专利名称：全站仪自动精确照准系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动测量系统，特别是具体涉及一种基于全站仪的全 自动照准系统。
背景技术：
目前对使用的各种全站仪的自动化程度均很高，无论从软件还是
硬件均已做到很强的功能，但仍然不能做到精密全自动施测，其主要
原因是仍须人工精确照准，这不仅降低了全站仪的自动化程度，而且
给施测的成果带入了许多人为的误差。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种全站仪的全自动照准
系统，该系统可用于各种全站仪的自动施测，并且照准的精度和速度
远远高于人工，从而大大提高全站仪的自动化程度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案本发明全站 仪自动精确照准系统，由全站仪的伺服系统、反射镜伺服系统、定位 传感器组、MCU控制电路及电源等组成，所述全站仪伺服系统、反
射镜伺服系统分别设置MCU控制的伺服装置，其MCU通过无线数传模 块进行信息交流:全站仪的激光束照射到反射镜，反射镜的MCU通过 定位传感器的信号控制其伺服系统动作；反射镜的MCU通过无线数 传模块向全站仪MCU发出信号，控制全站仪旋转。
本发明所述反射镜镜面中心的法线指向全站仪的激光光源，反射 镜的MCU通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号，控制全站仪沿水 平方向逆时针旋转。
本发明所述全站仪伺服系统包括MCU控制电路及与全站仪CPU 的接口电路、无线数传模块、水平与竖直向的快速旋转伺服、水平与 竖直向的微动旋转伺服自动安平底坐，(上述部件之间的连接关系)。 所述快速旋转伺服装置由带减速箱的伺服马达和一橡胶轮组成，将所 述旋转伺服装置分别固定于全站仪的底坐上和竖直度盘外侧，使橡胶 轮紧密贴合需驱动装置的金属外壳上。所述微动旋转伺服由带减速箱 的伺服马达、微调驱动轮、锁紧驱动轮、外壳、扭力传感器等组成， 所述微动旋转伺服装置插入全站仪的微调螺旋，所述微调驱动轮与所 述锁紧驱动轮将分别套紧全站仪的微调螺旋和锁紧螺旋。所述带减速 箱的伺服马达将通过驱动所述的微调驱动轮和锁紧驱动轮来驱动全 站仪的微调螺旋和锁紧螺旋，在驱动锁紧螺旋的减速箱内设置有扭力 传感器。所述驱动锁紧螺旋的减速箱的侧壁粘贴箔式应变计，检测因 扭力而导致的减速箱侧壁的变形，全站仪MCU可通过检测扭力传感器 的信号来控制所述带减速箱的伺服马达的动作。
本发明所述传感定位装置在对中传感器驱动与保护支架上设置 一个对中传感器旋转支架，所述旋转支架的 一端固定有对中传感器， 旋转支架在保护支架内马达的驱动及限位传感器的控制下可使对中 传感器旋出保护支架并使其主光轴与反射镜镜面的中心法线重合。对 中传感器旋进保护支架，在所述反射镜护套中对称于反射镜的中心沿 垂直向和水平向各嵌入了两个辅助对中传感器，所述辅助对中传感 器与所述对中传感器结构基本相同。所述传感器由外壳、镀有滤光膜 的凸透镜、光伏器件等组成，所述镀有滤光膜凸透镜对全站仪发出的 激光敏感，其主光轴与圆柱外壳的轴线重合，四片形状相同的光伏器 件分上下左右对称于主光轴分布。所述对中传感器的上下两片接入一
个电压差动放大器，全站仪MCU将根据这个放大器的输出来控制反射 镜沿竖直面的旋转动作。所述对中传感器的左右两片接入另一电压差 动放大器，反射镜MCU将根据这个放大器的输出来控制反射镜沿水平 面的旋转动作。
本发明所述对中传感器同时四片光伏器件的输出还将分别经放
大进入模数转换器，反射镜MCU将采集这四个电压值并累加存入一个
特定的暂存器；所述对中传感器与所述四个辅助对中传感器的主光轴
