一種視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量方法

王欣宇，范百興，于 英，阮國偉，劉浩淼

(1．信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450001；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

通過圖像傳感器代替人眼瞄準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，是近年來測(cè)繪儀器研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究；如德國波恩大學(xué)W. Schauerte和N. Casott對(duì)以圖像傳感器為核心的光電準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究[1]；歐洲核子研究中心(CERN)將高精度工業(yè)相機(jī)和徠卡TDA5005全站儀配合進(jìn)行研究，利用相機(jī)引導(dǎo)全站儀照準(zhǔn)CCR棱鏡目標(biāo)；除此之外還有測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)、圖像全站儀、激光跟蹤儀6自由度測(cè)量[2-3]等。

在大尺寸空間坐標(biāo)測(cè)量中，為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和測(cè)量需求的多樣性，將不同測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行組合。經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)因其測(cè)量精度高、易搬站和非接觸等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，但其自動(dòng)化程度不高[4-5]，尤其在進(jìn)行航天器立方鏡準(zhǔn)直測(cè)量時(shí)是通過人工準(zhǔn)直測(cè)量的，測(cè)量效率低，人為誤差較大；而數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[6]。所以考慮將無接觸的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量，以提高適應(yīng)測(cè)量環(huán)境的能力；本文利用兩臺(tái)Leica TM5100A高精度激光馬達(dá)經(jīng)緯儀和攝像機(jī)進(jìn)行直接組合實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量。

1 相機(jī)與經(jīng)緯儀組合系統(tǒng)

經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)直速度慢自動(dòng)化程度不高，為實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量，需要在經(jīng)緯儀上加裝攝像頭裝置，使攝像頭代替人眼，其前提是盡量減少對(duì)經(jīng)緯儀的改動(dòng)，并且獲取高精度的圖像。因此要加工精密的工裝，使攝像頭和經(jīng)緯儀合理的組合起來?；谏鲜鲈瓌t，對(duì)經(jīng)緯儀TM5100A進(jìn)行改造。

1)購買800萬像素的高精度攝影頭，拆除其附屬裝置，只留下核心部件；

2)在專業(yè)配件加工單位，加工特殊固定工裝，使其和經(jīng)緯儀目鏡位置的尺寸完全配合，其主要作用是將攝像頭和經(jīng)緯儀目鏡連接工裝緊密配合，并且使攝像頭能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和微調(diào)，如圖1所示。

圖1 視覺引導(dǎo)測(cè)量裝置

3)從徠卡公司購買TM5100A專用目鏡，拆除多余配件和裝置，留下目鏡的成像和調(diào)焦裝置；

4)將攝像頭和專用目鏡通過固定工裝連接，拆除經(jīng)緯儀固有目鏡后，將改造后的視覺引導(dǎo)測(cè)量裝置固定在目鏡位置，如圖2所示。

圖2 經(jīng)緯儀視覺引導(dǎo)測(cè)量裝置

經(jīng)緯儀視覺引導(dǎo)測(cè)量工裝經(jīng)過上述改造，即可實(shí)現(xiàn)攝像頭和經(jīng)緯儀目鏡的直接配合，并可以得到清晰的目標(biāo)圖片；攝像頭采集標(biāo)志點(diǎn)或準(zhǔn)直立方鏡十字光標(biāo)圖片如圖3所示。

自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀在精密工程測(cè)量和工業(yè)測(cè)量中有著廣泛地應(yīng)用，其基本原理如圖4所示。準(zhǔn)直時(shí)將經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)處，準(zhǔn)直燈發(fā)射的光經(jīng)過聚焦鏡和45°半反射鏡后照亮十字絲分劃板，若經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸和平面鏡垂直，則分劃板十字絲的像經(jīng)物鏡形成平行光再由平面鏡反射回來與原像重合，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直測(cè)量。于是便可以通過經(jīng)緯儀的水平角和垂直角度得到立方鏡的法線方向。立方鏡如圖5所示。

