Leica型測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)研究

郭春生

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，中國(guó) 上海200438)

0 概述

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 全站儀的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(Automatic Target Recognition）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回，經(jīng)儀器內(nèi)置的CCD 相機(jī)接受并判斷后，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，自動(dòng)精確確定棱鏡中心的位置，代替大量人工照準(zhǔn)目標(biāo)枯燥、繁瑣的調(diào)焦和精確照準(zhǔn)工作。

瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TPS 系列測(cè)量機(jī)器人提供了GeoCOM 接口技術(shù)，可以對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)測(cè)量程序的定制。

GeoCOM 接口是一個(gè)函數(shù)包，其封裝了用戶與徠卡全站儀進(jìn)行通訊交互時(shí)調(diào)用儀器上的子系統(tǒng)所需的客戶端調(diào)用接口：例如控制全站儀進(jìn)行動(dòng)作，計(jì)算地理數(shù)據(jù)等。 這些接口類似于全站儀內(nèi)部的機(jī)載程序，用戶通過全站儀COM 口向全站儀發(fā)送一系列可識(shí)別的ASC 碼指令，全站儀響應(yīng)后，再把執(zhí)行結(jié)果通過COM 口發(fā)還給用戶。

1 技術(shù)流程

本系統(tǒng)使用的是TS30 全自動(dòng)全站儀，該儀器測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為 lmm±1ppm*D(D 為所測(cè)距離)，轉(zhuǎn)速為 180°/秒，正倒鏡的轉(zhuǎn)換只需2.9 秒，非常有利于進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)。 本系統(tǒng)利用C#，開發(fā)機(jī)載觀測(cè)程序，測(cè)量思路如下：

（1）工程配置：設(shè)定工程的 2C 差、2C 互差、歸零差、測(cè)回互差、測(cè)距誤差等限差；

（2）測(cè)站配置：輸入測(cè)站名、 儀器高以及測(cè)站的三維坐標(biāo)；

（3）學(xué)習(xí)點(diǎn)配置：輸入觀測(cè)點(diǎn)名稱、 棱鏡高， 確認(rèn)后測(cè)量，得到學(xué)習(xí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

（4）重復(fù)步驟3，完成所有學(xué)習(xí)點(diǎn)的測(cè)量；

（5）設(shè)定測(cè)回?cái)?shù)，開始測(cè)量，儀器按照全圓觀測(cè)法，對(duì)所有待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行指定測(cè)回?cái)?shù)的測(cè)量， 測(cè)量完成后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；

（6） 若發(fā)生觀測(cè)誤差超限的情況， 儀器自動(dòng)重測(cè)；（重測(cè)規(guī)則：①對(duì)上半測(cè)回歸零差超限以及其它原因未測(cè)完的測(cè)回， 都可以立即重測(cè)。 ②若零方向的2C 互差超限或下半測(cè)回的歸零差超限，則應(yīng)重測(cè)整個(gè)測(cè)回。 C.某一測(cè)回距離互差超限，應(yīng)重測(cè)該整個(gè)測(cè)回。 ）

（7）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平差處理，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中；

（8）導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，保存為Excel2003 格式。

2 通訊方案

變形監(jiān)測(cè)任務(wù)中往往會(huì)遇到操作人員無法直接碰觸儀器的場(chǎng)景，同時(shí)任務(wù)又要求數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的更新與獲取。 全站儀自身提供的Rs232 電纜線可用距離非常短（1.5m），無法將觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、有效的送達(dá)到遠(yuǎn)程的操作人員。 當(dāng)有新的測(cè)量任務(wù)或測(cè)量目標(biāo)更改時(shí),遠(yuǎn)程操作人員無法將指令及時(shí)下達(dá)至全站儀。 本文采用的技術(shù)路線：

（1）全站儀通過RS232 電纜與藍(lán)牙適配器連接；

（2）藍(lán)牙適配器與前端工業(yè)級(jí)PDA 通過藍(lán)牙連接；

（3）工業(yè)級(jí)PDA 采用GPRA 與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。

以上連接均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的雙向通訊，通訊路線如下圖：

圖1 測(cè)量機(jī)器人開發(fā)通訊解決方案

為保證觀測(cè)系統(tǒng)可靠性，測(cè)量指令采用配置文件的形式保存在前端工業(yè)PDA 內(nèi)，PDA 測(cè)量模塊有微電腦功能和GPRS 通訊功能。 測(cè)量模塊與全站儀連接，按預(yù)定時(shí)間點(diǎn)驅(qū)動(dòng)全站儀觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制端的通訊。 遠(yuǎn)程控制端也可把修改的配置信息發(fā)往測(cè)量模塊，或指揮測(cè)量模塊即時(shí)開始測(cè)量。

3 工程案例及數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目介紹

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型基坑監(jiān)測(cè)工程。 為儀器通視要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在6 米高的儀器臺(tái)上，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2。

