自動化地面激光掃描儀校準實驗室構建與應用

徐 建,施曉勇,黃昌狄,周憶寧

（1.浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 311122）

目前，對于地面激光掃描儀的參數評定大多是從某一方面進行評定[1-4]，缺乏整體性，有的校準裝置過于簡單[5]，不夠科學嚴謹、費時費力。近年來，相關學者對地面激光掃描儀開展了精度評價及校準研究，徐壽志[6]等利用比長基線檢定場、多齒分度臺等對三維激光掃描儀開展精度評定工作。劉勝男[7]等基于儀器、外界環境、目標等誤差源，對儀器測距和測角精度進行了評定。但是，當前研究中多致力于儀器精度評價分析，鮮有學者基于儀器校準技術流程，整合相關硬件及軟件，開展自動化地面激光掃描儀校準實驗室的構建及應用研究。因此，本文提出的基于相關標準校準流程，開發、整合軟硬件實現地面激光掃描儀的自動化校準[8-9]具有一定的社會及經濟效益。

1 實驗室框架

地面激光掃描儀校準實驗室是一個集軟硬件一體化的高效、科學的自動化實驗室。

實驗室包含硬件設備和配套軟件兩部分。硬件設備主要包含徑向距離校準裝置和空間距離校準裝置，分別如圖1、2組成。

圖1 徑向距離校準裝置

圖2 空間距離校準裝置

配套軟件主要包含測繪儀器檢定信息管理系統、徑向距離示值誤差記錄器、空間距離示值誤差記錄器、機械臂控制軟件、出證終端軟件等。

徑向距離校準裝置：以雙頻激光干涉儀為主標準器，配合大長度自動化檢測平臺提供精確的基準值，平臺上球型標靶的球心提供唯一的空間位置，實現徑向距離示值誤差、徑向重復性和標靶重復性的校準。

空間距離校準裝置：裝置由三維靶球墻和機械臂等組成。三維靶球墻作為主標準器提供空間標準值，機械臂代替傳統觀測墩提供多姿態空間觀測位置，實現空間距離示值誤差的校準。

校準裝置基于JJF1406-2013《地面激光掃描儀校準規范》的要求，實現對掃描儀距離精度、點位精度的科學、準確、高效地評定。此外，實驗室新增距離精度、點云密度、點云精度、角度標準偏差、補償器補償誤差和平面模型精度[10-11]的檢測項，用于相關計量檢測科學實驗及研究以提升技術服務能力，并為后續校準規范改版夯實技術基礎。

數據處理流程如圖3 所示，校準人員按照《地面激光掃描儀校準規范》的要求操作掃描儀對校準裝置進行掃描，獲取原始數據，利用掃描儀配套軟件解算原始數據得到點云數據，采用掃描儀配套點云數據后處理軟件對標靶點云進行球心擬合，得到標靶球心坐標，結合外部標準值計算校準結果。

圖3 數據處理流程圖

2 徑向距離校準裝置

實驗室主要由徑向距離校準裝置和空間距離校準裝置及相關配套軟件構成，徑向距離校準裝置的構成及相關配套軟件如下。

2.1 裝置構成

徑向距離校準裝置以室內大長度自動化檢測平臺（平直度優于5×10-5）為基礎，在其移動平臺上增加可以安置球型標靶的過渡裝置，配置1 個球型標靶（表面噴砂處理的鋁制品，直徑200 mm，直徑變化量≤0.1 mm）、1 個反射板（啞光處理，平面度≤0.2 mm，長200 mm，寬300 mm），結構如圖4。雙頻激光干涉儀安置在大長度平臺的一端作為該裝置的主標準器，提供標準距離值。其線性位移示值誤差≤0.5×10-6L（單位為m）。

將球型標靶安置在大長度平臺的置鏡系統上，在直線導軌一端的觀測墩上安置掃描儀，調節掃描儀的位置和高度，使其中心大致處于標靶中心運動軌跡的延長線上。掃描儀至標靶的初始位置大約2 m，標靶沿導軌按預先設好的程序自動移動到不同測量位置，共計6個測量位置，每次移動距離5 m。

2.1.1 配套軟件

徑向距離校準裝置配套軟件為徑向距離示值誤差記錄器，主要實現徑向距離示值誤差、徑向重復性、標靶重復性和平面模型精度等校準項目的一鍵自動化計算及電子版原始記錄冊的自動生成并上傳至數據庫。避免了手工計算、簡化了操作流程，代替了傳統人工紙質化記錄、計算的工作流程。

