基于PDA全站儀對盾構機空間圓的檢測

徐壽志，程鵬飛，吳秀娟

（1.武漢大學測繪學院，湖北武漢 430079；2.國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830；3.國家光電測距檢測中心，北京 100039）

一、引 言

在工業(yè)測量中，經常需要對空間圓形物體或圓柱體進行檢測，通過測量得到其空間圓的圓心、半徑、圓度，以及平整度等相關信息，以確定該工業(yè)器件是否滿足設計要求。PDA作為一種新型的個人掌上電腦，內置功能強大的Windows Mobile操作系統(tǒng)，能夠與全站儀、GPS進行實時通信，近年來在測繪行業(yè)也有了一些應用。文獻［1］研究和開發(fā)了基于PDA的全站儀橋梁檢測系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)具有良好的輸入、輸出、管理分析等功能，較好地滿足了橋梁檢測的需要；文獻［2］研究和解決了PDA在野外數(shù)字測圖中的應用問題，實現(xiàn)了數(shù)字測圖的內外業(yè)結合，提高了工作效率。而通過PDA控制全站儀在工業(yè)測量中的應用相對較少。本文通過PDA控制全站儀，以盾構機的法蘭為例，對其進行檢測，解算出法蘭的圓形參數(shù)。而在實際測量中由于空間物體過大，全站儀一測站無法觀測空間圓形物體的全部輪廓，經常需要搬站測量，此時需要通過PDA對全站儀采集數(shù)據進行坐標轉換，將數(shù)據統(tǒng)一到一個坐標系下再進行解算。

二、空間圓形物體檢測方法

1.PDA和全站儀的數(shù)據通信

全站儀的通信方式通常有4種:紅外、藍牙、串口同步、串口異步，本文采用藍牙通信的方式。全站儀的通信參數(shù)有:串口號、波特率、奇偶檢校位、數(shù)據位、停止位，且全站儀的參數(shù)應與PDA參數(shù)設置一致才能通信。全站儀的通信指令:不同品牌的全站儀的指令都不太一樣，不過大同小異，都是通過這些指令對全站儀進行控制，以徠卡全站儀為例，根據實際測量需要選擇通訊指令。本文采用的通信指令為 GET/M/WI31/WI21/WI22/WI81/WI82/WI83，具體表示為斜距、水平角、豎直角、N、E、H。PDA開發(fā)程序串口通信的過程為:①打開串口，通過CreateFile函數(shù)打開串口；② 配置串口，通過SetCommState函數(shù)來配置通信參數(shù)，當全站儀的串口配置與PDA的參數(shù)配置匹配以后才能通信；③讀寫串口，通過ReadFile和WriteFile函數(shù)完成數(shù)據的讀寫工作；④關閉串口，通過CloseHandle函數(shù)來完成。

2.全站儀一站測量檢測方法

當物體較小可以通過全站儀一個測站進行測量，首先通過全站儀自由設站的方法測量空間物體上面均勻分布的點，將這些點利用球面方程進行擬合，并使它們在一個球面上；然后再根據這些點擬合出其平面方程，通過球面方程和平面方程聯(lián)立即可求得物體的圓形參數(shù)。具體過程如下:

空間圓球方程

通過間接平差模型

則

空間平面方程

平面方程中的4個參數(shù)存在線性關系，取D=1，代入式（4）得

通過間接平差求得平面方程的參數(shù)，并與空間球面方程聯(lián)立求解出空間圓形物體的半徑、圓度和平整度。各點圓度和平整度計算公式為

式中，（ox，oy，oz）為空間圓形物體的圓心坐標；r0為空間圓形物體的半徑；Δr為圓度；Δd為平整度。

3.全站儀多站測量檢測方法

由于場地限制，或由于障礙物遮擋視線時，需要多次設站。在廠房中一般無控制點，這樣多站之間需要通過公共點進行坐標轉換，將坐標統(tǒng)一到一個坐標系下。以兩個測站為例通過全站儀自由設站方法進行坐標數(shù)據采集，具體過程如下:

