸 的偏差來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動與否， 同時角度測量系統(tǒng)測出水平角度和垂直角 度。（ 3）當(dāng)伺服全站儀跟蹤鎖定目標(biāo)棱鏡時， 儀器連續(xù)執(zhí)行精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)棱 鏡的動作，并同時測量水平角和垂直角。（4）當(dāng)伺服全站儀需要轉(zhuǎn)動到用戶設(shè)定的角度時，起初馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)， 馬達(dá)自帶的編碼器粗略控制轉(zhuǎn)動角度。 在接近設(shè)定的角度時，馬達(dá)慢速旋轉(zhuǎn)，角 度測量系統(tǒng)進(jìn)行角度測量并來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動與否。（5）當(dāng)用戶微調(diào)儀器的微調(diào)手輪時， 微調(diào)手輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的正 交編碼信號控制馬達(dá)微步轉(zhuǎn)動，并同時測量水平角和垂直角。以上是南方測繪北京工廠所掌握的伺服全站儀的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，絕大部 分已經(jīng)驗(yàn)證通過，正處在各項(xiàng)技術(shù)的綜合試驗(yàn)和聯(lián)合調(diào)試階段，預(yù)計(jì) 2011 年會 完成樣機(jī)的研制，兩年內(nèi)進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，未來幾年對海量