為了提高經(jīng)緯儀檢定的效率和精度,設(shè)計了一種專用的經(jīng)緯儀快速檢定系統(tǒng)。文章介紹了其組成、工作原理和軟件設(shè)計,著重介紹了獨特的光學讀數(shù)圖像自動識別裝置及各儀器與計算機的通訊,并對系統(tǒng)的測量不確定度進行了評定。實踐證明,系統(tǒng)完全符合經(jīng)緯儀檢定的要求,大大降低了檢定人員的勞動強度,為檢定工作自動化程度的提高提供了一個有用的借鑒。

　　0　引言

　　經(jīng)緯儀在許多關(guān)系著國計民生的行業(yè)中起著重要的作用,對其進行定期檢定是重要的技術(shù)保障環(huán)節(jié)。雖然近年來采取了一系列手段,提高了其數(shù)據(jù)處理的自動化程度,但人工讀數(shù)一直是限制檢定精度和檢定效率提高的一個重要原因,因此研制一種可以取代人工讀數(shù)的經(jīng)緯儀快速檢定系統(tǒng)是十分必要的。文章以專用經(jīng)緯儀快速檢定系統(tǒng)為背景,重點介紹了系統(tǒng)的組成原理和軟件設(shè)計。

　　1　系統(tǒng)組成及工作原理

　　1·1　組成

　　專用經(jīng)緯儀快速檢定系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成,其組成如圖1所示。硬件設(shè)備主要由CCD高精度光電自準直儀、綜合檢測儀、專用多齒分度臺、雙面反射鏡裝置、專用圖像自動識別系統(tǒng)、激光功率計和便攜式工控機、打印機等組成。系統(tǒng)裝備體積小、重量輕、車載機動、使用方便。

　　CCD高精度自跟蹤光電自準直儀可對反光鏡的微小方位角位移進行高精度測量,并顯示反光鏡相對于自準直儀光軸的雙坐標角位移。利用單線陣CCD器件的像元自掃描能力測量自準直光斑回像的位置,使準直和測量一次完成;通過合理放置探測光斑回像點的二維坐標位置,換算出二維小角度。自準儀采用了8031單片機系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、處理并及時顯示和以串口的方式輸出全部參數(shù),實時性強,可實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集和動態(tài)測量,其精度及穩(wěn)定性均達到新的水平。

綜合檢測儀主要由專用水平準直光管、俯仰準直光管、升降調(diào)整機構(gòu)和底座等構(gòu)成,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上,綜合檢測儀采用了先進的CAOD光學設(shè)計,自動平衡各項光學象差,保證了系統(tǒng)成象質(zhì)量、測量精度和可靠性。在測微光管結(jié)構(gòu)設(shè)計中,采用了攝遠物鏡與顯微物鏡組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,大大提高了雙絲瞄準的分辨率和對準精度。

　　專用多齒分度臺主要由一對多齒盤和升降、鎖緊機構(gòu)兩部分組成。多齒盤是一對直徑、齒數(shù)、齒形等完全相同的平面向心齒輪,它的每一個齒的形狀、精度、節(jié)距等幾乎完全相等,在兩齒盤的相互嚙合中,由于所有嚙合平均效應(yīng)作用,使其獲得極高的分度精度。分度最大誤差為0·5″,重復定位誤差≤0·05″,利用多齒臺精密分度原理,可以準確地檢測出瞄準儀水平讀數(shù)系統(tǒng)的測角誤差。

2　工作原理

　　系統(tǒng)組成原理如圖2所示。CCD高精度自跟蹤光電自準直儀對經(jīng)緯儀進行檢定后,通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式工控機進行計算。便攜式工控機與被檢經(jīng)緯儀通過RS-232串口進行通訊,完成對CCD方位偏差角(失準角)信號、度盤角值的數(shù)據(jù)采集和處理。便攜式工控機通過由CCD攝像頭、圖像采集卡、專用夾具、計算機識別軟件等組成的光學讀數(shù)系統(tǒng)圖像自動識別裝置識別被檢經(jīng)緯儀的度盤讀數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)對經(jīng)緯儀度盤讀數(shù)的自動采集。系統(tǒng)軟件可以在各儀器、各項目檢定過程中進行靈活的切換;有強大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),可實現(xiàn)方便存儲、查詢,并可以自動生成、打印制式檢定證書。

　2   讀數(shù)圖像自動識別

　　多數(shù)光學經(jīng)緯儀,往往只能人工讀取其度盤數(shù)據(jù)。為了提高檢定效率和精確度,系統(tǒng)采用了圖像自動識別裝置,其主要由CCD攝像頭、圖像采集卡、專用夾具、計算機識別軟件等部分組成。如圖3所示, CCD攝像頭通過專用夾具安裝在瞄準經(jīng)緯儀的讀數(shù)窗口上,攝取帶有讀數(shù)圖像的信息經(jīng)圖像采集卡變換處理后,由圖像處理軟件進行圖像增強、閾值設(shè)定及二值化處理。在對度盤分劃粗定位的基礎(chǔ)上進行字符定位分割,然后利用預先建立的標準字符模板進行過篩連通模板匹配,自動識別出度盤的度分數(shù)值。為了精確檢測識別出代表分、秒的讀數(shù)分劃線信號,采用了亞象限細分技術(shù)和刻線傾斜校正技術(shù),通過計算刻線矩心來實現(xiàn)細分定位,使刻線定位精度達到1″以內(nèi),大大提高了光學系統(tǒng)讀數(shù)精度。最后對識別出的度值以及檢測出的分、秒值進行合成,自動輸出識別結(jié)果[1-2]。

