Как работает автоматическая калибровка в сканере Trimble X7
Это перевод на русский язык статьи “Inside the Trimble X7: Deep Dive into Trimble X7 Auto-Calibration”.
Возможно, вы уже знаете про уникальный сканер, который калибруется без использования целей и вмешательства пользователя. Благодаря технологии Trimble X-Drive сканер Trimble X7 имеет возможность калибровать себя самостоятельно и обеспечивать данные сканирования высокого качества.
В этой статье будет рассказано про технологии, заложенные в основу автоматической калибровки Trimble X7, и про их преимущества при сканировании. Будут рассмотрены следующие вопросы:
- Автоматическая калибровка
- Встроенный коллиматор
- Автоматическая калибровка углов
- Автоматическая калибровка расстояний
- “Разумная” калибровка
- Возврат вложений
- Перечень характеристик и их преимуществ
Автоматическая калибровка
Прежде чем вдаваться в детали, давайте рассмотрим простую аналогию. Для выполнения калибровки современных сканеров требуется специализированное сервисное оборудование весом до 200 кг и стоимостью в пару сотен тысяч долларов. Теперь представьте миниатюрный вариант этого оборудования внутри Trimble X7, который позволяет автоматически откалибровать его в любом месте. Один из секретов заключается в подставке, внутри которой встроенный коллиматор выполняет все калибровки углов и измеряет погрешности согласования главных осей вращения.
Рисунок 1: Миниатюрный коллиматор, встроенный в подставку
Trimble X7 автоматически калибрует угловые и линейные измерения, подобно тому, как это делает стандартное оборудование для калибровки сканеров, но с намного меньшими требованиями. Дальномер и блок развертки интегрированы в центральный блок сканера. В блоке развертки находится высокоскоростной сервомотор и система декодирования. Расположенное в центральном блоке зеркало позволяет определять наклон горизонтальной оси вращения. Кроме того, в алидаду вертикального круга интегрированы стандартный привод от тахеометра и система декодирования углов, что обеспечивает вращение всего центрального блока (включающего блок развертки и дальномер) вокруг горизонтальной оси аналогично тому, как это происходит в тахеометрах.
Встроенный коллиматор
Впервые в оптическом инструменте встроенный в подставку коллиматор позволяет полностью автоматизировать процесс калибровки. Для измерения погрешностей по главным осям не требуются цели и вмешательство пользователя.
Излучаемый инструментом лазерный пучок с помощью камеры встроенного коллиматора может измеряться по всему радиусу, в то время как система привода алидады разворачивает центральный блок в различные положения. Традиционный процесс измерения коллимационных погрешностей по горизонтали и вертикали по одному направлению визирования (как это делается в тахеометрах) получает расширенные возможности благодаря выполнению большого числа измерений вдоль множества линий визирования по всему диапазону 360°. Это стало возможным благодаря комбинации системы привода вертикального круга Trimble X-Drive, размещенной в алидаде, и системы развертки для сканирования.
Такая процедура автокалибровки предоставляет множество преимуществ. Первое преимущество заключается в том, что поскольку система декодирования на алидаде заимствована из тахеометров, то её точность не превышает 3” и гарантирует, что сканер будет правильно откалиброван в каждом точно известном положении блока развертки для надежного определения коллимационной ошибки и места нуля. Эта процедура также учитывает все остаточные рассогласования осей внутри сканера, а также погрешности декодера системы развертки и влияние скорости вращения. Например, в случае, когда пучок дальномера и ось вращения системы развертки не совпадают, то плоскость сканирования не будет идеальной, а будет слегка наклонена.
На Рисунке 3 показан график эффекта несогласования между лазером дальномера и осью вращения. При таком эффекте данные распределяются по закону синуса/косинуса. Кривая может быть откалибрована благодаря встроенному коллиматору и приводу внутри алидады вертикального круга. В полевых условиях такая само-калибровка может быть выполнена с помощью измерения нескольких точек на различных вертикальных углах и сбора количества измерений, достаточного для обеспечения характеристик заявленной точности.
