为了提高经纬仪检定的效率和精度,设计了一种专用的经纬仪快速检定系统。文章介绍了其组成、工作原理和软件设计,着重介绍了独特的光学读数图像自动识别装置及各仪器与计算机的通讯,并对系统的测量不确定度进行了评定。实践证明,系统完全符合经纬仪检定的要求,大大降低了检定人员的劳动强度,为检定工作自动化程度的提高提供了一个有用的借鉴。
0 引言
经纬仪在许多关系着国计民生的行业中起着重要的作用,对其进行定期检定是重要的技术保障环节。虽然近年来采取了一系列手段,提高了其数据处理的自动化程度,但人工读数一直是限制检定精度和检定效率提高的一个重要原因,因此研制一种可以取代人工读数的经纬仪快速检定系统是十分必要的。文章以专用经纬仪快速检定系统为背景,重点介绍了系统的组成原理和软件设计。
1 系统组成及工作原理
1·1 组成
专用经纬仪快速检定系统由硬件系统和软件系统两大部分组成,其组成如图1所示。硬件设备主要由CCD高精度光电自准直仪、综合检测仪、专用多齿分度台、双面反射镜装置、专用图像自动识别系统、激光功率计和便携式工控机、打印机等组成。系统装备体积小、重量轻、车载机动、使用方便。
CCD高精度自跟踪光电自准直仪可对反光镜的微小方位角位移进行高精度测量,并显示反光镜相对于自准直仪光轴的双坐标角位移。利用单线阵CCD器件的像元自扫描能力测量自准直光斑回像的位置,使准直和测量一次完成;通过合理放置探测光斑回像点的二维坐标位置,换算出二维小角度。自准仪采用了8031单片机系统,实现数据实时采集、处理并及时显示和以串口的方式输出全部参数,实时性强,可实现动态数据采集和动态测量,其精度及稳定性均达到新的水平。
综合检测仪主要由专用水平准直光管、俯仰准直光管、升降调整机构和底座等构成,在结构设计上,综合检测仪采用了先进的CAOD光学设计,自动平衡各项光学象差,保证了系统成象质量、测量精度和可靠性。在测微光管结构设计中,采用了摄远物镜与显微物镜组合结构的设计方法,大大提高了双丝瞄准的分辨率和对准精度。
专用多齿分度台主要由一对多齿盘和升降、锁紧机构两部分组成。多齿盘是一对直径、齿数、齿形等完全相同的平面向心齿轮,它的每一个齿的形状、精度、节距等几乎完全相等,在两齿盘的相互啮合中,由于所有啮合平均效应作用,使其获得极高的分度精度。分度最大误差为0·5″,重复定位误差≤0·05″,利用多齿台精密分度原理,可以准确地检测出瞄准仪水平读数系统的测角误差。
2 工作原理
系统组成原理如图2所示。CCD高精度自跟踪光电自准直仪对经纬仪进行检定后,通过RS-232串口将数据发送到便携式工控机进行计算。便携式工控机与被检经纬仪通过RS-232串口进行通讯,完成对CCD方位偏差角(失准角)信号、度盘角值的数据采集和处理。便携式工控机通过由CCD摄像头、图像采集卡、专用夹具、计算机识别软件等组成的光学读数系统图像自动识别装置识别被检经纬仪的度盘读数,实现系统对经纬仪度盘读数的自动采集。系统软件可以在各仪器、各项目检定过程中进行灵活的切换;有强大的数据库管理系统,可实现方便存储、查询,并可以自动生成、打印制式检定证书。
2 读数图像自动识别
