測(cè)量機(jī)器人的ATR測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)新技術(shù)*

景　琦

(中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津 300180)

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測(cè)量機(jī)器人的ATR測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)新技術(shù)*

景琦

(中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津 300180)

摘要：測(cè)量機(jī)器人采用自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)(Automatic Target Recognition，ATR)實(shí)現(xiàn)了普通棱鏡長(zhǎng)距離精確照準(zhǔn)。應(yīng)用測(cè)量全站儀ATR的功能特點(diǎn)，選用徠卡TS30為測(cè)量?jī)x器，做了大量的室內(nèi)和野外重復(fù)性測(cè)量試驗(yàn)。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，評(píng)估ATR的測(cè)角和測(cè)距重復(fù)性，進(jìn)而分析了ATR測(cè)量的可靠性。試驗(yàn)表明，ATR的測(cè)量重復(fù)性受觀測(cè)距離影響較大，隨測(cè)量距離的增大逐漸離散，且測(cè)距重復(fù)性要優(yōu)于測(cè)角重復(fù)性。重點(diǎn)研究了ATR測(cè)量的重復(fù)性，無需組網(wǎng)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，能快速、準(zhǔn)確地評(píng)估ATR的測(cè)量性能，并提供更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給ATR性能研究提供了一個(gè)新的視角。

關(guān)鍵詞：ATR；測(cè)量重復(fù)性；測(cè)量機(jī)器人TS30；螺旋式搜索

自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)(Automatic Target Recognition，ATR)是高性能全站儀所具有的一種先進(jìn)測(cè)量技術(shù)。目前，對(duì)ATR測(cè)量性能的研究主要有2種方法：一種是從測(cè)量方法上比較ATR照準(zhǔn)精度與人工瞄準(zhǔn)精度[1]，該方法雖然可以評(píng)定ATR的測(cè)量精度，但需要組建多邊形觀測(cè)網(wǎng)，試驗(yàn)方法較繁雜，而且受環(huán)境和試驗(yàn)條件影響，人工瞄準(zhǔn)存在不確定的瞄準(zhǔn)誤差，用它評(píng)估同樣不確定的ATR照準(zhǔn)精度有失偏頗；另一種也是基于ATR測(cè)量原理，從圖像處理角度分析ATR測(cè)量性能[2]，該方法主要分析ATR在不同測(cè)量光照環(huán)境的表現(xiàn)，沒有量化ATR的測(cè)量性能。本文從試驗(yàn)的角度著重研究ATR的測(cè)量重復(fù)性，無需組建觀測(cè)控制網(wǎng)，只需利用現(xiàn)有基線場(chǎng)的測(cè)線即可達(dá)到測(cè)量重復(fù)性的條件，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以及同樣的測(cè)量方法互相比較，可以更精確地評(píng)估ATR測(cè)量的可靠性。

1測(cè)量機(jī)器人ATR工作原理

ATR功能照準(zhǔn)棱鏡主要通過螺旋式搜索實(shí)現(xiàn)。具體過程是粗瞄→螺旋式搜索→照準(zhǔn)→鎖定→測(cè)量(見圖1)，即先人工手動(dòng)調(diào)整測(cè)量機(jī)器人的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)目標(biāo)棱鏡的大致方向粗略瞄準(zhǔn)，然后開啟測(cè)量功能。安置在望遠(yuǎn)鏡頭中的ATR部件帶動(dòng)望遠(yuǎn)鏡頭自動(dòng)搜索自定義窗口內(nèi)的目標(biāo)棱鏡，自定義搜索窗口可以通過儀器設(shè)置選項(xiàng)的ATR窗口來設(shè)置。TS30默認(rèn)的搜索窗口大小為水平方向搜索4°，垂直方向搜索4°[3]。自定義的窗口范圍越大，螺旋式搜索的時(shí)間越長(zhǎng)。如果望遠(yuǎn)鏡探測(cè)不到棱鏡，將從頭繼續(xù)搜索過程，即望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行螺旋式的連續(xù)運(yùn)動(dòng)(見圖2)。ATR部件一旦探測(cè)到棱鏡，照準(zhǔn)部?jī)?nèi)部的電動(dòng)機(jī)就驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡頭轉(zhuǎn)向棱鏡，鎖定目標(biāo)，開始測(cè)量，并根據(jù)回光信號(hào)，計(jì)算出十字絲中心與棱鏡中心的偏移值[4]，給出改正后的水平和垂直角度讀數(shù)，不再需要操作人員精確照準(zhǔn)和調(diào)焦。

