測量機(jī)器人的ATR測量原理及重復(fù)性實(shí)驗(yàn)分析

景琦 程增杰 劉承宇 成立輝

摘 要：該文簡述了Leica公司的新型測量機(jī)器人TS30自動目標(biāo)識別（ATR）功能的原理，設(shè)計了一個一般觀測條件下的實(shí)驗(yàn)，研究ATR測角重復(fù)性的情況，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計原理加以分析，從而探討了ATR照準(zhǔn)精度可靠性。

關(guān)鍵詞：測量機(jī)器人 TS30 ATR 測量重復(fù)性。

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-000-03

TS30是Leica公司2009年推出的第四代超高精度智能全站儀，是目前世界上最先進(jìn)的測量機(jī)器人。如圖1所示，作為TCA2003的替代產(chǎn)品，TS30的能耗低，轉(zhuǎn)動噪聲較TCA2003減少很多，其標(biāo)稱測角標(biāo)準(zhǔn)差0.5″，自動目標(biāo)識別模式（ATR模式）的測角標(biāo)準(zhǔn)差1″，ATR照準(zhǔn)精度

200 m內(nèi)優(yōu)于1 mm，1000 m優(yōu)于2 mm，工作范圍1.5～1000 m。

測量機(jī)器人（Survey robot）是一種能代替人進(jìn)行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀。其中，自動目標(biāo)識別（ATR）功能是測量機(jī)器人測量準(zhǔn)確性的核心和決定性因素，但ATR測量的重復(fù)性如何，ATR測量值是否可靠等類似的問題仍困擾著我們。該文通過設(shè)計一系列實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計原理計算了ATR測量重復(fù)性即內(nèi)符合性，從而評估ATR測量的可靠性。

1 ATR的測量原理

測量機(jī)器人采用了自動目標(biāo)識別技術(shù)ATR（automatic target recognition），實(shí)現(xiàn)了普通棱鏡長距離自動識別與精確照準(zhǔn)，其工作原理如圖2所示。

ATR部件安裝在全站儀的望遠(yuǎn)鏡上，在使用ATR測量時，CCD光源先自主發(fā)射一束紅外激光，按類似自準(zhǔn)直的原理通過光學(xué)部件同軸地投影在望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸上，由棱鏡反射回來。望遠(yuǎn)鏡里專用分光鏡將反射回來的ATR 光束與可見光、測距光束分離出來，引導(dǎo)ATR光束至CCD陣列上，形成光點(diǎn)，由內(nèi)置CCD相機(jī)接收，其位置以CCD相機(jī)的中心作為參考點(diǎn)來精確地確定。CCD陣列將接收到的光信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的影像，通過圖像處理算法，計算出圖像的中心，即棱鏡的中心。

測量機(jī)器人TS30運(yùn)用ATR功能精密測量的過程就是“粗瞄—搜索—鎖定—照準(zhǔn)—測量”的過程。即先手動對目標(biāo)棱鏡粗略瞄準(zhǔn)，然后開啟測量功能，ATR自動搜索自定義窗口內(nèi)（這個自定義窗口大小可以通過儀器設(shè)置選項(xiàng)的ATR窗口設(shè)置來自定義，在TS30中，窗口大小默認(rèn)為水平方向搜索4 °，垂直方向搜索4 °。自定義的窗口范圍越大，則搜索時間越長。）的目標(biāo)棱鏡，如果它探測不到棱鏡，它將從頭開始搜索過程，即望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行螺旋式的連續(xù)運(yùn)動。一旦探測到棱鏡，望遠(yuǎn)鏡馬上停止運(yùn)動，馬達(dá)驅(qū)使望遠(yuǎn)鏡去接近棱鏡的中心，計算出十字絲中心與返回圖像中心的偏移值，給出改正后的水平和垂直角度讀數(shù)，得出測量值。

由于望遠(yuǎn)鏡筒的位置隨機(jī)，ATR完成每次測量都需要重新搜索棱鏡，所走過的路徑都不甚相同，得出的測量值有所不同就不足為奇，但測量結(jié)果到底有多大偏差，最值什么時候出現(xiàn)，是個需要深入研究的問題。該文將就這個問題進(jìn)行探討。

2 一般觀測條件下ATR的內(nèi)符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計

內(nèi)符合性，即測量重復(fù)性，是指在相同條件下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。本次實(shí)驗(yàn)主要分析平距、水平角、垂直角三個被測量測量值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、極值（最大值、最小值）以及測量值之間的最大互差。由于ATR的照準(zhǔn)精度與外部測量環(huán)境有很大關(guān)系，故實(shí)驗(yàn)分為室內(nèi)和野外兩部分分別進(jìn)行。