多数光学经纬仪,往往只能人工读取其度盘数据。为了提高检定效率和精确度,系统采用了图像自动识别装置,其主要由CCD摄像头、图像采集卡、专用夹具、计算机识别软件等部分组成。如图3所示, CCD摄像头通过专用夹具安装在瞄准经纬仪的读数窗口上,摄取带有读数图像的信息经图像采集卡变换处理后,由图像处理软件进行图像增强、阈值设定及二值化处理。在对度盘分划粗定位的基础上进行字符定位分割,然后利用预先建立的标准字符模板进行过筛连通模板匹配,自动识别出度盘的度分数值。为了精确检测识别出代表分、秒的读数分划线信号,采用了亚象限细分技术和刻线倾斜校正技术,通过计算刻线矩心来实现细分定位,使刻线定位精度达到1″以内,大大提高了光学系统读数精度。最后对识别出的度值以及检测出的分、秒值进行合成,自动输出识别结果[1-2]。
3 各仪器之间的通讯
系统综合运用中断与查询方式成功地开发了CCD高精度自跟踪自准直仪、便携式工控机、被检测经纬仪的通信程序,解决了串行方式下实时多机通讯问题;利用动态连接库技术实现了图像采集卡与工控机之间的数据传输。
3·1 光电经纬仪与工控机的通讯
对于具有串行通讯能力的经纬仪,根据其与计算机之间的串行通讯协议,利用MicroSoft提供的MSComm控件,采用查询方式,首先发送握手数据,待硬件握手成功后,可以按需要通过串行接口发送不同数据来分别接收度盘读数和CCD失准角。在系统中采用了循环检测的方式,对串行接口进行操作。在程序中灵活地引入系统时间取得相邻两组发送数据之间的时间差,作为判断相邻两组接收数据之间的时间差的近似值,对经纬仪的状态实施实时监控,提高了人机交互程度,保证了检定系统与仪器之间的同步,而且可以在系统处理数据之前滤除明显的无效数据,提高了系统的效率。
3·2 CCD高精度自跟踪光电自准直仪与工控机的通讯
针对CCD高精度自跟踪光电自准直仪,根据其与计算机之间的串行通讯协议,引入另一个MSComm控件,采取中断触发的方式,设置其RThreshold属性当仪器面板上按下“开通讯”按钮后,仪器开始向工控机发送数据,当工控机串口接受到的字节数等于其MSComm控件RThreshold属性所设置的值时,触发OnComm事件,接收CCD高精度自跟踪光电自准直仪的数据。程序从接收到的一组数据中,找到三个标志位,即起始位、结束位和中间位(用于分隔方位角和俯仰角),即可分离出所需要的角度值,再将其格式输出显示在程序的界面上[3]。
3·3 图像采集卡与工控机的通讯
由于自动检定系统检定程序采用VB6·0开发环境平台,而图像自动识别装置中图像采集卡的全部函数都是厂家提供的标准的C语言函数,需处理大量的数据,因而为了实现对读数图像的动态采集、处理和识别,确保识别程序的实时性和准确性,检定系统采用了调用DLL的方式进行识别和图像显示。
动态连接库DLL类似于运行函数库,程序运行期间被连接进来,不管多少程序使用DLL,内存中只有一个DLL的副本,没有程序使用它时,系统就将它移出内存,减少了对内存和磁盘的要求。*·DLL文件的布局和*·EXE文件类似,但有一最重要的不同之处--DLL文件包含一个输出表,该输出表包含了DLL对其它可执行程序输出的每个函数名,这些函数是DLL的入口点。自动检定系统中采用VC++6·0自动生成的Win32动态连接库,动态连接库中包括对图像的动态识别、参数设置和显示模块。Visual Basic通过De-clare来访问DLL,其编译器根据声明确定参数,检查数据类型, VB在运行期间也根据声明处理参数,进行压栈、出栈的管理工作。程序在共用模块中声明了DLL过程,可以象使用VB关键字或用户定义的VB过程一样,方便地使用DLL中的函数,从而完成图像识别和显示
4 系统软件设计