圖1　ATR測(cè)量過程

圖2　ATR的螺旋式搜素

由于望遠(yuǎn)鏡筒的初始位置不固定，每次用ATR進(jìn)行測(cè)量時(shí)，望遠(yuǎn)鏡頭所走過的搜索路徑都不盡相同。雖然高精度測(cè)量機(jī)器人ATR的測(cè)量精度設(shè)計(jì)很小，但每次測(cè)量結(jié)果之間仍舊有差異，對(duì)測(cè)量結(jié)果和真值之間的偏離還應(yīng)考慮ATR測(cè)量重復(fù)性的影響。

2測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)

2.1重復(fù)性試驗(yàn)條件

本次重復(fù)性試驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器是經(jīng)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格的測(cè)量機(jī)器人徠卡TS30，其主要參數(shù)為：測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)差為0.5+0.5 ppm[5]；標(biāo)稱測(cè)角標(biāo)準(zhǔn)差為0.5″；ATR模式的測(cè)角標(biāo)準(zhǔn)差為1″；ATR的照準(zhǔn)精度為200 m內(nèi)優(yōu)于1 mm，1 000 m內(nèi)優(yōu)于2 mm，工作范圍為1.5～1 000 m。采用的是標(biāo)準(zhǔn)棱鏡，相對(duì)于徠卡系列的棱鏡常數(shù)是-34.4 mm。由筆者進(jìn)行觀測(cè)，保證了相同的測(cè)量程序、相同操作者和相同測(cè)量系統(tǒng)。

2.2室內(nèi)短基線試驗(yàn)

由于本文的研究對(duì)象是ATR的測(cè)量重復(fù)性，故不需要組觀測(cè)網(wǎng)，僅需在一定距離的兩端分別架設(shè)測(cè)量機(jī)器人TS30和棱鏡即可進(jìn)行觀測(cè)。本試驗(yàn)是利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)全長(zhǎng)24 m的全站儀短基線檢定臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量，將儀器和標(biāo)準(zhǔn)棱鏡分別架設(shè)在臺(tái)子兩端，精確整平對(duì)中[6-7]，除去工件尺寸，兩者之間的距離約為23.853 m。為方便比較，初始水平角置零，采用30個(gè)測(cè)回測(cè)量?jī)x器與棱鏡之間的平距、水平角值和垂直角值。為保證每次測(cè)量ATR都是重新搜索路徑，應(yīng)在每次測(cè)量前把望遠(yuǎn)鏡頭稍微調(diào)偏一點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

2.3野外長(zhǎng)基線試驗(yàn)

野外試驗(yàn)在天津海河比長(zhǎng)基線場(chǎng)進(jìn)行。該基線場(chǎng)建成于2011年，地形開闊，通視良好且各段測(cè)線長(zhǎng)度經(jīng)溯源均為已知。選擇天氣晴朗且風(fēng)力<2級(jí)的天氣，開展野外試驗(yàn)測(cè)量。選定6、7、8、9和11號(hào)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩(距離分別為47.990 6、144.007 3、264.005 1、455.999 5和960.012 6 m)作為鏡站觀測(cè)點(diǎn)，重復(fù)室內(nèi)試驗(yàn)過程，連續(xù)測(cè)30個(gè)測(cè)回，記錄儀器在各段距離上測(cè)得的平距、水平角值和垂直角值，測(cè)量數(shù)據(jù)此處略。

表1　室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

2.4ATR測(cè)量重復(fù)性評(píng)定

對(duì)測(cè)量重復(fù)性的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用比較極差和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法進(jìn)行，即：先計(jì)算每一組觀測(cè)數(shù)據(jù)的均值，再與每個(gè)觀測(cè)值計(jì)算互差，得出每條測(cè)線上測(cè)量結(jié)果的極差，然后計(jì)算測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)而表征各測(cè)量對(duì)象(即水平角、豎直角及距離)的重復(fù)性精度。