圖3 攝像頭采集的目標(biāo)圖片

圖4 經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直原理示意

圖5 立方鏡

2 相機(jī)與經(jīng)緯儀組合標(biāo)定

通過編寫軟件對(duì)圖像處理獲取圖片標(biāo)志中心或準(zhǔn)直立方鏡十字光標(biāo)中心在像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)定過的系統(tǒng)模型計(jì)算經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)到該標(biāo)志點(diǎn)中心或十字光標(biāo)中心位置所需要旋轉(zhuǎn)的水平角和垂直角，從而驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀馬達(dá)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量的目的。軟件功能實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 經(jīng)緯儀視覺引導(dǎo)位姿測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)

2.1 圓形標(biāo)志點(diǎn)中心提取

由于本文經(jīng)緯儀攝像頭采集的回光反射標(biāo)志圖像一般為橢圓形，人工反射標(biāo)志圖像與背景亮度對(duì)比明顯，根據(jù)人工反射標(biāo)志的這一特性進(jìn)行圖像識(shí)別從圖像中找出標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)圖像中心坐標(biāo)進(jìn)行提取；首先通過Canny邊緣提取[7-8]確定標(biāo)志圖像的邊緣像素，再根據(jù)邊緣跟蹤[9]確定整個(gè)標(biāo)志圖像的位置。最后通過橢圓中心擬合確定標(biāo)志點(diǎn)中心位置[10-11]。標(biāo)志中心定位結(jié)果如圖7所示。

圖7 標(biāo)志中心的精確定位

2.2 準(zhǔn)直十字光中心提取

攝像頭與經(jīng)緯儀組合的直接目的是實(shí)現(xiàn)立方鏡的自動(dòng)準(zhǔn)直功能，通過圖像識(shí)別立方鏡十字光標(biāo)是自動(dòng)準(zhǔn)直的前提。

首先通過 Hessian矩陣法對(duì)準(zhǔn)直十字光線條中心進(jìn)行定位。激光條紋橫截面的光強(qiáng)分布[12-13]如圖8所示，圖中實(shí)線是一條結(jié)構(gòu)光條紋某處橫截面的光強(qiáng)分布圖，可以用圖中的拋物曲線來近似建立以光條紋中心為原點(diǎn)，光條法線方向?yàn)閄軸，灰度值為Y軸的坐標(biāo)系。

由圖8可知，光條截面的中心點(diǎn)為截面灰度分布曲線一階導(dǎo)數(shù)為零二階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值極大的點(diǎn)，從而可確定光條中心點(diǎn)。取得光條中心點(diǎn)后可通過Hough變換的直線提取的方法確定光條直線[14]，檢測(cè)出的兩條垂直光條中心線進(jìn)行交會(huì)便可得到準(zhǔn)直十字光中心坐標(biāo)。

2.3 圖像平面與十字絲關(guān)系標(biāo)定

加載攝像頭與望遠(yuǎn)鏡連接，在進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定之前首先標(biāo)定十字絲與相機(jī)圖像坐標(biāo)系之間的關(guān)系，標(biāo)定十字絲需要一個(gè)偏移量?jī)蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)量，十字絲中心點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)圖像中心點(diǎn)的偏移量，以及十字絲雙絲相對(duì)于圖像坐標(biāo)系的(x,y)軸的旋轉(zhuǎn)角θ，如圖9所示紅色十字絲代表經(jīng)緯儀十字絲，黑色虛線代表圖像坐標(biāo)系軸線。

圖9 十字絲標(biāo)定原理

通過搜索圖像中十字絲附近范圍像素點(diǎn)灰度值最小的點(diǎn)來獲取十字絲上的橫絲點(diǎn)像素和豎絲點(diǎn)像素的先驗(yàn)信息。然后以此為基準(zhǔn)進(jìn)行橫向和縱向搜索，分別獲取十字絲橫絲和豎絲上的若干個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)，通過最小二乘擬合的方法，獲取橫絲和豎絲的最佳擬合直線，兩條直線的交點(diǎn)，即為十字絲中心點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

十字絲與CCD坐標(biāo)系都屬于平面坐標(biāo)系，兩者之間的標(biāo)定即求得一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)θ和兩個(gè)平移參數(shù)(tX,tY),圖像坐標(biāo)系上點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，則十字絲坐標(biāo)為

(1)

通過使用TS30和TCA2003代替TM5100A進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果如表1和表2所示。

