測量機(jī)器人無儀器高法測設(shè)高程

范 本，許輝熙，朱坤奠

（1. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2. 成都云隆科技有限公司，四川 成都 610045）

測量機(jī)器人無儀器高法測設(shè)高程

范 本1，許輝熙1，朱坤奠2

（1. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2. 成都云隆科技有限公司，四川 成都 610045）

全站儀無儀器高法測設(shè)高程需要測量人員反復(fù)照準(zhǔn)、讀數(shù)和計(jì)算。測量機(jī)器人的自動(dòng)化和智能化特性，可以解決無儀器高法高程測設(shè)時(shí)繁雜的人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)具有一定自動(dòng)化的高程測設(shè)。

測量機(jī)器人；無儀器高；高程測設(shè)；施工放樣

對(duì)一些高低起伏較大的工程放樣，如大型體育館的網(wǎng)架、橋梁構(gòu)件、廠房及機(jī)場屋架等，可以使用全站儀無儀器高法直接放樣高程[1]。全站儀無儀器高法不需要量取儀器高，但在定待測設(shè)點(diǎn)的時(shí)候需要進(jìn)行多次調(diào)整，數(shù)據(jù)計(jì)算和重復(fù)操作給測設(shè)帶來很大不便。測量機(jī)器人可在一定范圍內(nèi)自動(dòng)搜索棱鏡，自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)，通過一定的接口技術(shù)與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化操作。本文研究了測量機(jī)器人無儀器高法高程測設(shè)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

1 全站儀無儀器高法原理

如圖1，欲測設(shè)建筑物上待測設(shè)點(diǎn)B的高程，在O點(diǎn)設(shè)置儀器，在已知水準(zhǔn)點(diǎn)A和待測設(shè)點(diǎn)B上設(shè)置目標(biāo)棱鏡（兩棱鏡高相同，設(shè)為l），后視A點(diǎn)，測得斜距S1和垂直角α1；前視目標(biāo)點(diǎn)B，測得斜距S2和垂直角α2（Δh1、Δh2為前后視棱鏡距全站儀中心水平視線高差），則有 ：

從而推出：

圖1 全站儀無儀器高法原理

在實(shí)際測設(shè)中，測站點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的水平距離一般都比較遠(yuǎn)，在使用式（1）計(jì)算HB時(shí)應(yīng)該考慮地球曲率與大氣折光的誤差影響。設(shè)OA、OB水平距離分別為D1（D1=S1·cosα1）、D2（D2=S2·cosα2），則式（2）變?yōu)椋?/p>

式中，K為大氣垂直折光系數(shù)；R為地球曲率半徑。得到HB之后，通過與設(shè)計(jì)高程進(jìn)行對(duì)比，指揮并測設(shè)出B點(diǎn)高程。

2 測量機(jī)器人無儀器高測設(shè)高程流程

為減少計(jì)算工作量，使用筆記本電腦通過在線控制測量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測設(shè)。整體思路為：①計(jì)算機(jī)與測量機(jī)器人聯(lián)機(jī)；②采集必要的測量數(shù)據(jù)，包括測站距目標(biāo)點(diǎn)水平距離、垂直角；③根據(jù)軟件提示進(jìn)行放樣；④下一點(diǎn)測設(shè)。測設(shè)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)圖

3 測量機(jī)器人無儀器高測設(shè)高程實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

所使用的測量機(jī)器人為徠卡TS30。TS30測角精度為0．5"，有棱鏡測距精度為0．6 mm + 1×10-6，鎖定模式測量時(shí)間＜0．15 s[2]。無儀器高法測設(shè)高程精度主要受測垂直角和測距的影響，TS30在測角測距方面的精度優(yōu)勢可以保證高程測設(shè)的精度要求。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件采用VB編寫，主要包含以下幾大功能：

1）儀器聯(lián)機(jī)。為確保成功調(diào)用GeoCOM中的函數(shù)語句，需要把對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫和徠卡公司提供的功能模塊添加到項(xiàng)目工程中[3]。函數(shù)的參數(shù)都可以在參考目錄[4]中查找。①使用函數(shù)VB_COM_Init()初始化GeoCOM接口[5]。②使用函數(shù)VB_COM_ OpenConnection(Port, Baud, Retries)，設(shè)置儀器與計(jì)算機(jī)間通信參數(shù)，打開通信端口。

