國產全站儀即將迎來又一輪技術革命——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、 13萬臺電子經緯儀， 這個數(shù)量在當初連做夢都不敢想的事情，在 16 年后的今天變成了現(xiàn)實。作為在南方全站儀廠從事電子經緯儀、 全站儀研制與生產工作 16 年之余 的我，激動不已的同時也未免有些壓力：經歷了 16 年的發(fā)展，我們的產量已經 達到了世界第一，在全站儀的中低端方面已經和國外發(fā)達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，研制和批量生產自動伺服全站儀， 應該是我們的首要 任務。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關鍵技術， 主要包括高精度測角系統(tǒng)、高精度測距系統(tǒng)、瞄準跟蹤系統(tǒng)和伺服驅動系統(tǒng)。（一）高精度測角系統(tǒng)：（1）放棄原先的半浮動立軸結構，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軸和外軸的兩個曲面過 盈配合，即無間隙配合。 內外軸相對旋轉時， 保持架上的鋼珠在公轉圓周上做自 傳滾動。密珠軸系有以下優(yōu)點：A. 內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，無間隙轉動，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，每顆鋼珠的旋轉軌跡均不 重合，可以認為內軸的旋轉中心為 100多個鋼珠公轉圓心的平均值， 使旋轉軸的 精度更高。C. 只有滾動摩擦，無滑動摩擦，軸不易卡死、轉動靈活。（2）采用絕對編碼測角技術， 在水平軸和垂直軸上都安裝四個角度讀取 頭，盡可能地減少旋轉軸及鍍盤的偏心誤差。試驗證明，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計，即望遠、測距激光發(fā)射、測距激光接收、 瞄準光源發(fā)射和瞄準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、射光從儀器內部射出時， 盡量減少穿過 物鏡的介面數(shù)量，使光串擾大為減少。（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=電磁波測距的調制頻率。提高調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。國內常 規(guī)測距儀的測距調制頻率一般為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；對該離散信號進行快速傅里葉變換（FFT）， 就可得到測距信號的幅值和相位。 經理論證明和實驗證明， 此測相方法的鑒相精 度能達到萬分之一。 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 0.10 毫米，完全滿足伺服全站儀高精度測距的要求。（三）瞄準跟蹤系統(tǒng)： 瞄準跟蹤系統(tǒng)是伺服全站儀的核心技術，完成對目標棱鏡的搜索、精確 瞄準和鎖定。瞄準跟蹤系統(tǒng)由紅外面光源系統(tǒng)、 光學成像系統(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、混相光纖和準直透鏡 組成，激光二極

6、管近似為點光源， 和特殊的光纖耦合， 經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)出的紅外光經過準直透鏡準 直后以充滿望遠鏡視場（視場角 1.5 度）的角度照亮全站儀前方視場。（2）光學成像系統(tǒng)：和全站儀的望遠鏡系統(tǒng)、測距系統(tǒng)共用一套光學系 統(tǒng)。在有效距離和望遠鏡視場內被紅外光照亮的目標棱鏡的影像， 通過光學系統(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上的目標棱鏡的實像（是中心對稱圖像）讀到高速緩存中，經過高速微處理器對形狀和亮度信息的處理， 計算出目標棱鏡在望遠鏡視場的精確位置，由于采用高像素（480X480的

7、面陣CCD并且對圖像通過10位A/D進行采集，最后經過科學的計算可以把目標棱鏡 在視場的位置定位誤差確保在1秒以下，遠遠高于人眼的分辨精度。（四）伺服驅動系統(tǒng)： 伺服驅動系統(tǒng)是高精度伺服全站儀的運動執(zhí)行環(huán)節(jié)和核心部分，該系統(tǒng) 由驅動電機（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棱鏡時， 全站儀的照準部或望遠鏡需要高速 轉動，此時馬達高速轉動， 馬達自帶的編碼器粗略測量儀器的轉動角度， 并控制 馬達的轉速和轉動與否。（ 2）在伺服全站儀需要精確瞄準目標棱鏡時， 需要微調儀器來瞄準目標 棱鏡。此時馬達低速轉動，由瞄準跟蹤系統(tǒng)測得的棱鏡在視場主的位置與

8、主光軸 的偏差來控制馬達的轉速和轉動與否， 同時角度測量系統(tǒng)測出水平角度和垂直角 度。（ 3）當伺服全站儀跟蹤鎖定目標棱鏡時， 儀器連續(xù)執(zhí)行精確瞄準目標棱 鏡的動作，并同時測量水平角和垂直角。（4）當伺服全站儀需要轉動到用戶設定的角度時，起初馬達高速旋轉， 馬達自帶的編碼器粗略控制轉動角度。 在接近設定的角度時，馬達慢速旋轉，角 度測量系統(tǒng)進行角度測量并來控制馬達的轉速和轉動與否。（5）當用戶微調儀器的微調手輪時， 微調手輪上的旋轉編碼器輸出的正 交編碼信號控制馬達微步轉動，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關鍵技術，絕大部 分已經驗證通過，正處在各項技術的綜合試驗和聯(lián)合調試階段，預計 2011 年會 完成樣機的研制，兩年內進入小批量生產階段。隨著地理信息產業(yè)的不斷發(fā)展壯大，未來幾年對海量