系统软件采用VB 6·0和VC++6·0混合编程方式,在WindowsXP环境下开发,支持操作平台为Win-dowsXP/98/2000。系统软件主要包括系统总控模块、通讯模块、光电光学设备检测、数据库管理查询、检定结果统计分析、打印和帮助等模块组成。软件系统主要完成检测数据的记录、整理、计算和结果分析评定等。
整个处理软件由主控程序模块、通信模块、计算数据处理误差分析模块和结果分析判断模块、数据库查询模块等组成。数据通信模块主要负责通信参数的设置、数据及指令的传输和校验等。数据计算模块是按照规定的数据处理方法对数据进行计算处理。计算结果最后经分析判断处理后输出显示。数据处理过程如图4所示。
5 不确定度评定
在光学仪器检定中,一般有两种方式,一是单项指标由单台仪器检定,其检定不确定度由该单台仪器的精度保证;二是综合指标由多台仪器构成一个系统来检定,检定精度及可靠性由系统测量不确定度来保障
经纬仪的基本操作为：对中、整平、瞄准和读数。
(一)对中
对中的目的是使仪器度盘中心与测站点标志中心位于同一铅垂线上。操作步骤为：
张开脚架，调节脚架腿，使其高度适宜，并通过目估使架头水平、架头中心大致对准测站点。
从箱中取出经纬仪安置于架头上，旋紧连接螺旋，并挂上锤球。如锤球尖偏离测站点较远，则需移动三脚架，使锤球尖大致对准测站点，然后将脚架尖踩实。
略微松开连接螺旋，在架头上移动仪器，直至锤球尖准确对准测站点，最后再旋紧连接螺旋。
(二)整平
整平的目的是调节脚螺旋使水准管气泡居中，从而使经纬仪的竖轴竖直，水平度盘处于水平位置。其操作步骤如下：
1．旋转照准部，使水准管平行于任一对脚螺旋[如图 3
2．将照准部旋转90°，转动第三个脚螺旋，使水准管气泡居中[如图3-7B]
图3-7 整平
3．按以上步骤重复操作，直至水准管在这两个位置上气泡都居中为止。使用光学对中器进行对中、整平时，首先通过目估初步对中(也可利用锤球)，旋转对中器目镜看清分划板上的刻划圆圈，再拉伸对中器的目镜筒，使地面标志点成像清晰。转动脚螺旋使标志点的影像移至刻划圆圈中心。然后，通过伸缩三脚架腿，调节三脚架的长度，使经纬仪圆水准器气泡居中，再调节脚螺旋精确整平仪器。接着通过对中器观察地面标志点，如偏刻划圆圈中心，可稍微松开连接螺旋，在架头移动仪器，使其精确对中，此时，如水准管气泡偏移，则再整平仪器，如此反复进行，直至对中、整平同时完成。
瞄准
瞄准目标的步骤如下：
1．目镜对光：将望远镜对向明亮背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。
2．粗略瞄准：松开照准部制动螺旋与望远镜制动螺旋，转动照准部与望远镜，通过望远镜上的瞄准器对准目标，然后旋紧制动螺旋。
3．物镜对光：转动位于镜筒上的物镜对光螺旋，使目标成像清晰并检查有无视差存在，如果发现有视差存在，应重新进行对光，直至消除视差。
4．精确瞄准：旋转微动螺旋，使十字丝准确对准目标。观测水平角时，应尽量瞄准目标的基部，当目标宽于十字丝双丝距时，宜用单丝平分；目标窄于双丝距时，宜用双丝夹住；观测竖直角时，用十字丝横丝的中心部分对准目标位，
读数
读数前应调整反光镜的位置与开合角度，使读数显微镜视场内亮度适当，然后转动读数显微镜目镜进行对光，使读数窗成像清晰，再按上节所述方法进行读数。
该系统在检定中针对不同类型的经纬仪采用了相应的自动化读数系统,大大降低了检定工作的劳动强度,提高了效率,减少了人为因素的影响;系统的检定不确定度符合要求,确保了检定精度,真正实现了快速、精确检定。