Автоматическая калибровка углов
Калибровка углов выполняется с помощью двойной системы отклонения по вертикали X-Drive, которая калибрует угловую точность вращающегося зеркала, используя сервомотор и автоколлиматор. Определяются и применяются величины коллимационных погрешностей, то есть отклонения горизонтальной, вертикальной и визирной осей.
Распределение ошибок сканера
В идеальном случае все оси перпендикулярны друг другу (как показано на рисунке ниже), но на практике такое невозможно, и поэтому требуется использовать поправки.
Шаг 1: Определение погрешности горизонтальной оси вращения. Если горизонтальная ось не перпендикулярна вертикальной оси, то веер скана становится наклонным.
Шаг 2: Определение погрешности установки зеркала развертки. Если 45° зеркало развертки не соответствует в точности 45°, то веер скана становится наклонным конусом.
Шаг 3: Определение погрешности согласования оси сервомотора блока развертки. Если ось мотора не точно выровнена с лазерным пучком, то наклонный конус получит вдобавок синусоиду
Режимы коллимации
При выполнении автоматической калибровки встроенный коллиматор используется в двух различных режимах:
- Режим автоколлимации – камера встроенного коллиматора измеряет зеркало центрального блока с передней и задней сторон для определения погрешности горизонтальной оси вращения.
- Режим коллимации – камера встроенного коллиматора выполняет измерения при различных отклонениях по вертикальному углу для определения коллимационных погрешностей по горизонтали и вертикали.
Измерения и вычисления встроенного коллиматора
Определение коллимационных погрешностей визирной оси по горизонтали и вертикали – это автоматический процесс перемещения трубы по вертикали таким образом, чтобы визирная ось лазера была направлена прямо в надир. Лазерный пучок будет распознан камерой встроенного коллиматора в подставке и измерен в центре тяжести. Не меняя вертикального положения, инструмент начнет выполнять полный поворот по горизонтали с непрерывными точечными измерениями по матрице камеры. Полученная по точкам фигура образует окружность с центром, представляющим положение вертикальной оси.
Требуется как минимум два измерения при постоянном горизонтальном угле и нескольких направлениях по вертикали. Эта пара точек определяет линию, на которую будет спроецирован центр окружности. Отклонение равно коллимационной ошибке по вертикальному кругу. Расстояние между центром окружности и её проекцией определяет слепую зону или сумму погрешностей горизонтальной оси вращения инструмента “k” и коллимационной ошибки “c”. В случае, если погрешность горизонтальной оси известна, вычисляется коллимационная ошибка по вертикальному кругу.
Автоматическая калибровка расстояний
Точный электронный дальномер – ключевая составляющая качества лазерного сканера. Качество облака 3D точек зависит от согласованности и надежности дальномера в самых сложных условиях работы. В сканере X7 интегрирована собственная технология Trimble обеспечения измерений геодезического класса точности. Одной из решенных задач была гарантия точности расстояний на всей дальности работы инструмента, при любых температурах и любых условиях отражения. Для этого Trimble интегрировал в дальномер инновационную процедуру калибровки, которая выполняется перед началом каждого скана.
Дальномер в X7 импульсного типа. Его типовая схема показана на Рисунке 5.
Лазер получает команду отправить мощный лазерный импульс. В это же время сигнал “Start” отправляется в АЦП времени (TDC) для запуска “секундомера”. Лазерный импульс распространяется до объекта со скоростью света. Небольшая величина лазерного излучения отражается от объекта, возвращается назад в трубу и обнаруживается фотоприемником. Фотоприемник измеряет уровень сигнала и отправляет сигнал останова в АЦП, который останавливает “секундомер”, в результате чего определяется время распространения сигнала и вычисляется расстояние. X7 работает в расширенном температурном диапазоне от -20°C до +50°C. Кроме того, он имеет очень большой динамический диапазон, что означает, что он может обнаруживать оптические сигналы как очень слабого, так и очень высокого уровня. Для достижения высокой точности измерения абсолютного расстояния в X7 также используется инновационная методика автокалибровки.