均法向于反射镜镜面。所述对中传感器与所述四个辅助对中传感器在
反射镜MCU控制全站仪沿水平和竖直方向作小角度微动的过程中，反 射镜MCU通过对存入所述特定的暂存器的电压累加值的比较来确定 全站仪投射在反射镜镜面的激光光斑的等光强的边缘。
本发明与现有技术相比具有照准的精度高，速度快，从而大大提 高全站仪的自动化程度等优点。
图1是本发明全站仪的全自动照准系统结构示意图。 图2是本发明反射镜伺服系统结构示意图。 图3是本发明调平螺旋驱动集成结构示意图。 图4是本发明传感器结构示意图。 图5是本发明快速旋转伺服装置结构示意图。 图6是本发明微动旋转伺服结构示意图。 具体实施例
下面结合
对本发明作进一步详细的描述如图l所示， 本发明提供了一种基于全站仪的全自动照准系统，该系统由全站仪伺
服系统、反射镜伺服系统、定位传感器组l、无线数传模块MCU控制 电路2及电源等组成。在全站仪3和反射镜4分别设置MCU控制的伺 服系统，全站仪3的伺服系统包括竖直向微动旋转伺服7、水平向锁 紧与旋转伺服8和水平底座伺服9，全站仪3和反射镜4的MCU通过 无线数传模块做信息交流，当全站仪3的激光束照射到反射镜4时，
反射镜4的MCU即会通过定位传感器1的信号控制其伺服系统动作，
使反射镜4镜面中心的法线指向全站仪3的激光光源，同时反射镜4 的MCU通过无线数传模块向全站仪3的MCU发出信号，令全站仪3沿 水平方向逆时针旋转，当其激光束偏出反射镜4的镜面时，反射镜4 的MCU向全站仪3的MCU发出信号使其顺时针旋转，当激光光斑的边 缘(以光强变化的梯度化分)通过反射镜4的中心时，反射镜4上的定 位传感器1将感知，且反射镜4的MCU会指示全站仪3的MCU存储全 站仪3水平码盘的读数，当激光光斑的另一边缘通过反射镜4的中心 时，反射镜4的MCU又将指示全站仪1的MCU存储全站仪水平码盘的 第二个读数，这种照准模式可消除仪器内部机械的隙动差，此时全站 仪1的MCU将会算出激光光斑的中心所对应的水平码盘的读数，并按 此读数控制其伺服系统做水平动作，亦即使激光光斑的竖轴对准反射 镜4的中心，如果全站仪3的视准轴与其激光光斑的中心进行过严格 的校准，此时，全站仪3望远镜的十字丝竖线将切在反射镜4的中心 上。接下来全站仪3的MCU通过其伺服系统控制全站仪1的望远镜5 竖直方向作自上而下的偏转，当其激光束偏出反射镜4的镜面时，反 射镜4的MCU向全站仪1的MCU发出信号使其作自下而上的偏转，当 激光光斑的上边缘通过反射镜4的中心时，反射镜4上的定位传感器 1将感知，且反射镜4的MCU会指示全站仪3的MCU存储全站仪竖直 码盘6的读数，当激光光斑的另一边缘通过反射镜4的中心时，反射 镜4的MCU又将指示全站仪1的MCU存储全站仪竖直码盘6的第二个 读数，此时全站仪3的MCU将会算出激光光斑的中心所对应的竖直码
盘6的读数，并按此读数控制其伺服系统7做竖直向的动作，亦即使
激光光斑的横轴对准反射镜4的中心，此时，全站仪3望远镜5的十 字丝横线将切在反射镜4的中心上，完成了水平角和竖直角的读数 后，全站仪3的MCU会通知反射镜4的MCU将中心定位传感器1收入 保护架中，并控制全站仪3完成测距。
如附图2所示的反射镜4伺服系统，该系统由反射镜及护套21、 对中传感器组24、水平与竖直向旋转驱动装置30、 33、自动安平底 座35 、 MCU控制电路、无线数传模块及电源等组成；反射镜4为通 用的测距反射镜，固定于反射镜护套21中，反射镜护套21和对中传 感器驱动与保护支架(以下简称保护支架)结为一体为28，且护套 21与保护支架28上均伸出一根旋转轴，两根轴分别与反射镜旋转支 架25的两端连接，且两根轴的中轴线重合并穿过反射镜4的光学中 心，形成一根水平旋转轴，所述保护支架28上设置有对中传感器旋 