　　3　各儀器之間的通訊

　　系統(tǒng)綜合運用中斷與查詢方式成功地開發(fā)了CCD高精度自跟蹤自準直儀、便攜式工控機、被檢測經(jīng)緯儀的通信程序,解決了串行方式下實時多機通訊問題;利用動態(tài)連接庫技術(shù)實現(xiàn)了圖像采集卡與工控機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　3·1　光電經(jīng)緯儀與工控機的通訊

　　對于具有串行通訊能力的經(jīng)緯儀,根據(jù)其與計算機之間的串行通訊協(xié)議,利用MicroSoft提供的MSComm控件,采用查詢方式,首先發(fā)送握手數(shù)據(jù),待硬件握手成功后,可以按需要通過串行接口發(fā)送不同數(shù)據(jù)來分別接收度盤讀數(shù)和CCD失準角。在系統(tǒng)中采用了循環(huán)檢測的方式,對串行接口進行操作。在程序中靈活地引入系統(tǒng)時間取得相鄰兩組發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間差,作為判斷相鄰兩組接收數(shù)據(jù)之間的時間差的近似值,對經(jīng)緯儀的狀態(tài)實施實時監(jiān)控,提高了人機交互程度,保證了檢定系統(tǒng)與儀器之間的同步,而且可以在系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)之前濾除明顯的無效數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的效率。

　　3·2　CCD高精度自跟蹤光電自準直儀與工控機的通訊

　　針對CCD高精度自跟蹤光電自準直儀,根據(jù)其與計算機之間的串行通訊協(xié)議,引入另一個MSComm控件,采取中斷觸發(fā)的方式,設(shè)置其RThreshold屬性當儀器面板上按下“開通訊”按鈕后,儀器開始向工控機發(fā)送數(shù)據(jù),當工控機串口接受到的字節(jié)數(shù)等于其MSComm控件RThreshold屬性所設(shè)置的值時,觸發(fā)OnComm事件,接收CCD高精度自跟蹤光電自準直儀的數(shù)據(jù)。程序從接收到的一組數(shù)據(jù)中,找到三個標志位,即起始位、結(jié)束位和中間位(用于分隔方位角和俯仰角),即可分離出所需要的角度值,再將其格式輸出顯示在程序的界面上[3]。

　　3·3　圖像采集卡與工控機的通訊

　　由于自動檢定系統(tǒng)檢定程序采用VB6·0開發(fā)環(huán)境平臺,而圖像自動識別裝置中圖像采集卡的全部函數(shù)都是廠家提供的標準的C語言函數(shù),需處理大量的數(shù)據(jù),因而為了實現(xiàn)對讀數(shù)圖像的動態(tài)采集、處理和識別,確保識別程序的實時性和準確性,檢定系統(tǒng)采用了調(diào)用DLL的方式進行識別和圖像顯示。

　　動態(tài)連接庫DLL類似于運行函數(shù)庫,程序運行期間被連接進來,不管多少程序使用DLL,內(nèi)存中只有一個DLL的副本,沒有程序使用它時,系統(tǒng)就將它移出內(nèi)存,減少了對內(nèi)存和磁盤的要求。*·DLL文件的布局和*·EXE文件類似,但有一最重要的不同之處--DLL文件包含一個輸出表,該輸出表包含了DLL對其它可執(zhí)行程序輸出的每個函數(shù)名,這些函數(shù)是DLL的入口點。自動檢定系統(tǒng)中采用VC++6·0自動生成的Win32動態(tài)連接庫,動態(tài)連接庫中包括對圖像的動態(tài)識別、參數(shù)設(shè)置和顯示模塊。Visual Basic通過De-clare來訪問DLL,其編譯器根據(jù)聲明確定參數(shù),檢查數(shù)據(jù)類型, VB在運行期間也根據(jù)聲明處理參數(shù),進行壓棧、出棧的管理工作。程序在共用模塊中聲明了DLL過程,可以象使用VB關(guān)鍵字或用戶定義的VB過程一樣,方便地使用DLL中的函數(shù),從而完成圖像識別和顯示

　4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件采用VB 6·0和VC++6·0混合編程方式,在WindowsXP環(huán)境下開發(fā),支持操作平臺為Win-dowsXP/98/2000。系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)總控模塊、通訊模塊、光電光學設(shè)備檢測、數(shù)據(jù)庫管理查詢、檢定結(jié)果統(tǒng)計分析、打印和幫助等模塊組成。軟件系統(tǒng)主要完成檢測數(shù)據(jù)的記錄、整理、計算和結(jié)果分析評定等。