На Рисунке 6 показана модифицированная схема дальномера, в которой копия излучаемого лазером импульса проходит сквозь калибровочную линию.
Эта линия калибровки имеет исключительно стабильное откалиброванное опорное расстояние и встроенный регулируемый оптический аттенюатор (VOA), который позволяет изменять уровень сигнала импульса. Перед началом каждого скана измеряется расстояние, позволяя импульсу пройти сквозь линию калибровки при всех возможных уровнях сигнала. Результат такой калибровки показан на Рисунке 7.
Поскольку нам точно известно опорное расстояние в линии калибровки, то мы знаем, какие поправки в расстояние нужно применять для сигналов различного уровня. Поэтому при выполнении скана в каждое измеренное расстояние мы вносим поправку для всех уровней сигнала в соответствии с поправочным графиком на Рисунке 7.
Благодаря такому инновационному подходу владельцы X7 могут быть уверены в качестве каждого скана в любых условиях измерений.
“Разумная” калибровка
Функция автокалибровки учитывает температуру и освещённость окружающей среды, вибрацию и температуру инструмента, а также его вертикальную скорость для оптимизации всего процесса. В обычных условиях полная автоматическая калибровка занимает около 25 секунд, а в сложных условиях (высокая окружающая освещенность или вибрация из-за ветра или от земли) этот процесс автоматически адаптируется и занимает до 45 секунд. Также система эффективно стабилизируется при изменениях температуры, в результате чего время калибровки может увеличиться, а может и не потребоваться вовсе. Инструмент успешно калибруется даже после тряски и вибрации при перевозке. Внутренние и внешние условия непрерывно отслеживаются, и при необходимости схема безопасности выполняет повторную калибровку для обеспечения точности системы.
“Разумная” автоматическая калибровка углов и расстояний обеспечивает высокое качество данных без дополнительных затрат и простоев, вызываемых необходимостью регулярной калибровки в сервис-центре.
Примечание: несмотря на то, что калибровка компенсирует воздействие тряски и вибрации, пользователь должен беречь инструмент. В руководстве пользователя даны полезные советы по уходу и хранению сканера, а также по его правильной установке.
Возврат вложений
Механическая конструкция и автокалибровка Trimble X7 позволят вам снизить стоимость владения и быстрее окупить затраты. Стоимость ежегодной калибровки сканера может достигать от $3,500 до $6,000 в первый год владения. Средние затраты на калибровку составят $19,000 за пять лет, при этом сюда ещё не входят затраты на перевозку и простой бригады. Компании могут покрывать затраты на ежегодную калибровку с помощью расширенной гарантии, но и её средняя стоимость составляет около $5,200 в год, так что затраты за дополнительные 4 года составят $20,800. Trimble X7 единственный сканер на рынке с гарантией 2 года, в течение которых вам не нужно заботиться о её продлении, а после которых её стоимость составит менее половины от средней цены в отрасли.
Также имеются потери прибыли от простоев. Обычно услуга калибровки занимает от 2 до 3 недель, и это не включая время доставки. В общем вы можете ожидать отсутствие сканера в работе около месяца. Средняя дневная ставка для сканера $1,500, поэтому потеря 20 рабочих дней на сервисное обслуживание обернется потерями $30,000. Даже если вы используете сканер 2-3 дня в неделю, вы потеряете сумму $12,000-$18,000 за месяц обслуживания.
Если учесть экономию от исключения ежегодной калибровки и невысокую стоимость гарантии, то только один сканер X7 может за пять лет потенциально сберечь сумму, достаточную для приобретения еще одного сканера – просто за счет низкой стоимости обслуживания.
Перечень характеристик и их преимуществ