转支架32，所述旋转支架32的一端固定有对中传感器24，旋转支架 32在保护支架28内马达的驱动及限位传感器的控制下可使对中传感 器旋出保护支架32并使所述对中传感器24的主光轴与反射镜4镜面 的中心法线重合，当测距时又可使对中传感器旋进保护支架28; MCU 控制电路、无线数传模块及电源等均集成于保护支架28中；保护支 架28与反射镜旋转支架25之间设置有竖直向旋转驱动齿盘30，该 齿盘30为两个半径不同的齿轮固结在一起，齿盘30可沿保护支架 28上伸出的旋转轴旋转，保护支架28上安置有一微步进马达29，马 达29的转轴上固结有一小齿轮，该齿轮与所述齿盘30的半径较大的
齿轮啮合，在反射镜旋转支架25的相对所述保护支架28的一端也固
定有一步进马达31，该步进马达31通过一齿轮与所述齿盘30的半 径较小的齿轮啮合，所述步进马达31通过驱动所述齿盘30上半径较 小的齿轮使反射镜4在竖直平面内作较快速旋转，所述微步进马达 29通过驱动所述齿盘30上半径较大的齿轮使反射镜4在竖直平面内 作微小角度的旋转；所述反射镜旋转支架25上固结有一竖轴，所述 竖轴的中轴线穿过反射镜4的光学中心并与所述的反射镜4水平旋转 轴正交，所述竖轴通过一个带码盘的水平向旋转驱动盘33 (以下简 称驱动盘)与自动安平底座35连接，所述驱动盘33包括水平向旋转 驱动齿盘、微步进马达、步进马达、光电式旋转编码盘，所述水平向 旋转驱动齿盘33类似于上述的竖直向旋转驱动齿盘30，所述驱动盘 33在反射镜MCIJ的控制下可通过驱动所述竖轴驱动反射镜在水平面 内作较快速和微小角度的旋转，借助所述的光电式旋转编码盘，反射 镜MCU可记住反射镜4指向某个全站仪3时的方位角；所述自动安平 底座35由上板和下板通过三个调节螺旋联结，三个调节螺旋呈等角 分布于以上下板的中心为圆心的圆周上，上板和下板之间还设置有两 个调平螺旋驱动集成34。
如附图3所示，所述调平螺旋驱动集成34由伺服马达41、减速 箱42和绝对式旋转编码器43组成，所述绝对式旋转编码器通过减速 箱42与伺服马达41联动，所述两个调平螺旋驱动集成34分别与两 个调平螺旋啮合，反射镜MCU可通过所述两个调平螺旋驱动集成34 驱动两个调平螺旋以使所述自动安平底座35的上板保持水平，同时
可依据两个所述绝对式旋转编码器的输出算出上下板中心间的高差；
本发明设计有多种定位传感器l，因为激光器所发出的激光在传 播的过程中会作均匀的发散，在到达反射镜4镜面时会形成一个圆形 的光斑，而在法向激光轴的任一空间平面内，光斑中心处的光线与光
斑边沿处的光线会产生光程差，在反射镜4的周边设置几组干涉型光 纤传感器，通过检测投射到反射镜4平面内激光光斑不同点的光程
差，以及激光光斑移动过程中的不同点的光程差符号的变化，通过反
射镜4的MCU控制反射镜4作空间角度的改变，同时指示全站仪3作 光束指向调整的配合，即可使反射镜4的中心法线与激光轴趋于重 合；在图2中，本发明的实施例示出了一种传感定位装置；在所述对 中传感器驱动与保护支架28上设置一个对中传感器旋转支架，所述 旋转支架的一端固定有对中传感器24，旋转支架在保护支架内马达 的驱动及限位传感器的控制下可使对中传感器24旋出保护支架并使 其主光轴与反射镜4镜面的中心法线重合，当测距时又可使对中传感 器旋进保护支架，另外在所述反射镜护套21中对称于反射镜4的中 心沿垂直向和水平向各嵌入了两个辅助对中传感器22，所述辅助对 中传感器22与所述对中传感器24结构基本相同。
如附图4所示，传感器由外壳44、镀有滤光膜的凸透镜45、光
伏器件46等组成，所述镀有滤光膜凸透镜45只对全站仪3发出的激
光敏感，其主光轴与圆柱外壳44的轴线重合，四片形状相同的光伏
器件46分上下左右对称于主光轴分布，且所述对中传感器24的上下