表1 TS30-攝像機(jī)十字絲標(biāo)定結(jié)果

表2 TCA2003-攝像機(jī)十字絲標(biāo)定結(jié)果

2.4 相機(jī)與經(jīng)緯儀組合標(biāo)定

2.4.1 標(biāo)定原理

視覺引導(dǎo)測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是確定像素坐標(biāo)與經(jīng)緯儀角度之間的函數(shù)關(guān)系；其標(biāo)定很困難，尤其是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)定更加困難。本文采取如下方法進(jìn)行標(biāo)定：

1)照準(zhǔn)某個(gè)目標(biāo)區(qū)域，通過聯(lián)機(jī)控制軟件，獲取經(jīng)緯儀當(dāng)前的水平和垂直角度值(Hz1,V1)；用鼠標(biāo)獲取視場(chǎng)內(nèi)某個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的先驗(yàn)像素信息，并以此為基礎(chǔ)，自動(dòng)搜索并提取得到該標(biāo)志點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)值(X1,Y1)。

2)用軟件驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度(ΔHz,ΔV)，一般要小于30′，確保旋轉(zhuǎn)后測(cè)量標(biāo)志仍在視場(chǎng)范圍內(nèi)；測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)中心像素坐標(biāo)相應(yīng)變化(ΔX,ΔY)。

3)通過聯(lián)機(jī)測(cè)量軟件獲取旋轉(zhuǎn)后的水平和垂直角度值(Hz2,V2)，用鼠標(biāo)獲取旋轉(zhuǎn)后視場(chǎng)內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)的先驗(yàn)像素信息，并以此為基礎(chǔ)，自動(dòng)搜索并提取得到該標(biāo)志點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)值(X2,Y2)。

則經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)角度和像素坐標(biāo)之間的比例系數(shù)為

2.4.2 標(biāo)定流程及結(jié)果

對(duì)相機(jī)本身的畸變參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，但安裝后的攝像頭的像平面與經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸不能保證嚴(yán)格垂直，這將導(dǎo)致圖像在不同位置處的標(biāo)定系數(shù)不同，某一位置處標(biāo)定的結(jié)果不能代表圖像的所有位置。本文采用網(wǎng)格標(biāo)定法，如圖10所示，圖中每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)有一個(gè)標(biāo)定結(jié)果。在引導(dǎo)測(cè)量時(shí)，根據(jù)目標(biāo)圖像中心坐標(biāo)，選擇其鄰近的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插得到該目標(biāo)中心所用的標(biāo)定系數(shù)，這樣就可以保證視覺引導(dǎo)測(cè)量的精度[12]。

圖10 網(wǎng)格法相機(jī)標(biāo)定

獲取十字絲中心的像素信息。然后通過旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀，使經(jīng)緯儀十字絲中心與標(biāo)志點(diǎn)中心相重合，以此作為基準(zhǔn)，因?yàn)槭峭ㄟ^人眼觀測(cè)來確定的，所以帶有一定的系統(tǒng)誤差。

顧及旋轉(zhuǎn)角度和像素之間的比例系數(shù)在各象限存在一定的差異，所以在四個(gè)象限里分別標(biāo)定，水平角與垂直角馬達(dá)驅(qū)動(dòng)量絕對(duì)值均設(shè)置為0.1°；以某一象限標(biāo)定為例，設(shè)置水平角與垂直角驅(qū)動(dòng)量均為0.1°，采集圖像，提取標(biāo)志點(diǎn)像素信息，獲取當(dāng)前狀態(tài)下的水平角及垂直角。設(shè)置水平角與垂直角驅(qū)動(dòng)量均為-0.1°，使標(biāo)志點(diǎn)轉(zhuǎn)回十字絲中心處，獲取此狀態(tài)下的水平角及垂直角。計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度和像素之間的比例系數(shù)，該系數(shù)即為經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)角度和像素坐標(biāo)之間的比例關(guān)系。

選距離5 m處標(biāo)志作為標(biāo)定點(diǎn)，分別對(duì)TS30與TCA2003進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表3和表4所示。

