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(xué)讀數(shù)圖像自動識別裝置及各儀器與計算機(jī)的通訊,并對系統(tǒng)的測量不確定度進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)、打印機(jī)等組成。系統(tǒng)裝備體積小、重量輕、車載機(jī)動、使用方便。

　　CCD高精度自跟蹤光電自準(zhǔn)直儀可對反光鏡的微小方位角位移進(jìn)行高精度測量,并顯示反光鏡相對于自準(zhǔn)直儀光軸的雙坐標(biāo)角位移。利用單線陣CCD器件的像元自掃描能力測量自準(zhǔn)直光斑回像的位置,使準(zhǔn)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(biāo)位置,換算出二維小角度。自準(zhǔn)儀采用了8031單片機(jī)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(qiáng),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(dá)到新的水平。

綜合檢測儀主要由專用水平準(zhǔn)直光管、俯仰準(zhǔn)直光管、升降調(diào)整機(jī)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(jìn)的CAOD光學(xué)設(shè)計,自動平衡各項光學(xué)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(yuǎn)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(zhǔn)的分辨率和對準(zhǔn)精度。

　　專用多齒分度臺主要由一對多齒盤和升降、鎖緊機(jī)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(fù)定位誤差≤0·05″,利用多齒臺精密分度原理,可以準(zhǔn)確地檢測出瞄準(zhǔn)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(zhǔn)直儀對經(jīng)緯儀進(jìn)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(jī)進(jìn)行計算。便攜式工控機(jī)與被檢經(jīng)緯儀通過RS-232串口進(jìn)行通訊,完成對CCD方位偏差角(失準(zhǔn)角)信號、度盤角值的數(shù)據(jù)采集和處理。便攜式工控機(jī)通過由CCD攝像頭、圖像采集卡、專用夾具、計算機(jī)識別軟件等組成的光學(xué)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(jìn)行靈活的切換;有強(qiáng)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(xué)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(jī)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(zhǔn)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(jìn)行圖像增強(qiáng)、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(jìn)行字符定位分割,然后利用預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)字符模板進(jìn)行過篩連通模板匹配,自動識別出度盤的度分?jǐn)?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(xì)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(xì)分定位,使刻線定位精度達(dá)到1″以內(nèi),大大提高了光學(xué)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(jìn)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(zhǔn)直儀、便攜式工控機(jī)、被檢測經(jīng)緯儀的通信程序,解決了串行方式下實時多機(jī)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(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　3·1　光電經(jīng)緯儀與工控機(jī)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(jī)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?jǐn)?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(zhǔn)角。在系統(tǒng)中采用了循環(huán)檢測的方式,對串行接口進(jìn)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(jī)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(zhǔn)直儀與工控機(jī)的通訊

　　針對CCD高精度自跟蹤光電自準(zhǔn)直儀,根據(jù)其與計算機(jī)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(dāng)儀器面板上按下“開通訊”按鈕后,儀器開始向工控機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)工控機(jī)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(zhǔn)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(biāo)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性,檢定系統(tǒng)采用了調(diào)用DLL的方式進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(fù)責(zé)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(jìn)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(xué)儀器檢定中,一般有兩種方式,一是單項指標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)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(yuǎn)，則需移動三腳架，使錘球尖大致對準(zhǔn)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(zhǔn)確對準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)部，使水準(zhǔn)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(zhǔn)管氣泡居中。
2．將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)動第三個腳螺旋，使水準(zhǔn)管氣泡居中[如圖3-7B]
圖3-7  整平
3．按以上步驟重復(fù)操作，直至水準(zhǔn)管在這兩個位置上氣泡都居中為止。使用光學(xué)對中器進(jìn)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(biāo)志點成像清晰。轉(zhuǎn)動腳螺旋使標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)管氣泡偏移，則再整平儀器，如此反復(fù)進(jìn)行，直至對中、整平同時完成。
瞄準(zhǔn)
瞄準(zhǔn)目標(biāo)的步驟如下：
1．目鏡對光：將望遠(yuǎn)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(zhǔn)：松開照準(zhǔn)部制動螺旋與望遠(yuǎn)鏡制動螺旋，轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部與望遠(yuǎn)鏡，通過望遠(yuǎn)鏡上的瞄準(zhǔn)器對準(zhǔn)目標(biāo)，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(biāo)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(jìn)行對光，直至消除視差。
4．精確瞄準(zhǔn)：旋轉(zhuǎn)微動螺旋，使十字絲準(zhǔn)確對準(zhǔn)目標(biāo)。觀測水平角時，應(yīng)盡量瞄準(zhǔn)目標(biāo)的基部，當(dāng)目標(biāo)寬于十字絲雙絲距時，宜用單絲平分；目標(biāo)窄于雙絲距時，宜用雙絲夾??；觀測豎直角時，用十字絲橫絲的中心部分對準(zhǔn)目標(biāo)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(dāng)，然后轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡目鏡進(jìn)行對光，使讀數(shù)窗成像清晰，再按上節(jié)所述方法進(jìn)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(qiáng)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。