均值計(jì)算公式為：

式中，取n=30。

計(jì)算每個(gè)待測(cè)量30個(gè)測(cè)回之間測(cè)量結(jié)果的極差，即最大差值，其公式如下：

Δmax=maxnx1-minnxi

最后用單次測(cè)量結(jié)果的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差[8]，即：綜合30個(gè)測(cè)回的測(cè)量結(jié)果，用貝塞爾公式計(jì)算如下：

ATR測(cè)量重復(fù)性的評(píng)估可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)上的極差和標(biāo)準(zhǔn)差來表征[9]。經(jīng)計(jì)算，測(cè)量結(jié)果的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差與極差見表2。

表2　測(cè)量結(jié)果的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差與極差

ATR測(cè)量重復(fù)性和極差與測(cè)量距離的關(guān)系曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3　用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)定測(cè)量重復(fù)性

圖4　用極差評(píng)定測(cè)量重復(fù)性

由觀測(cè)數(shù)據(jù)可以分析得出如下結(jié)論。

1)由于ATR測(cè)量重復(fù)性受氣象因素的影響[10]，室內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。在室內(nèi)無風(fēng)、無大氣擾動(dòng)的測(cè)量環(huán)境下，對(duì)于測(cè)量機(jī)器人Leica TS30來說，ATR功能測(cè)量的重復(fù)性較好，距離測(cè)量重復(fù)性很高，最大距離差僅為0.12 mm，可以忽略不計(jì)。

2)從圖3和圖4可以看出，ATR測(cè)量重復(fù)性受距離影響較大，觀測(cè)距離越長(zhǎng)，ATR測(cè)量重復(fù)性越低。對(duì)于TS30來說，當(dāng)≤200 m時(shí)，ATR測(cè)量重復(fù)性很高；當(dāng)>200 m時(shí)，測(cè)量值逐漸離散；當(dāng)接近1 000 m時(shí)，測(cè)量值重復(fù)性偏差大幅增大。這也正好跟TS30的ATR標(biāo)稱精度和測(cè)程相符合。說明ATR測(cè)量重復(fù)性與ATR測(cè)量精度也有一定的關(guān)系。

3)測(cè)量結(jié)果的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差均可表征ATR的測(cè)量重復(fù)性，且它們對(duì)重復(fù)性的表征趨勢(shì)一致，均反映了測(cè)量重復(fù)性與測(cè)量距離的關(guān)系。

4)通過標(biāo)準(zhǔn)偏差的表征可看出，ATR測(cè)距的重復(fù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于測(cè)角重復(fù)性。

3結(jié)語

利用ATR功能進(jìn)行測(cè)量，既縮短了工作時(shí)間，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并且測(cè)量的重復(fù)性很高。但隨著測(cè)量距離的增加，ATR重復(fù)性精度逐漸變差，尤其是在最大測(cè)程附近。由于實(shí)際使用中，測(cè)量機(jī)器人的ATR功能大多是在標(biāo)稱的精確測(cè)程內(nèi)使用，如TS30一般均在200 m測(cè)程內(nèi)工作，故測(cè)量重復(fù)性很高，可用于精密測(cè)量，可靠性高。

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* 公益性地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308009)

責(zé)任編輯鄭練

The New Technology of Experimental Study on the Measuring Repeatability of Automatic Target Recognition based on Survey Robots

JING Qi

(First Monitoring Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China)

Abstract：Survey robots use the technique of automatic target recognition (ATR) to achieve long-distant precise aiming. Describe the function characteristic of ATR systems which are set in survey robots. Using Leica TS30 as represented, this research does lots of experiments both indoors and outdoors. By statistical analysis of the measuring data, repeatability of ATR to measure angle and distance are evaluated. The experiments show that the reliability of ATR is greatly influenced by observation distance. While the distance increases the measuring results disperses apparently. Besides, distance measuring repeatability is better than angular repeatability. Unlike research on aiming accuracy, this paper focuses on the ATR measuring repeatability which means this experiment is easier to operate and the observation net is not needed. Besides, measuring repeatability can also assess the performance of ATR meanwhile record more experiment data. This research offers a new view to study ATR technology.

Key words:Automatic Target Recognition (ATR), repeatability, survey robot TS30, spiral search

收稿日期：2015-08-21

作者簡(jiǎn)介：景琦(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事測(cè)繪儀器的計(jì)量檢定等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A