表3 TS30-攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果

表4 TCA2003-攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果

從上述標(biāo)定結(jié)果中可以看出，不同儀器標(biāo)定系數(shù)有所差異，同一儀器不同象限標(biāo)定結(jié)果也有所差異，在實(shí)際標(biāo)定時(shí)應(yīng)予以考慮。利用上述標(biāo)定結(jié)果在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過3次引導(dǎo)視場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)志點(diǎn)獲得的角度觀測(cè)值如表5所示。

表5 角度重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

由上述結(jié)果可知，在綜合考慮包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)誤差，標(biāo)志點(diǎn)中心提取等的系統(tǒng)誤差的前提下，通過3次引導(dǎo)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)其測(cè)角重復(fù)性能達(dá)到2″之內(nèi)。

3 系統(tǒng)測(cè)量精度分析

3.1 經(jīng)緯儀驅(qū)動(dòng)定位精度分析

TM5100A電子經(jīng)緯儀水平和垂直軸系采取摩擦制動(dòng)模式，其自身存在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)誤差，驅(qū)動(dòng)精度標(biāo)稱為±0.5″，由于在目鏡位置增加USB連接線及其攝像頭，其驅(qū)動(dòng)誤差可能會(huì)增大。

編寫TM5100A馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制程序，通過按鈕進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀的聯(lián)機(jī)操作；通過按鈕發(fā)送指令獲取經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng)前的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，并從中提取出水平和垂直角度值(Hz1,V1)；由界面設(shè)置旋轉(zhuǎn)的角度后，通過按鈕發(fā)送指令控制經(jīng)緯儀水平角和垂直角分別旋轉(zhuǎn)(Hz0,V0)，并獲取經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng)后的水平和垂直角度值(Hz2,V2)，計(jì)算出水平角和垂直角的驅(qū)動(dòng)偏差；通過界面實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng)前后的水平和垂直角度及驅(qū)動(dòng)偏差；水平角和垂直角的驅(qū)動(dòng)偏差分別為

ΔHzi=(Hz2-Hz1)-Hz0.

(2)

ΔVi=(V2-V1)-V0.

(3)

上述過程重復(fù)ni次，取ΔHz和ΔV的均方根誤差值，可得到一個(gè)系列TM5100A電子經(jīng)緯儀的水平角和垂直角驅(qū)動(dòng)誤差為

(4)

(5)

由于垂直角的大小會(huì)影響經(jīng)緯儀視準(zhǔn)軸的平衡，因此需要在垂直角不同的情況下，分別完成上述實(shí)驗(yàn)，垂直角分別取值為(-40°，-20°,0°，+20°，+40°)，完成上述5個(gè)系列的水平角和垂直角驅(qū)動(dòng)定位精度測(cè)試；測(cè)試方案如表6所示。

表6 經(jīng)緯儀驅(qū)動(dòng)誤差測(cè)試方案

水平角的驅(qū)動(dòng)量分為1°，10°，30° 3個(gè)系列；垂直角的驅(qū)動(dòng)量分為1°，10°，30° 3個(gè)系列；假設(shè)垂直角取值為-40°時(shí)，設(shè)置水平角與垂直角的驅(qū)動(dòng)量均為1°，重復(fù)測(cè)量n次，得到水平角和垂直角驅(qū)動(dòng)誤差。本次測(cè)試共進(jìn)行r個(gè)系列，每個(gè)系列重復(fù)測(cè)量次數(shù)ni，且每個(gè)系列下水平角和垂直角驅(qū)動(dòng)誤差為mHzi，mVi,則所有系列總體的水平角和垂直角平均驅(qū)動(dòng)誤差為

(6)

(7)

驅(qū)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果如表7、圖11和圖12所示。

表7 驅(qū)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果

圖11 不同驅(qū)動(dòng)量下的角度驅(qū)動(dòng)誤差比較

圖12 平均角度驅(qū)動(dòng)誤差

從表7、圖11和圖12中可知，TM5100A經(jīng)緯儀加上攝像頭后，測(cè)試表明：①垂直角取不同值的情況下，驅(qū)動(dòng)誤差無明顯的變化趨勢(shì)，可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)誤差不受垂直角取值的影響；②在不同驅(qū)動(dòng)量下水平角和垂直角驅(qū)動(dòng)誤差均在±1″范圍之內(nèi)，TM5100A標(biāo)稱驅(qū)動(dòng)誤差為±0.5″，垂直角與水平角驅(qū)動(dòng)誤差均能滿足預(yù)期的精度要求；垂直角驅(qū)動(dòng)誤差較水平角驅(qū)動(dòng)誤差偏大，可認(rèn)為水平角的驅(qū)動(dòng)誤差幾乎沒有受到加載攝像頭的影響；③垂直角驅(qū)動(dòng)誤差受到了加載攝像頭的微小影響，但精度仍能滿足工業(yè)測(cè)量自動(dòng)化的要求。