两片接入一个电压差动放大器，反射镜MCU将根据这个放大器的输出
来控制反射镜4沿竖直面的旋转动作；所述对中传感器24的左右两
片接入另一电压差动放大器，反射镜MCU将根据这个放大器的输出来
控制反射镜沿水平面的旋转动作，同时四片光伏器件46的输出还将
分别经放大进入模数转换器，反射镜MCU将采集这四个电压值并累加
存入一个特定的暂存器；四个辅助对中传感器22的输出信号只为反 射镜MCU在确定全站仪3的激光光斑的中心时提供参照，所述对中传 感器24与所述四个辅助对中传感器22的主光轴均法向于反射镜4镜面。
当全站仪1的激光束指向反射镜4时，激光光斑即会落在所述 对中传感器24上，那么进入所述对中传感器24的光线将被所述镀有 滤光膜凸透镜45聚焦为一圆斑并投射于所述光伏器件46上，如果反 射镜4的中心法线未指向全站仪3的激光光源，那么所述圆斑将偏离 所述对中传感器24的主光轴，这样上述的电压差动放大器将会有输 出，反射镜MCU将根据电压差动放大器的输出来控制所述反射镜伺服 系统动作直至进入所述对中传感器24的光线形成的圆斑位于所述对 中传感器24的主光轴上而使所述的两个电压差动放大器的输出均为 零。随后，反射镜MCU将通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号， 要求全站仪3激光束做小角度(例如2秒)的先左右后上下的偏转， 过程中反射镜MCU会不断采集四片光伏器件的输出的累加值，取最大 值U存入一个特定的暂存器。
接下来反射镜MCU将通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号， 令全站仪沿水平方向逆时针微动旋转，同时反射镜MCU会不断采集四 片光伏器件46的输出的累加值Ui，当Ui〈二K利(K〈1为一经验值) 时，视为激光光斑偏出反射镜的镜面，反射镜MCU向全站仪MCU发出 信号使其重新顺时针微动旋转，同时反射镜MCU会不断采集四片光伏 器件46的输出的累加值Ui，当Ui^利，视为激光光斑的边缘通过反 射镜的中心，反射镜MCU会指示全站仪MCU存储全站仪水平码盘的读 数，随着全站仪3沿水平方向顺时针微动旋转，反射镜MCU采集的累 加值Ui将由小到大，再由大到小，当Ui<=K*U，视为激光光斑的另 一边缘通过反射镜4的中心，反射镜MCU又将指示全站仪MCU存储全 站仪水平码盘的第二个读数，此时全站仪MCU将会算出激光光斑的中心所对应的水平码盘的读数，即第一个读数加二分之一乘两读数的 差，并按此读数控制其伺服系统做水平动作，亦即使激光光斑的竖轴 对准反射镜的中心，如果全站仪的视准轴与其激光光斑的中心进行过
严格的校准，此时，全站仪望远镜的十字丝竖线将切在反射镜4的中
心上。接下来全站仪MCU通过其伺服系统控制全站仪的望远镜竖直方 向作自上而下的偏转，当其激光束偏出反射镜4的镜面时，反射镜
MCU向全站仪MCU发出信号使其作自下而上的偏转，当激光光斑的上 边缘通过反射镜4的中心时，反射镜MCU会指示全站仪MCU存储全站 仪竖直码盘的读数，当激光光斑的另一边缘通过反射镜4的中心时， 反射镜MCU又将指示全站仪MCU存储全站仪竖直码盘的第二个读数， 此时全站仪MCU又会算出激光光斑的中心所对应的竖直码盘的读数， 并按此读数控制其伺服系统做竖直向的动作，亦即使激光光斑的横轴 对准反射镜的中心，此时，全站仪3望远镜的十字丝横线将切在反射 镜4的中心上，完成了水平角和竖直角的读数后，全站仪MCU会通知 反射镜MCU将中心定位传感器收入保护架中，并控制全站仪完成测距， 利用这种装置及上述的对中方法，可将全站仪3的激光光轴较正并与 全站仪3的视准轴完全重合。
