經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)研究

1、經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)的研究經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)的研究研究背景與現(xiàn)狀1測(cè)量系統(tǒng)組成2研究的主要內(nèi)容3照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析4總結(jié)與展望5Click to add title in here 3報(bào)告的主要內(nèi)容一、研究背景與現(xiàn)狀視場(chǎng)角1.2-2.0角度分辨率2/3放大倍數(shù)30最短視距0.9-2m觀測(cè)范圍1001000m最小對(duì)焦距離1.4m數(shù)據(jù)接口RS-232C環(huán)境溫度-20C+55C測(cè)角方式光電增量式調(diào)焦范圍0.5m 補(bǔ)償范圍3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量500最小讀數(shù)1/2/5/10工作電壓直流6V技術(shù)參數(shù) 經(jīng)緯儀是一種高精度的測(cè)角儀器，是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、角度計(jì)量、工業(yè)檢測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。

2、 、測(cè)量精度高 、設(shè)站方便 、易于操作 、非接觸式測(cè)量概念及特點(diǎn)圖1 電子經(jīng)緯儀人工照準(zhǔn)方式的缺陷人工照準(zhǔn)人工照準(zhǔn)測(cè)量精度低測(cè)量精度低照準(zhǔn)速度慢照準(zhǔn)速度慢數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄繁雜繁雜自動(dòng)化程度低自動(dòng)化程度低人員素質(zhì)差異人員素質(zhì)差異圖2 早期人工照準(zhǔn)方式的缺陷全站儀的自動(dòng)照準(zhǔn) 全站儀的自動(dòng)照準(zhǔn)需要借助角偶棱鏡等特殊目標(biāo)，儀器發(fā)射的紅外光具有一定發(fā)散角。當(dāng)角偶棱鏡處于發(fā)散角內(nèi)時(shí)，將紅外光原路返回并由儀器接收，由內(nèi)置CCD器件成像并計(jì)算角偶棱鏡的位置。發(fā)散角角偶棱鏡測(cè)量機(jī)器人發(fā)射返回圖3 全站儀的自動(dòng)照準(zhǔn)激光跟蹤儀的自動(dòng)照準(zhǔn)圖5 激光跟蹤儀圖4 T形目標(biāo)單元角偶棱鏡接觸測(cè)頭發(fā)光二極管 一個(gè)完整的激光跟蹤

3、測(cè)量系統(tǒng)一般由跟蹤儀、高速相機(jī)及T形目標(biāo)單元組成。高速相機(jī)安裝在跟蹤儀上部，可繞垂直軸繞動(dòng)，也可繞水平軸俯仰。 在測(cè)量時(shí)，跟蹤儀對(duì)角偶棱鏡測(cè)量獲取其三維坐標(biāo)，同時(shí)高速相機(jī)對(duì)目標(biāo)單元拍攝獲取10個(gè)發(fā)光二極管的二維圖像坐標(biāo)，然后通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取目標(biāo)單元探頭三維坐標(biāo)及目標(biāo)單元的姿態(tài)角。 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)所使用的待測(cè)量目標(biāo)不具備角偶棱鏡特性，不能采用全站儀及激光跟蹤儀的自動(dòng)照準(zhǔn)方法；傳統(tǒng)人工照準(zhǔn)又無(wú)法克服測(cè)量速度慢、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀的自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)是經(jīng)緯儀生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向之一。 實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)的關(guān)鍵是快速獲取空間大批量目標(biāo)的概略位置，獲取概略位置需要解決的主要問(wèn)題包括：目標(biāo)

4、中心高精度定位、攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定、經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定、目標(biāo)概略位置角度值解算。 經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以較好的克服人工照準(zhǔn)方式的缺陷，可作為經(jīng)緯儀自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的重要技術(shù)支撐，將為全自動(dòng)經(jīng)緯儀的研制提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)緯儀自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用，將極大提高工業(yè)測(cè)量效率，也必將為其他同類測(cè)量?jī)x器的自動(dòng)化測(cè)量提供了可能性。問(wèn)題及研究意義二、測(cè)量系統(tǒng)組成攝像機(jī)經(jīng)緯儀三腳架人工標(biāo)志望遠(yuǎn)鏡圖6 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖連接固定裝置電源線圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)軟件及硬件組成攝站參數(shù)標(biāo)定模塊測(cè)站參數(shù)標(biāo)定模塊圖像坐標(biāo)提取模塊概略位置解算模塊軟件部分硬件部分經(jīng)緯儀攝像機(jī)微處理器實(shí)驗(yàn)測(cè)量架電源與光源