3.2 視覺引導(dǎo)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量精度分析

3.2.1 視覺引導(dǎo)點(diǎn)位測(cè)量

通過上述精度保證便可對(duì)視覺引導(dǎo)測(cè)量的點(diǎn)位精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1)點(diǎn)位測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。視覺引導(dǎo)點(diǎn)位測(cè)量試驗(yàn)主要是完成對(duì)視覺引導(dǎo)測(cè)點(diǎn)和測(cè)角技術(shù)可行性的驗(yàn)證，通過試驗(yàn)得到視覺引導(dǎo)測(cè)點(diǎn)和測(cè)角的精度并且為引進(jìn)視覺引導(dǎo)技術(shù)提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

首先采集像平面坐標(biāo)系下目標(biāo)中心的像素坐標(biāo)值；根據(jù)十字絲中心像平面坐標(biāo)系位置的標(biāo)定結(jié)果，可以得到十字絲的像中心點(diǎn)坐標(biāo)為(X0,Y0)，與標(biāo)志點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)值(X2,Y2)相對(duì)應(yīng)，即可得到經(jīng)緯儀的旋轉(zhuǎn)角度值為

ΔHz′=kHz(X2-X0)，

ΔV′=kV(Y2-Y0).

(8)

通過聯(lián)機(jī)控制指令，驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)(ΔHz′,ΔV′)，若沒有照準(zhǔn)選擇目標(biāo)，則重復(fù)上述過程，實(shí)際表明通過3次引導(dǎo)即可照準(zhǔn)所選目標(biāo)，有較好的測(cè)角重復(fù)性。照準(zhǔn)所選目標(biāo)后，測(cè)量即可得到經(jīng)緯儀照準(zhǔn)目標(biāo)后的水平和垂直角度值。

采用兩臺(tái)經(jīng)緯儀完成上述工作，得到兩臺(tái)經(jīng)緯儀的水平角度值和垂直角度值，將兩臺(tái)經(jīng)緯儀的角度值導(dǎo)入MetroIn軟件，對(duì)兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行定向解算，通過交會(huì)即可得到所選擇點(diǎn)在兩臺(tái)經(jīng)緯儀構(gòu)建的局部坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。對(duì)某個(gè)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量，可評(píng)定該點(diǎn)的重復(fù)精度；實(shí)驗(yàn)分別在3 m，5 m，7 m的距離上進(jìn)行測(cè)試；并在不同光照條件和不同交會(huì)角的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，其中A表示向光，B表示背光；測(cè)試結(jié)果如表8和圖13所示。

表8 點(diǎn)位重復(fù)性精度測(cè)試結(jié)果 mm

圖13 點(diǎn)位重復(fù)性精度測(cè)試結(jié)果

從表8和圖13中可得出結(jié)論：光照對(duì)點(diǎn)位重復(fù)性測(cè)量精度影響不顯著，交會(huì)條件影響顯著， 3 m內(nèi)點(diǎn)位重復(fù)性測(cè)量精度優(yōu)于0.05 mm；5 m內(nèi)優(yōu)于0.09 mm；7 m內(nèi)優(yōu)于0.12 mm。實(shí)驗(yàn)證明視覺引導(dǎo)測(cè)量具有較好的點(diǎn)位重復(fù)性測(cè)量精度。

2)點(diǎn)位測(cè)量準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)。通過視覺引導(dǎo)測(cè)量經(jīng)過標(biāo)檢的標(biāo)尺并將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)檢結(jié)果進(jìn)行比較，再通過人工操作儀器測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)檢結(jié)果進(jìn)行比較，重復(fù)測(cè)量10次；測(cè)量結(jié)果如表9和圖14所示，尺長(zhǎng)標(biāo)檢結(jié)果為900.703 mm。