2.1 室內(nèi)短基線測量

ATR觀測精度受溫度、氣壓和大氣湍流等外界因素影響較為明顯，為避免其影響，首先先在室內(nèi)無氣流變化、恒溫恒壓的短基線（約24 m）上測量。

2.1.1 具體操作：在23 m 距離處安置單棱鏡，粗略瞄準(zhǔn)之后，開啟ATR自動搜索。TS30 全站儀自動搜索并精確瞄準(zhǔn)，記錄下水平角、垂直角讀數(shù)和平距值。由于TS30的ATR精確搜索范圍是1°25′，為檢測ATR性能并探測最值，保持棱鏡不動，微調(diào)望遠(yuǎn)鏡筒向上偏離棱鏡中心1°25′左右，再進(jìn)行測量，記下測量值，再微調(diào)望遠(yuǎn)鏡筒向下、左、右偏離棱鏡中心各1°25′左右，分別記下各情況下的測量值。每臺儀器做盤左盤右10個測回，算出各測量值的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，換儀器進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 計算方法：均值：， 其中，取n=10；

標(biāo)準(zhǔn)偏差：，其中，取n=10。

為計算方便，第一次觀測值均置零，使水平角均在零附近測量，測得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得表1（為敘述方便，表中忽略度和分的部分，只考慮秒的部分，這不會影響分析的結(jié)果，垂直角部分未列出，計算和分析方法同理）：

可以看出，十次測回中，盤左觀測的水平角標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為0.57″，不同偏離方向間的最大互差為0.8″；盤右觀測的水平角標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為0.55″，不同偏離方向間的最大互差為3.5″；盤左盤右觀測的平距標(biāo)準(zhǔn)偏差最大均為0.1 mm，不同偏離方向間的最大互差均為0.1 mm。通過對水平角和平距不同測回的測量結(jié)果的分析，可看出各儀器在室內(nèi)短基線（約24 m）范圍內(nèi)，ATR測距值的內(nèi)符合精度非常高，且盤左盤右無差別；測水平角的內(nèi)符合精度較高，盤左盤右略有差距，但總體上來說ATR測量重復(fù)性很好，ATR照準(zhǔn)可靠性很高。

同樣分析垂直角可知（垂直角表在此省略），各儀器在室內(nèi)短基線（約24 m）范圍內(nèi)，ATR測垂直角的內(nèi)符合精度也非常高，ATR測量重復(fù)性很好，ATR照準(zhǔn)可靠性

很高。

2.2 野外長基線測量

選擇地形開闊、通視良好的海河比長基線場作為野外實(shí)驗(yàn)場地，選定5、6、8、10號（距離分別為：71.9980 m、

168.0034 m、479.9944 m、1085.9979 m）強(qiáng)制對中觀測墩作為鏡站觀測點(diǎn)，消除了儀器及棱鏡對中誤差的影響。重復(fù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程，計算儀器在各段距離上的平距、水平角值和垂直角值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、極值（最大值、最小值）以及最大互差。

表2列出了在不同測量距離上各臺儀器盤左測量的水平角重復(fù)性比較數(shù)據(jù)（盤右同理）。表中每臺儀器的數(shù)據(jù)是在表1的基礎(chǔ)上做了十個測回的平均值。通過比較可知，水平角的偏差在71.9880 m和168.0034 m距離上的比較穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差都控制在1以下，而在479.9944 m距離上和1085.9979 m距離上標(biāo)準(zhǔn)偏差值有增大趨勢，說明測量結(jié)果離散性漸大，也就是說ATR測量的重復(fù)性變差。結(jié)合垂直角數(shù)據(jù)分析，可知垂直角與水平角的測量重復(fù)性的變化趨勢一致。

對于距離測量，ATR在這四個距離上測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差都很小，均小于0.2 mm，測量重復(fù)性非常好。

3 結(jié)語

（1）ATR測量重復(fù)性受溫度、氣壓、大氣湍流等因素的影響，室內(nèi)測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。

（2）盤左和盤右對ATR測量重復(fù)性影響不大，基本可以忽略。

（3）觀測距離越長，ATR測量重復(fù)性越低，其中對于TS30來說，200 m之內(nèi)，ATR測量重復(fù)性很高，超出200 m，測量值逐漸離散，超過1000 m，測量值重復(fù)性大幅降低。這也正好跟前面提到的TS30“ATR照準(zhǔn)精度200 m內(nèi)優(yōu)于1 mm，1000 m優(yōu)于2 mm，工作范圍1.5 m～1000 m”相符合。說明ATR測量重復(fù)性與ATR測量精度也有一定的關(guān)系。而1085.9979 m超出了ATR的標(biāo)稱工作范圍，重復(fù)性的變化不予

考慮。

（4）ATR測距的重復(fù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測角重復(fù)性，在1000 m內(nèi)，沒有明顯波動，幾乎不受觀測距離的影響。

（5）總體來說對于測量機(jī)器人TS30來說，ATR測量既縮短了工作時間，又降低了勞動強(qiáng)度，并且測量的重復(fù)性很高。由于實(shí)際測量中很少會超過200 m測程，故TS30的ATR測量可靠性很高，“全世界最先進(jìn)的測量機(jī)器人”稱號當(dāng)之

無愧。

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