2）點(diǎn)位信息采集[6,7]。在點(diǎn)位信息采集前要對(duì)儀器進(jìn)行必要的設(shè)置，如棱鏡模式、測距模式、大氣改正等設(shè)置。用到的函數(shù)主要有：①儀器自動(dòng)粗瞄時(shí)，使用搜索目標(biāo)函數(shù)VB_AUT_Search2(Hz，V，bDummy)，參數(shù)Hz和V分別代表儀器搜索水平角和天頂距范圍（單位rad），bDummy為預(yù)留參數(shù)，一般設(shè)為False[7]。② 儀器粗瞄完成后，進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)，使用函數(shù)VB_AUT_ FineAdjust3(DSrchHz,dSrchV,bDummy)，參數(shù)DSrchHz、dSrchV應(yīng)設(shè)置為比較小的數(shù)據(jù)，如0．03、0．05。③測角測距函數(shù)VB_BAP_MeasDistanceAngle(BAP_DEF_DIST, Hz，V，distance)，各參數(shù)分別為水平角、天頂距和斜距。④放樣過程中，為了減少連續(xù)的瞄準(zhǔn)操作，把儀器的EDM測量模式設(shè)置成鎖定（Lock）模式。此模式下，儀器會(huì)持續(xù)采集測量數(shù)據(jù)并把前視棱鏡采集的數(shù)據(jù)返回給軟件，軟件通過實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指導(dǎo)放樣功能。

3）指導(dǎo)放樣。利用已知水準(zhǔn)點(diǎn)高程和測得的前后視目標(biāo)的垂直角和斜距，按式（3）計(jì)算待測點(diǎn)高程H′B，然后由待測點(diǎn)已知高程HB計(jì)算 ΔHB= HB-H′B，利用得到的數(shù)據(jù)按照軟件提示指導(dǎo)放樣。

4）換站/下一站。使用換站功能，會(huì)把前后視點(diǎn)信息采集的數(shù)據(jù)全部清空。因此，當(dāng)搬站到下一測站，前后視信息需重新采集。若不需換站，使用下一點(diǎn)功能。這時(shí)，后視點(diǎn)信息采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)存在，前視點(diǎn)數(shù)據(jù)清空。在需測設(shè)的下一點(diǎn)安置棱鏡，儀器大致瞄準(zhǔn)進(jìn)行前視點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，按照指示進(jìn)行高程測設(shè)即可。

4 精度分析

由式（3）不難看出，無儀器高法高程測設(shè)精度主要受測距和測角精度影響。對(duì)式（3）進(jìn)行微分，轉(zhuǎn)化為中誤差公式：

由式（4）可見，測距誤差對(duì)測設(shè)誤差的影響，隨著前后視相對(duì)垂直角及相對(duì)距離的增大而增大；測角誤差對(duì)測設(shè)的影響隨著相對(duì)垂直角的增大而增大；測距影響大于測角影響。假設(shè)前視點(diǎn)垂直角為60°，前視平距500 m，后視垂直角為30°，后視平距500 m，根據(jù)式（4）進(jìn)行精度估算mH=3．07 mm。前面假設(shè)都是極限條件，實(shí)際中，在使用無儀器高法測設(shè)高程時(shí)，由相應(yīng)規(guī)范，橋梁構(gòu)件等高程測設(shè)允許偏差為±3 mm[8]，因此使用此方法測設(shè)高程完全滿足精度要求。

使用TS30測量機(jī)器人進(jìn)行無儀器高高程測設(shè)，具有以下特點(diǎn)：①除架設(shè)儀器和前后視轉(zhuǎn)方向外，測設(shè)過程中繁瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算和精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)等完全不需要人為干預(yù)。②此研究支持帶有ATR功能的徠卡其他型號(hào)測量機(jī)器人，如TCA2003、TPS1200系列、TM30等。③可以應(yīng)用于廠房、橋梁、基坑等高差較大的工程領(lǐng)

[1] 張正祿,李廣云,潘國榮,等．工程測量學(xué)[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2005

[2] 徠卡測量系統(tǒng)有限公司．徠卡TS30產(chǎn)品手冊(cè)[Z]．徠卡測量系統(tǒng)有限公司,2009

[3] 范百興,李宗春,李廣云,等．基于放樣原理的特種罐內(nèi)測法容量計(jì)量技術(shù)[J]．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2008,25(5):372-375

[4] Leica TPS1200+ Leica TS30/TM30 GeoCOM Reference Manual[Z]． Leica Geosystems AG,Heerbrugg Switzerland,2009

[5] 陳秀忠,錢林．地理數(shù)據(jù)通信接口技術(shù)在自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．測繪通報(bào),2010(1):42-44

[6] 范本,劉星,青舟．測量機(jī)器人在線施工放樣軟件研究[J]．測繪,2011,34(6):256-258

[7] 范本．基于測量機(jī)器人TM30技術(shù)地鐵隧道建設(shè)自動(dòng)變形監(jiān)測研究[D]．重慶:重慶大學(xué),2012

[8] GB50026—2007．工程測量規(guī)范[S]．

[9] 鄔昱昆,王義修,葛妹．測量機(jī)器人變形監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的研究[J]．地理空間信息,2007,5(6):121-123

P258

B

1672-4623（2014）04-0042-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.014

范本，碩士，主要從事工程測量及變形監(jiān)測的教學(xué)與研究工作。

2013-09-29。

項(xiàng)目來源：國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（KLGSIT2013-10）。