表9 點(diǎn)位測(cè)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果 mm

圖14 點(diǎn)位準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

通過精度、準(zhǔn)確度和精確度指標(biāo)衡量視覺引導(dǎo)點(diǎn)位測(cè)量的優(yōu)勢(shì)；從表9和圖14中可以看出視覺引導(dǎo)測(cè)量標(biāo)尺的精度相當(dāng)人眼觀測(cè)精度，僅為0.02 mm；通過視覺引導(dǎo)測(cè)量標(biāo)尺長(zhǎng)度的偏差平均值與人眼觀測(cè)標(biāo)尺長(zhǎng)度偏差平均值，可以看出視覺引導(dǎo)測(cè)量標(biāo)尺的準(zhǔn)確度高于人眼觀測(cè)準(zhǔn)確度，仍存在系統(tǒng)偏差，較人眼觀測(cè)系統(tǒng)偏差??；由此推斷視覺引導(dǎo)測(cè)量總體精確度比人眼觀測(cè)高。

3.2.2 視覺引導(dǎo)準(zhǔn)直測(cè)量

視覺引導(dǎo)角度測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)準(zhǔn)直是在經(jīng)緯儀已經(jīng)調(diào)整到概略準(zhǔn)直位置的前提下，由相機(jī)引導(dǎo)經(jīng)緯儀完成自動(dòng)準(zhǔn)直。與標(biāo)志點(diǎn)引導(dǎo)測(cè)量原理相同，即通過圖像處理獲取準(zhǔn)直光中心的像素坐標(biāo)和十字絲中心像中心點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)十字絲中心像平面坐標(biāo)系位置標(biāo)定結(jié)果，即可得到經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)角度值。通過聯(lián)機(jī)控制指令，驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀在當(dāng)前角度的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)(ΔHz′,ΔV′)，若沒有照準(zhǔn)所選擇目標(biāo)，則重復(fù)上述過程，實(shí)際操作表明通過3次引導(dǎo)即可照準(zhǔn)所選擇的目標(biāo)，且有較好的測(cè)角重復(fù)性。測(cè)量得到經(jīng)緯儀照準(zhǔn)目標(biāo)后的水平和垂直角度值，完成一次準(zhǔn)直。

1)準(zhǔn)直測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。通過10次自動(dòng)準(zhǔn)直視場(chǎng)內(nèi)的立方鏡獲得的角度觀測(cè)值如表10所示。

表10 準(zhǔn)直測(cè)量重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

由上述結(jié)果可知，在綜合考慮包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)誤差，準(zhǔn)直光中心提取系統(tǒng)誤差的前提下，通過10次自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量重復(fù)性能達(dá)到1″之內(nèi)，而人工準(zhǔn)直測(cè)量的角度測(cè)量重復(fù)性精度經(jīng)測(cè)試為2″；視覺引導(dǎo)準(zhǔn)直測(cè)量的水平角精度高于垂直角，自動(dòng)準(zhǔn)直重復(fù)性測(cè)量精度高于人工準(zhǔn)直重復(fù)性測(cè)量精度。

2)準(zhǔn)直測(cè)量準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)。通過視覺引導(dǎo)準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果與人工準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)8個(gè)不同的位置進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量，得出8個(gè)不同的位置視覺引導(dǎo)準(zhǔn)直測(cè)量與人工準(zhǔn)直測(cè)量的偏差值如表11所示。

表11 自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量與人工準(zhǔn)直測(cè)量差值

在自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量重復(fù)性比人工準(zhǔn)直測(cè)量重復(fù)性精度高的情況下，自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果與人工準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果相比偏差最大值為3.3″，由于人工準(zhǔn)直測(cè)量人為誤差影響較大，故會(huì)出現(xiàn)個(gè)別測(cè)量值偏差較大；除此以外大部分偏差值在2″以內(nèi)；自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)偏差較??；所以自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量可以滿足工業(yè)測(cè)量的需求，并能減少人為誤差，提高工作效率。