5、測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)框圖經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)中坐標(biāo)系定義像平面坐標(biāo)系xyoCT工業(yè)相機(jī)經(jīng)緯儀cXcZcYcO攝像機(jī)坐標(biāo)系TXTZTYTO經(jīng)緯儀坐標(biāo)系wXwZwYwO全局坐標(biāo)系圖8 測(cè)量系統(tǒng)中涉及的坐標(biāo)系定義三、研究的主要內(nèi)容1人工標(biāo)志及其編解碼原理2目標(biāo)中心定位方法3攝像機(jī)線性模型5攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定算法6經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定算法7目標(biāo)概略位置求解算法4單相空間后方交會(huì)法 對(duì)攝像機(jī)坐標(biāo)系及經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，必須至少已知空間3個(gè)控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。但是，一般在待測(cè)物表面沒(méi)有足夠的信息給出已知的控制點(diǎn)坐標(biāo)，可行的方式是在被測(cè)物表面緊貼若干數(shù)量的人工編碼標(biāo)志及非編碼標(biāo)志，包含豐富的編碼

6、信息，作為待測(cè)目標(biāo)，對(duì)標(biāo)志解碼識(shí)別，提供參數(shù)標(biāo)定必需的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。人工標(biāo)志的作用主要有三個(gè)方面： 是能夠解決人工標(biāo)志的自動(dòng)匹配問(wèn)題； 是可作為多幅像片之間的公共點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)拼接； 是為空間后方交會(huì)提供必需的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。圖9 人工編碼標(biāo)志圖10 人工非編碼標(biāo)志1人工標(biāo)志及其編解碼原理包含人工標(biāo)志的準(zhǔn)二值圖像包含人工標(biāo)志的準(zhǔn)二值圖像圖11 包含被測(cè)物及人工標(biāo)志的準(zhǔn)二值圖像 照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)采用的回光反射標(biāo)志表面具有回光反射材料，低強(qiáng)度曝光可產(chǎn)生高對(duì)比度圖像。圖中標(biāo)志形成了一個(gè)個(gè)亮點(diǎn)，被測(cè)物影像被消隱，標(biāo)志圖像清晰可見(jiàn)，此類圖像也被稱為“準(zhǔn)二值圖像”。人工標(biāo)志設(shè)計(jì)原理人工標(biāo)志設(shè)計(jì)原理圖12

7、八圓形點(diǎn)狀人工編碼標(biāo)志及其涉及原理222mnkID 設(shè)3個(gè)編碼點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置圓的數(shù)字分別為m,n,k ，采用標(biāo)志所在位置圓的數(shù)字作為2的冪來(lái)得到三個(gè)數(shù)字 ，則3個(gè)編碼點(diǎn)的數(shù)字之和就是該標(biāo)志的ID號(hào)。 （1）2目標(biāo)中心定位方法1、灰度質(zhì)心法：對(duì)于給定目標(biāo)P所在的圖像區(qū)域D，設(shè)二值化圖像用 I(i,j)表示，目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)設(shè)為(x,y)( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )i jDi jDi jDi jDiI i jxI i jjI i jyI i j2、灰度加權(quán)質(zhì)心法：對(duì)于給定目標(biāo)P所在的圖像區(qū)域D，設(shè)二值化圖像用 I(i,j)表示，W(i,j)表示權(quán)值，

8、目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)設(shè)為(x,y)( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )i jDi jDi jDi jDiW i jxW i jjW i jyW i j3、最小二乘橢圓擬合法：對(duì)于給定目標(biāo)P的中心坐標(biāo)設(shè)為(x,y)，根據(jù)橢圓一般方程，構(gòu)造新函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)，令偏導(dǎo)數(shù)為零計(jì)算一般方程系數(shù)。220axbxy cydx eyf222424becdxac bbdaeyac b（2）（3）（4）人工標(biāo)志中心定位結(jié)果人工標(biāo)志中心定位結(jié)果表1 人工標(biāo)志中心定位方法精度比較 3攝像機(jī)線性模型ccccXxfZYyfZ 攝像機(jī)線性模型是指空間點(diǎn)在圖像上的像點(diǎn)為攝像機(jī)光心與空間點(diǎn)連線