軟件信息區域實現檢測編號與儀器的型號、編號、類型及廠家和送檢單位信息的關聯，避免了反復多遍的手工填寫。標準器的名稱、證書編號和存放地點的信息都可以實現一鍵關聯?？刂茀^域可自行設置小車移動距離和移動速度，主要用于小車上的置鏡系統在軌道上自動向前或向后運行。擺脫了人為的手工操作，既減少了檢定員的體力工作又增加了球型標靶的移動精度。顯示區域主要實現了雙頻激光干涉儀的自動讀數和保存，即標準值的自動存儲。同時，通過Fluke 和溫度傳感器可以實現對標準值的自動溫改修正，提高了標準值精度。操作區域可以實現球心坐標的自動擬合及校準數據的一鍵計算，并自動生成電子版原始記錄冊上傳至數據庫，避免了繁瑣的手工記錄、計算。

2.1.2 空間距離校準裝置

空間距離校準裝置的構成及相關配套軟件如下：

1）裝置構成?？臻g距離校準裝置由三維靶球墻（測量范圍為0.5 ～7 m，U=0.087，K=2）、球型標靶（表面噴砂處理的鋁制品，直徑150 mm，直徑變化量≤0.1 mm）、溫度傳感器（精度0.2℃）、機械臂（重復精度＜0.1 mm，臂展2 101 mm，負載70 kg）、多齒分度臺（分度誤差0.3″ ）組成。三維靶球墻作為該裝置的主標準器，提供空間距離的標準值，并且使用機械臂代替了觀測墩，預先開挖基坑并澆筑好鋼筋混凝土基礎，將機械臂安置在上面，確保了機械臂在最大臂展和負荷狀態下的穩定性。

校準規范中規定空間距離校準裝置沿水平和垂直方向標靶數均不少于4，且保證與掃描儀構成角度不小于60°×60°（水平角α×垂直角β）。將掃描儀安置在3 個不同位置，應滿足其至標靶距離大于最小測量距離，在不同位置將掃描儀頭部大致旋轉120°，同時改變儀器高度，分別對垂直平面內各個標靶進行掃描，并擬合標靶球心坐標。由圖2 可知，實驗室沿水平和垂直方向的標靶數分別為5 個和8 個，并且用機械臂代替了3 個觀測墩，既滿足了規范要求，又可以實現空間任意觀測位置，提高解算精度。

三維靶球墻和球型標靶提供穩固的空間位置及多類型的空間距離。溫度傳感器監測三維靶球墻所在的環境溫度，并且計算溫度引起球型標靶變化的不確定度分量。機械臂提供空間任意觀測位置，并提供傾斜角度值。多齒分度臺提供精確的基準角度值。

2）配套軟件?？臻g距離校準裝置配套軟件包含空間距離示值誤差記錄器、機械臂控制軟件、出證終端軟件等，軟件的主要情況如下：①空間距離示值誤差記錄器主要實現空間距離示值誤差、點云精度、水平角標準偏差、豎直角標準偏差、補償器補償范圍/補償誤差等校準項目的一鍵自動化計算及電子版原始記錄冊的自動生成并同時上傳至數據庫。②機械臂控制軟件通過KUKA端和PC端建立機械臂和控制軟件間的連接。以單步控制或六軸聯動方式移動到指定位置，并保存對應坐標。在后續校準過程中，只需通過對控制軟件將機械臂自動運行到預設位置即可。利用機械臂替代傳統觀測墩，既滿足校準規范要求的3 個不同觀測位置，又提供了多姿態的精密觀測位置作為解算約束條件，提高解算精度。同時，經檢測機械臂在負載情況下，位置重復性精度小于0.1 mm，保證了儀器精度檢測的準確性及可靠性。此外，機械臂的應用避免了傳統觀測墩反復拆裝儀器的步驟，減少了儀器拆裝風險并提高了工作效率。③出證終端軟件可按儀器送檢時間以及儀器類型快速定位待出證儀器，并基于校準過程中記錄器生成的電子版原始記錄冊，自動匹配數據庫中原始數據實現對校準儀器的一鍵自動化出證，并同步顯示儀器校準狀態，完成核驗、批準流程，操作過程簡單、高效。

3 結 語

本文建立了徑向距離校準裝置和空間距離校準裝置并開發了相關配套軟件，實現了校準數據自動化采集與計算、主標準器溫度實時采集并計算改正、校準數據庫的構建，并以自動化機械臂替代傳統觀測墩。最終，構建了自動化地面激光掃描儀校準實驗室，為地面激光掃描儀提供了全自動的數字化校準服務，實驗室的建立提高了儀器校準效率，保證了儀器校準的時效性。