本发明全站仪伺服系统包括全站仪MCU控制电路及与全站仪 CPU的接口电路、无线数传模块、水平与竖直向的快速旋转伺服、水 平与竖直向的微动旋转伺服、自动安平底座，MCU控制电路及无线数 传模块为共识技术，在此不赘述；对于水平与竖直向的旋转伺服，有 的全站仪3可通过自身的CPU控制，对于此种全站仪3，只需通过全 站仪MCU与全站仪CPU作指令交流即可，自动安平底坐与上面的基本 相同，以下仅就没有水平与竖直向的旋转伺服的全站仪，提供一种快 速旋转伺服与微动旋转伺服实施例；
如附图5所示，快速旋转伺服装置由带减速箱51的伺服马达 52和一橡胶轮53组成，将所述旋转伺服装置分别固定于全站仪3的 底坐上和竖直度盘外侧，使橡胶轮53紧密贴合需驱动装置的金属外 壳上即可，以不损伤全站仪3且不影响其工作为原则，这点较易办到。
如附图6所示，微动旋转伺服由带减速箱61的伺服马达62、微 调驱动轮63、锁紧驱动轮64、外壳65、扭力传感器等组成，将所述 微动旋转伺服装置插入全站仪3的微调螺旋时，所述微调驱动轮63 与所述锁紧驱动轮64将分别套紧全站仪3的微调螺旋和锁紧螺旋， 所述两个带减速箱61的伺服马达62将通过驱动所述的微调驱动轮 63和锁紧驱动轮64来驱动全站仪3的微调螺旋和锁紧螺旋，在驱动 锁紧螺旋的减速箱61内设置有扭力传感器，本发明的实施例采用的 是在驱动锁紧螺旋的减速箱的侧壁粘贴箔式应变计，以检测因扭力而 导致的减速箱侧壁的变形，全站仪MCU可通过检测扭力传感器的信号 来控制所述带减速箱的伺服马达62的动作。本发明与现有技术相比 具有照准的精度高，速度快，从而大大提高全站仪的自动化程度等优 点。
权利要求
1、一种全站仪自动精确照准系统，由全站仪伺服系统、反射镜伺服系统、定位传感器组、MCU控制电路及电源等组成，其特征在于所述全站仪伺服系统、反射镜伺服系统分别设置MCU控制的伺服装置，其MCU通过无线数传模块进行信息交流全站仪的激光束照射到反射镜，反射镜的MCU通过定位传感器的信号控制其伺服系统动作；反射镜的MCU通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号，控制全站仪旋转。
2、 根据权利要求l所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述反射镜镜面中心的法线指向全站仪的激光光源，反射镜的 MCU通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号，控制全站仪沿 水平方向逆时针旋转。
3、 根据权利要求l所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述全站仪伺服系统由MCU控制电路及与全站仪CPU的接口电 路、无线数传模块、水平与竖直向的快速旋转伺服、水平与竖 直向的微动旋转伺服组成；其中MCU控制电路及与全站仪CPU 的接口电路、无线数传模块集成，并由MCU信号控制水平与竖 直向的快速旋转伺服、水平与竖直向的微动旋转伺服动作。
4、 根据权利要求3所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于所述快速旋转伺服装置由带减速箱的伺服马达和一橡胶轮组 成，将所述旋转伺服装置分别固定于全站仪的底坐上和竖直度 盘外侧，使橡胶轮紧密贴合需驱动装置的金属外壳上。
5、 根据权利要求3所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述微动旋转伺服由带减速箱的伺服马达、微调驱动轮、锁紧 驱动轮、外壳、扭力传感器等组成，所述微动旋转伺服装置插 入全站仪的微调螺旋，所述微调驱动轮与所述锁紧驱动轮将分 别套紧全站仪的微调螺旋和锁紧螺旋。