9、與像平面的交點(diǎn)，滿足透視投影關(guān)系。 相機(jī)坐標(biāo)系Xc、Yc軸與像平面坐標(biāo)系x、y軸分別平行，設(shè)空間某待測(cè)點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為P(Xc,Yc,Zc)，全局坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)為P(X,Y,Z),攝像機(jī)焦距為f，P點(diǎn)圖像坐標(biāo)為P(x,y)。共線關(guān)系方程：（5）圖13 攝像機(jī)線性成像模型4單相空間后方交會(huì)法 單相空間后方交會(huì)法是指基于單張目標(biāo)影像，利用一定數(shù)量的已知三維坐標(biāo)的空間控制點(diǎn)及其在像片上的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，解算該相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于全局坐標(biāo)系的3個(gè)平移參數(shù)及3個(gè)姿態(tài)角參數(shù)的方法。 基本解法：共線條件方程； 角錐法。2221212222232322213132cos2cos2cosABBCACdd

10、d ddddd ddddd ddccsTcccsccsXXXYMYYZZZ 設(shè)空間待測(cè)點(diǎn)P在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為P(Xc,Yc,Zc)，全局坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)為P(X,Y,Z),攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)為P(Xcs,Ycs,Zcs),設(shè)Mc為相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。距離方程組：（6）（7）圖14 單相空間后方交會(huì)原理5攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定算法111333222333cscscscscscscscscscscscsaXXbYYcZZxfaXXbYYcZZaXXbYYcZZyfaXXbYYcZZ 基于攝像機(jī)線性模型的共線方程公式（5）及單相空間后方交會(huì)法坐標(biāo)變換關(guān)系公式（7）可得：12

11、3123123caaabbbcccMcscscscZYXtcscscs 觀察上式，(x,y)通過(guò)目標(biāo)中心定位后為已知，攝像機(jī)焦距f為已知，(X,Y,Z)為已知，9個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣分量可用3個(gè)未知姿態(tài)角表示，3個(gè)平移參數(shù)未知。若已知3個(gè)空間控制點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，即可解算攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)。為了保證解算精度，通常要求控制點(diǎn)個(gè)數(shù)不少于5個(gè)。（8）（9）6經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定算法 設(shè)待測(cè)點(diǎn)P在經(jīng)緯儀坐標(biāo)系中坐標(biāo)為 ，其概略位置角度人工觀測(cè)值為Hz、V，經(jīng)緯儀坐標(biāo)系原點(diǎn)的三維坐標(biāo)為 ，在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為(X,Y,Z)。(,)jjjP X Y Z(,)jsjsjsXYZ22tan 2tan2jj

12、jjjYHzXZVXY圖15 經(jīng)緯儀觀測(cè)空間目標(biāo)由圖中幾何關(guān)系：（10） 表示經(jīng)緯儀坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，與公式（7）類似，由坐標(biāo)變換關(guān)系：jjsTjjjsjjsXXXYMYYZZZ（11）jM6經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定算法結(jié)合公式（10）與公式（11），可得1112223332111222222jsjsjsjsjsjsjsjsjsjsjsjsjsjsjsaXXbYYcZZHzarctgaXXbYYcZZaXXbYYcZZVarctgaXXbYYcZZaXXbYYcZZ （12）公式（12）中，Hz，V人工觀測(cè)后為已知?？刂泣c(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)已給定。旋轉(zhuǎn)矩陣的九個(gè)分量可用經(jīng)緯儀坐

13、標(biāo)系的3個(gè)姿態(tài)角表示，經(jīng)緯儀坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo) 未知。上式中，未知參數(shù)共有6個(gè)，若已知3個(gè)空間控制點(diǎn)的角度觀測(cè)值及其三維坐標(biāo)，即可解算出經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)。為了保證交會(huì)解算精度，一般要求控制點(diǎn)個(gè)數(shù)不少于5個(gè)。(,)jsjsjsXYZ7目標(biāo)概略位置求解算法 待測(cè)目標(biāo)的概略位置的求解也就是待測(cè)目標(biāo)在經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的水平角Hz與垂直角V的求解。00TcpcTcpTciixOPjMjMykkf0TjcMMM圖16 目標(biāo)概略角度歸算攝像機(jī)坐標(biāo)系與經(jīng)緯儀坐標(biāo)系間的關(guān)系：000csjsjcsjscsjsXXXYMYYZZZ旋轉(zhuǎn)矩陣：平移向量：向量變換：概略位置：=2cosarctanTHzSVO P（13）（14