4 結(jié)束語

通過TM5100A經(jīng)緯儀與高精度攝像頭結(jié)合構(gòu)建視覺引導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)，提高測(cè)量速度，同時(shí)減少了因人為引起的誤差，大大提高工作效率，其測(cè)量精度可以滿足航天器精度測(cè)量的要求。

1)加載攝像頭的經(jīng)緯儀其垂直角驅(qū)動(dòng)誤差受到攝像頭的微小影響，驅(qū)動(dòng)誤差接近1″，TM5100A經(jīng)緯儀標(biāo)稱精度為0.5″，其影響可忽略。

3)因?yàn)槿斯?zhǔn)直測(cè)量具有人為誤差，自動(dòng)準(zhǔn)直具有較好的重復(fù)性，系統(tǒng)偏差小，自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果與人工準(zhǔn)直測(cè)量結(jié)果相比偏差最大值在3.3″以內(nèi)；除個(gè)別人為誤差較大外，自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量與人工準(zhǔn)直測(cè)量偏差值均可控制在2″之內(nèi)。

4)目前該系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)尺標(biāo)志點(diǎn)的視覺引導(dǎo)測(cè)量、經(jīng)緯儀標(biāo)志點(diǎn)的視覺引導(dǎo)測(cè)量、攝影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的視覺引導(dǎo)測(cè)量、立方鏡準(zhǔn)直十字絲的視覺引導(dǎo)測(cè)量等功能，基本涵蓋了經(jīng)緯儀測(cè)量的所有功能需求。該方法還存在一些缺陷，如不能進(jìn)行經(jīng)緯儀互瞄定向，因攝像頭具有USB連接線不能實(shí)現(xiàn)雙面測(cè)量和大角度旋轉(zhuǎn)等。

參考文獻(xiàn)：

[1] SCHAUERTE W, CASOTT N. Development of A (NEW) digital collimator[R]. Witzerland: CERN, 1993.

[2] PRENNINGER J P, FILZ K M, VINCZE M. Real-Time Contactless Measurement of Robot Pose in Six Degree of Freedom[J]. Measurement, 1995(14):255-264.

[3] 王欣宇, 范百興, 王同合. 圖像傳感器與空間坐標(biāo)測(cè)量傳感器融合綜述[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2016(增2):22-24.

[4] 肖華杰, 范百興, 西勤, 等. 基于多標(biāo)尺聯(lián)合標(biāo)定的經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)精度分析[J]. 北京測(cè)繪, 2016(2):27-31.

[5] 潘廷耀, 范百興, 西勤, 等. 經(jīng)緯儀多基準(zhǔn)尺聯(lián)合標(biāo)定技術(shù)研究[J]. 測(cè)繪工程, 2016,25(5):56-58, 63.

[6] 潘廷耀, 范百興, 易旺民, 等. 大尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)綜述[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2015(8):70-72, 76.

[7] 王珂, 肖鵬峰, 馮學(xué)智. 基于改進(jìn)二維離散希爾伯特變換的圖像邊緣檢測(cè)方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào). 2012,41(3):421-427.

[8] GONZALEZ R C, WOODS R E. Digital Image Processing, Third Edition[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011.

[9] 馮其強(qiáng). 數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)研究與實(shí)踐[D]. 鄭州：信息工程大學(xué), 2010.

[10] 魏振忠, 孫文, 張廣軍. 激光跟蹤視覺導(dǎo)引測(cè)量中靶標(biāo)球球心定位方法[J]. 紅外與激光工程, 2012,4(41):929-935.

[11] 劉祥磊, 童小華, 馬靜. 視頻測(cè)量影像序列橢圓形人工目標(biāo)點(diǎn)快速識(shí)別和跟蹤方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2015,6(44):663-669.

[12] 賈倩倩, 王伯雄, 羅秀芝. 光切法形貌測(cè)量中光條中心的亞像素提取[J]. 光學(xué)精密工程, 2010,2(18):390-396.

[13] 陳偉. 3D智能傳感器視覺測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究[D]. 成都：電子科技大學(xué), 2014.

[14] 張劍清, 胡祺. 工業(yè)鈑金件的三維立體量測(cè)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2006,05(31):387-390, 398.