6、 根据权利要求5所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述带减速箱的伺服马达将通过驱动所述的微调驱动轮和锁紧 驱动轮来驱动全站仪的微调螺旋和锁紧螺旋，在驱动锁紧螺旋 的减速箱内设置有扭力传感器。
7、 根据权利要求6所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于所述驱动锁紧螺旋的减速箱的侧壁粘贴箔式应变计，检测因扭力而导致的减速箱侧壁的变形，全站仪MCU可通过检测扭力传 感器的信号来控制所述带减速箱的伺服马达的动作。
8、 根据权利要求l所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述传感定位装置在对中传感器驱动与保护支架上设置一个对 中传感器旋转支架，所述旋转支架的一端固定有对中传感器， 旋转支架在保护支架内马达的驱动及限位传感器的控制下可使 对中传感器旋出保护支架并使其主光轴与反射镜镜面的中心法 线重合。
9、 根据权利要求8所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 对中传感器旋进保护支架，在所述反射镜护套中对称于反射镜 的中心沿垂直向和水平向各嵌入了两个辅助对中传感器，所述 辅助对中传感器与所述对中传感器结构基本相同。
10、 根据权利要求9所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述传感器由外壳、镀有滤光膜的凸透镜、光伏器件等组成， 所述镀有滤光膜凸透镜对全站仪发出的激光敏感，其主光轴与 圆柱外壳的轴线重合，四片形状相同的光伏器件分上下左右对 称于主光轴分布。
11、 根据权利要求10所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 且所述对中传感器的上下两片接入一个电压差动放大器，全站 仪MCU将根据这个放大器的输出来控制反射镜沿竖直面的旋转 动作。
12、 根据权利要求10所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于 所述对中传感器的左右两片接入另一电压差动放大器，反射镜MCU将根据这个放大器的输出来控制反射镜沿水平面的旋转动 作。
13、 根据权利要求10或11或12所述的全站仪自动精确照准系统，其特征在于所述对中传感器同时四片光伏器件的输出还将分别经放大进入模数转换器，反射镜MCU将釆集这四个电压值并累 加存入一个特定的暂存器；所述对中传感器与所述四个辅助对 中传感器的主光轴均法向于反射镜镜面。
14、 根据权利要求13所述的全站仪自动精确照准系统，所述对中传 感器与所述四个辅助对中传感器在反射镜MCU控制全站仪沿水 平和竖直方向作小角度微动的过程中，反射镜MCU通过对存入 所述特定的暂存器的电压累加值的比较来确定全站仪投射在反 射镜镜面的激光光斑的等光强的边缘。
全文摘要
本发明涉及自动测量系统，特别是具体涉及一种基于全站仪的全自动照准系统。本发明全站仪自动精确照准系统，由全站仪的伺服系统、反射镜伺服系统、定位传感器组、MCU控制电路及电源等组成，所述全站仪伺服系统、反射镜伺服系统分别设置MCU控制的伺服装置，其MCU通过无线数传模块进行信息交流全站仪的激光束照射到反射镜，反射镜的MCU通过定位传感器的信号控制其伺服系统动作；反射镜的MCU通过无线数传模块向全站仪MCU发出信号，控制全站仪旋转。
文档编号G01C1/00GK101114402SQ20071007598
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月16日 优先权日2007年7月16日
发明者吴定洪, 金连河 申请人:金连河