14、）（15）（16）四、照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析圖17 目標(biāo)提?。ň植浚〤T_17CODE5CT_13CT_18CODE18CT_19CT_14CT_15CT_16CT_10CODE26CT_11CT_12CODE8CT_7CT_5CODE2CT_9CT_6CT_8 利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)中仿射變換及交比不變等相關(guān)知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)拍攝圖像中的人工編碼標(biāo)志及非編碼標(biāo)志進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，以給定攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定與經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定所必需的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。表2 部分目標(biāo)的圖像坐標(biāo)表3 部分人工目標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（作為已知數(shù)據(jù)）1 1、部分控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、部分控制點(diǎn)數(shù)據(jù)2 2、控制點(diǎn)角度人工觀測(cè)值、控制點(diǎn)角度人

15、工觀測(cè)值表4 經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定控制點(diǎn)角度人工觀測(cè)值（已知）3 3、攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)與經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定結(jié)果、攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)與經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定結(jié)果攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)(mm)攝像機(jī)坐標(biāo)系姿態(tài)角(rad)1012.116 -2750.7391254.513 -1.5848884 3.1293190 3.1352768 csXcsYcsZcscscs表5 攝像機(jī)坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定結(jié)果經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)經(jīng)緯儀坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)(mm)經(jīng)緯儀坐標(biāo)系姿態(tài)角(rad)1012.089 -2820.745 1086.336 0.0068880 0.0099092 4.7983918 jsXj

16、sYjsZjsjsjs表6 經(jīng)緯儀坐標(biāo)系參數(shù)標(biāo)定結(jié)果4 4、目標(biāo)概略位置照準(zhǔn)、目標(biāo)概略位置照準(zhǔn) 實(shí)驗(yàn)中，將人工照準(zhǔn)測(cè)量值作為理想值，代表概略位置的參考值，計(jì)算值與人工實(shí)測(cè)值進(jìn)行差值比較，以評(píng)價(jià)本文求解概略位置水平角與垂直角方法的精確度。圖19 計(jì)算的概略位置圖18 人工照準(zhǔn)概略位置vh5 5、待測(cè)目標(biāo)概略位置角度解算數(shù)據(jù)、待測(cè)目標(biāo)概略位置角度解算數(shù)據(jù)表7 待測(cè)目標(biāo)概略位置角度解算結(jié)果=0.27iimaxHV，由表7可見(jiàn)： 由圖20可見(jiàn)，概略位置對(duì)應(yīng)的水平角的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值、垂直角的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值柱狀圖幾乎兩兩等高，證明了本文基于圖像快速獲取目標(biāo)概略位置計(jì)算方法的正確性。123456789101

17、112131415020406080100120140160180200220240260280300Angle ValuePoint Number theoretic horizontal angle observed horizontal angle theoretic vertical angle observed vertical angle圖20 目標(biāo)概略位置角度計(jì)算值與人工實(shí)際觀測(cè)值柱狀圖5 5、待測(cè)目標(biāo)概略位置角度解算數(shù)據(jù)、待測(cè)目標(biāo)概略位置角度解算數(shù)據(jù)6 6、概略位置照準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、概略位置照準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通常情況下，經(jīng)緯儀的視場(chǎng)角在1.5 左右。所以，概略位置角度計(jì)算值與人工實(shí)測(cè)值

18、最大角度差小于視場(chǎng)角C的二分之一，即認(rèn)為滿足概略位置照準(zhǔn)要求。2iiCmaxHV，（17）實(shí)驗(yàn)序號(hào)及結(jié)論最大角度誤差及照準(zhǔn)精度概略位置照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)0.30概略位置照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)0.35概略位置照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)0.33概略位置照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)0.33概略位置照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)0.36實(shí)驗(yàn)結(jié)論概略位置照準(zhǔn)精度優(yōu)于0.4表8 概略位置照準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)-最大角度誤差12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20020406080100120140160180200220240260280300Angle ValueExperiment 1 theoretic horizontal angle observ

19、ed horizontal angle theoretic vertical angle observed vertical angle12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20020406080100120140160180200220240260280300Angle ValueExperiment 2 theoretic horizontal angle observed horizontal angle theoretic vertical angle observed vertical angle12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20020406080100120140160180200220240260280300Angle ValueExperiment 3 theoretic horizontal angle observed horizontal angle theoretic vertical angle observed vertical angle12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20020406080100120140160180200220240260280300Angle V