圖2 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

為評(píng)價(jià)儀器臺(tái)的穩(wěn)定性， 在周邊的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，歷次觀測(cè)前采用后方交會(huì)方法實(shí)時(shí)糾正儀器臺(tái)的坐標(biāo)，然后實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。

根據(jù)平差理論，以全站儀的方向，角度，邊長(zhǎng)為觀測(cè)值的平面網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用間接平差的函數(shù)模型來進(jìn)行求解,如圖3 所示：

圖3 觀測(cè)示意圖

圖中，j 為全站儀測(cè)站，h、k 為已知控制點(diǎn)， 則方向jk 的角度觀測(cè)值的誤差方程在k 為已知點(diǎn)時(shí)就可以寫為[8]：

另外，當(dāng)k 為已知點(diǎn)時(shí)，jk 的測(cè)邊誤差方程可以寫為[8]：

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立誤差方程，在程序中可寫為：

角度方程：

AXi(I,0)=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi(I,1)=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi(I,0)=Azf-CtrPnts(I).Hz

邊長(zhǎng)方程：

AXi(I,0)=Dxb/Dstb

AXi(I,1)=Dyb/Dstb

ALi(I,0)=Dstb-BianChang(I)

利用程序?qū)Ψ匠踢M(jìn)行迭代計(jì)算， 最終求得測(cè)站坐標(biāo)的改正值（x，y），圖4、圖5 所示。

圖4 測(cè)站點(diǎn)x 坐標(biāo)變化曲線

圖5 測(cè)站點(diǎn)y 坐標(biāo)變化曲線

上圖選取的是一天之內(nèi)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)x，y 曲線，由于儀器臺(tái)是一根6 米高的鐵柱，如圖6 所示,熱脹冷縮比較嚴(yán)重，圖中可以看出，在晴天,測(cè)站的坐標(biāo)跟日照的關(guān)系有著很大的相關(guān)性：夜間無日照，測(cè)站坐標(biāo)平滑穩(wěn)定；白天日出，測(cè)站坐標(biāo)開始偏移，并在午間日照最大時(shí)達(dá)到頂峰，隨后逐漸回落，夜間又開始平穩(wěn)。說明了獲取數(shù)據(jù)后平差處理的必要性。

3.2 數(shù)據(jù)差分

在利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)量過程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等等，采用差分的方法可以消除或減弱這些誤差的影響，以提高測(cè)量的精度。 而差分技術(shù)要求一周期的測(cè)量時(shí)間不能太長(zhǎng)，測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)就能夠滿足這一要求。所以本程序中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用差分的方法進(jìn)行處理。

（1）距離差分

因?yàn)闇y(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)位于非變形區(qū)域，可以認(rèn)為它們之間的距離是不變的[7]，設(shè)監(jiān)測(cè)站至某參考點(diǎn)的己知的斜距為dj, 在監(jiān)測(cè)過程中，某一時(shí)刻該方向距離的實(shí)測(cè)值為dj′,兩者之間的差異可以認(rèn)為是由于氣象條件變化引起的，則氣象改正的比例系數(shù)為：

Δd=（dj- dj′）/dj′

為保證氣象改正比例系數(shù)的可靠性，程序中取所有參考點(diǎn)測(cè)定的氣象改正系數(shù)的平均數(shù)△d，來用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離測(cè)量數(shù)據(jù)D 進(jìn)行改正。

（2）角度差分

長(zhǎng)期的無人看守自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中，儀器不可避免的產(chǎn)生水平度盤零方向的變化，對(duì)方位角的影響是不可忽略的[6]。 在變形監(jiān)測(cè)中，所求變形量均是相對(duì)于第一期而言的，所以可把參考點(diǎn)第一次測(cè)量的方位角Hzj作為基準(zhǔn)方位角，利用參考點(diǎn)觀測(cè)值和平差后的測(cè)站坐標(biāo)可以計(jì)算本次測(cè)量的方位角Hzj′與基準(zhǔn)方位角相比，有一個(gè)差異ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同樣，取所有參考點(diǎn)的角度差分平均值ΔHz，對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hz進(jìn)行改正。 圖6、7 顯示了差分后的計(jì)算對(duì)比，結(jié)果是顯而易見的。

圖6 未差分的計(jì)算結(jié)果

圖7 差分后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用GeoCOM 控制全站儀進(jìn)行變形觀測(cè)數(shù)據(jù)采集，大幅度的提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)的不間斷觀測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無人值守，節(jié)省了大量人力,采集的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過平差和差分后也有較好的可靠性，用戶能清晰地看到儀器與電腦通訊過程 ,并及時(shí)處理通訊及遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)出現(xiàn)的各種情況。 并且通過裝備藍(lán)牙或者GPRS 工業(yè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)電腦操作幾臺(tái)全站儀，在工程測(cè)量當(dāng)中有著較好的開發(fā)前景。