1）首先連接PDA和全站儀，進行通信參數(shù)設置，使它們能夠正常的數(shù)據通信。

2）在第一個測站上通過自由設站，先觀測兩個公共點（一般至少兩個公共點），然后在空間圓形物體上進行選點測量。

3）搬站時，也是自由設站先觀測兩個公共點，然后對空間圓形物體的剩余部分進行選點測量。

4）通過PDA中的坐標轉換模塊將采集到的兩測站坐標數(shù)據統(tǒng)一到一個坐標系上，然后再進行空間球面擬合和空間平面擬合聯(lián)合解算空間圓形物體參數(shù)，具體過程見上一節(jié)。坐標轉換方法如圖1所示。

圖1 坐標轉換示意圖

坐標轉換公式為

式中，x0、y0、h0為平移參數(shù)；α 為旋轉參數(shù)。

由于式（8）進行解算時需要線性化，可以將該公式進行簡化。在實際測量過程中，儀器需要精確整平，使得xoy面水平，這樣式（8）可轉換為

根據式（3）解算出坐標轉換參數(shù)（x0，y0，h0，cos α，sin α），再根據式（8）將兩坐標系統(tǒng)一到相同坐標系中，最后進行空間圓參數(shù)解算。

三、工程實例

在盾構機的建造過程中，需要對其組成構件進行檢測，從而確定其參數(shù)是否符合設計要求。通過PDA控制全站儀進行數(shù)據采集，可以對盾構機的圓形構件進行檢測。本文采用徠卡TCR402全站儀，用一個小工件沿著法蘭的邊緣利用全站儀無反射棱鏡進行觀測，法蘭的采集數(shù)據見表1。

表1 盾構機法蘭的采集數(shù)據 m

將采集到的數(shù)據導到PDA中進行圓形參數(shù)解算。其解算結果:圓心坐標為（-8.857 6 m，11.067 6 m，-1.7272 m），直徑為2.9916 m，周長為9.398 7 m。各點的圓度和平整度見表2，已知圓的直徑為2.992 0 m，測量所得結果的誤差為-0.4 mm。

表2 法蘭的圓度和平整度解算結果 mm

四、結束語

本文以盾構機的法蘭為例，介紹了通過PDA控制全站儀解算空間圓形物件的圓形參數(shù)的方法，通過該方法可以確定圓形物體的圓心、半徑、圓度和平整度。數(shù)據采集過程中應取圓形物體上均勻分布的點，并且取的點應盡量在一個平面上。該方法較盾構機圓形參數(shù)確定的傳統(tǒng)方法相比可操作性好、省時、省力，該方法同樣適用于工業(yè)測量中的其他圓形物體的參數(shù)確定，具有一定的參考價值。

［1］ 劉國軍.基于PDA全站儀橋梁檢測系統(tǒng)研究［D］.重慶:重慶交通大學，2009.

［2］ 吳宗祥.PDA控制全站儀的測繪模式研究［D］.昆明:昆明理工大學，2007.

［3］ 葛永慧，趙剛，楊曉琴.PDA與全站儀的串口通信［C］∥《測繪通報》測繪科學前沿技術論壇論摘要集.北京:測繪出版社，2008.

［4］ 李建平，張柏，徐志強.基于EVC的PDA和全站儀數(shù)據通信［J］.測繪科學，2005，30（6）:87-89.

［5］ 易致禮，劉韶軍.全站儀與PDA及其藍牙通信研究［J］.測繪通報，2010（7）:33-36.

［6］ 潘國榮，陳曉龍.空間圓形物體數(shù)據擬合新方法［J］.大地測量與地球動力學，2008，28（2）:92-94.

［7］ 張晶，黃琴，蘭紅軍，等.工程測量中空間圓的擬合方法研究［J］.計量與測試技術，2011，38（9）:31-32.

［8］ 劉學求，沈彥文.基于多公共點基準轉換的計算方法及精度評定［C］∥2007全國測繪科技信息交流會暨信息網成立30周年慶典論文集.北京:［s.n.］，2007.

［9］ 楊國清，張予東.平面控制網四參數(shù)法坐標轉換與殘差內插［J］.測繪通報，2010（11）:48-50.