整個處理軟件由主控程序模塊、通信模塊、計算數(shù)據(jù)處理誤差分析模塊和結(jié)果分析判斷模塊、數(shù)據(jù)庫查詢模塊等組成。數(shù)據(jù)通信模塊主要負責通信參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)及指令的傳輸和校驗等。數(shù)據(jù)計算模塊是按照規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法對數(shù)據(jù)進行計算處理。計算結(jié)果最后經(jīng)分析判斷處理后輸出顯示。數(shù)據(jù)處理過程如圖4所示。

　　5　不確定度評定

　　在光學儀器檢定中,一般有兩種方式,一是單項指標由單臺儀器檢定,其檢定不確定度由該單臺儀器的精度保證;二是綜合指標由多臺儀器構(gòu)成一個系統(tǒng)來檢定,檢定精度及可靠性由系統(tǒng)測量不確定度來保障

經(jīng)緯儀的基本操作為：對中、整平、瞄準和讀數(shù)。                                    

(一)對中
對中的目的是使儀器度盤中心與測站點標志中心位于同一鉛垂線上。操作步驟為：
張開腳架，調(diào)節(jié)腳架腿，使其高度適宜，并通過目估使架頭水平、架頭中心大致對準測站點。
從箱中取出經(jīng)緯儀安置于架頭上，旋緊連接螺旋，并掛上錘球。如錘球尖偏離測站點較遠，則需移動三腳架，使錘球尖大致對準測站點，然后將腳架尖踩實。
略微松開連接螺旋，在架頭上移動儀器，直至錘球尖準確對準測站點，最后再旋緊連接螺旋。
(二)整平
整平的目的是調(diào)節(jié)腳螺旋使水準管氣泡居中，從而使經(jīng)緯儀的豎軸豎直，水平度盤處于水平位置。其操作步驟如下：
1．旋轉(zhuǎn)照準部，使水準管平行于任一對腳螺旋[如圖 3-7A ]。轉(zhuǎn)動這兩個腳螺旋，使水準管氣泡居中。
2．將照準部旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)動第三個腳螺旋，使水準管氣泡居中[如圖3-7B]
圖3-7  整平
3．按以上步驟重復操作，直至水準管在這兩個位置上氣泡都居中為止。使用光學對中器進行對中、整平時，首先通過目估初步對中(也可利用錘球)，旋轉(zhuǎn)對中器目鏡看清分劃板上的刻劃圓圈，再拉伸對中器的目鏡筒，使地面標志點成像清晰。轉(zhuǎn)動腳螺旋使標志點的影像移至刻劃圓圈中心。然后，通過伸縮三腳架腿，調(diào)節(jié)三腳架的長度，使經(jīng)緯儀圓水準器氣泡居中，再調(diào)節(jié)腳螺旋精確整平儀器。接著通過對中器觀察地面標志點，如偏刻劃圓圈中心，可稍微松開連接螺旋，在架頭移動儀器，使其精確對中，此時，如水準管氣泡偏移，則再整平儀器，如此反復進行，直至對中、整平同時完成。
瞄準
瞄準目標的步驟如下：
1．目鏡對光：將望遠鏡對向明亮背景，轉(zhuǎn)動目鏡對光螺旋，使十字絲成像清晰。
2．粗略瞄準：松開照準部制動螺旋與望遠鏡制動螺旋，轉(zhuǎn)動照準部與望遠鏡，通過望遠鏡上的瞄準器對準目標，然后旋緊制動螺旋。
3．物鏡對光：轉(zhuǎn)動位于鏡筒上的物鏡對光螺旋，使目標成像清晰并檢查有無視差存在，如果發(fā)現(xiàn)有視差存在，應(yīng)重新進行對光，直至消除視差。
4．精確瞄準：旋轉(zhuǎn)微動螺旋，使十字絲準確對準目標。觀測水平角時，應(yīng)盡量瞄準目標的基部，當目標寬于十字絲雙絲距時，宜用單絲平分；目標窄于雙絲距時，宜用雙絲夾?。挥^測豎直角時，用十字絲橫絲的中心部分對準目標位，

讀數(shù)
讀數(shù)前應(yīng)調(diào)整反光鏡的位置與開合角度，使讀數(shù)顯微鏡視場內(nèi)亮度適當，然后轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡目鏡進行對光，使讀數(shù)窗成像清晰，再按上節(jié)所述方法進行讀數(shù)。
 

該系統(tǒng)在檢定中針對不同類型的經(jīng)緯儀采用了相應(yīng)的自動化讀數(shù)系統(tǒng),大大降低了檢定工作的勞動強度,提高了效率,減少了人為因素的影響;系統(tǒng)的檢定不確定度符合要求,確保了檢定精度,真正實現(xiàn)了快速、精確檢定。