基于PDA全站儀對盾構機空間圓的檢測

徐壽志，程鵬飛，吳秀娟

（1.武漢大學測繪學院，湖北武漢 430079；2.國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830；3.國家光電測距檢測中心，北京 100039）

一、引 言

在工業測量中，經常需要對空間圓形物體或圓柱體進行檢測，通過測量得到其空間圓的圓心、半徑、圓度，以及平整度等相關信息，以確定該工業器件是否滿足設計要求。PDA作為一種新型的個人掌上電腦，內置功能強大的Windows Mobile操作系統，能夠與全站儀、GPS進行實時通信，近年來在測繪行業也有了一些應用。文獻［1］研究和開發了基于PDA的全站儀橋梁檢測系統軟件，該系統具有良好的輸入、輸出、管理分析等功能，較好地滿足了橋梁檢測的需要；文獻［2］研究和解決了PDA在野外數字測圖中的應用問題，實現了數字測圖的內外業結合，提高了工作效率。而通過PDA控制全站儀在工業測量中的應用相對較少。本文通過PDA控制全站儀，以盾構機的法蘭為例，對其進行檢測，解算出法蘭的圓形參數。而在實際測量中由于空間物體過大，全站儀一測站無法觀測空間圓形物體的全部輪廓，經常需要搬站測量，此時需要通過PDA對全站儀采集數據進行坐標轉換，將數據統一到一個坐標系下再進行解算。

二、空間圓形物體檢測方法

1.PDA和全站儀的數據通信

全站儀的通信方式通常有4種:紅外、藍牙、串口同步、串口異步，本文采用藍牙通信的方式。全站儀的通信參數有:串口號、波特率、奇偶檢校位、數據位、停止位，且全站儀的參數應與PDA參數設置一致才能通信。全站儀的通信指令:不同品牌的全站儀的指令都不太一樣，不過大同小異，都是通過這些指令對全站儀進行控制，以徠卡全站儀為例，根據實際測量需要選擇通訊指令。本文采用的通信指令為 GET/M/WI31/WI21/WI22/WI81/WI82/WI83，具體表示為斜距、水平角、豎直角、N、E、H。PDA開發程序串口通信的過程為:①打開串口，通過CreateFile函數打開串口；② 配置串口，通過SetCommState函數來配置通信參數，當全站儀的串口配置與PDA的參數配置匹配以后才能通信；③讀寫串口，通過ReadFile和WriteFile函數完成數據的讀寫工作；④關閉串口，通過CloseHandle函數來完成。

2.全站儀一站測量檢測方法

當物體較小可以通過全站儀一個測站進行測量，首先通過全站儀自由設站的方法測量空間物體上面均勻分布的點，將這些點利用球面方程進行擬合，并使它們在一個球面上；然后再根據這些點擬合出其平面方程，通過球面方程和平面方程聯立即可求得物體的圓形參數。具體過程如下:

空間圓球方程

通過間接平差模型

則

空間平面方程

平面方程中的4個參數存在線性關系，取D=1，代入式（4）得

通過間接平差求得平面方程的參數，并與空間球面方程聯立求解出空間圓形物體的半徑、圓度和平整度。各點圓度和平整度計算公式為

式中，（ox，oy，oz）為空間圓形物體的圓心坐標；r0為空間圓形物體的半徑；Δr為圓度；Δd為平整度。

3.全站儀多站測量檢測方法

由于場地限制，或由于障礙物遮擋視線時，需要多次設站。在廠房中一般無控制點，這樣多站之間需要通過公共點進行坐標轉換，將坐標統一到一個坐標系下。以兩個測站為例通過全站儀自由設站方法進行坐標數據采集，具體過程如下:

1）首先連接PDA和全站儀，進行通信參數設置，使它們能夠正常的數據通信。

2）在第一個測站上通過自由設站，先觀測兩個公共點（一般至少兩個公共點），然后在空間圓形物體上進行選點測量。

3）搬站時，也是自由設站先觀測兩個公共點，然后對空間圓形物體的剩余部分進行選點測量。

4）通過PDA中的坐標轉換模塊將采集到的兩測站坐標數據統一到一個坐標系上，然后再進行空間球面擬合和空間平面擬合聯合解算空間圓形物體參數，具體過程見上一節。坐標轉換方法如圖1所示。

圖1 坐標轉換示意圖

坐標轉換公式為

式中，x0、y0、h0為平移參數；α 為旋轉參數。

由于式（8）進行解算時需要線性化，可以將該公式進行簡化。在實際測量過程中，儀器需要精確整平，使得xoy面水平，這樣式（8）可轉換為

根據式（3）解算出坐標轉換參數（x0，y0，h0，cos α，sin α），再根據式（8）將兩坐標系統一到相同坐標系中，最后進行空間圓參數解算。

三、工程實例

在盾構機的建造過程中，需要對其組成構件進行檢測，從而確定其參數是否符合設計要求。通過PDA控制全站儀進行數據采集，可以對盾構機的圓形構件進行檢測。本文采用徠卡TCR402全站儀，用一個小工件沿著法蘭的邊緣利用全站儀無反射棱鏡進行觀測，法蘭的采集數據見表1。

表1 盾構機法蘭的采集數據 m

將采集到的數據導到PDA中進行圓形參數解算。其解算結果:圓心坐標為（-8.857 6 m，11.067 6 m，-1.7272 m），直徑為2.9916 m，周長為9.398 7 m。各點的圓度和平整度見表2，已知圓的直徑為2.992 0 m，測量所得結果的誤差為-0.4 mm。

表2 法蘭的圓度和平整度解算結果 mm

四、結束語

本文以盾構機的法蘭為例，介紹了通過PDA控制全站儀解算空間圓形物件的圓形參數的方法，通過該方法可以確定圓形物體的圓心、半徑、圓度和平整度。數據采集過程中應取圓形物體上均勻分布的點，并且取的點應盡量在一個平面上。該方法較盾構機圓形參數確定的傳統方法相比可操作性好、省時、省力，該方法同樣適用于工業測量中的其他圓形物體的參數確定，具有一定的參考價值。

［1］ 劉國軍.基于PDA全站儀橋梁檢測系統研究［D］.重慶:重慶交通大學，2009.

［2］ 吳宗祥.PDA控制全站儀的測繪模式研究［D］.昆明:昆明理工大學，2007.

［3］ 葛永慧，趙剛，楊曉琴.PDA與全站儀的串口通信［C］∥《測繪通報》測繪科學前沿技術論壇論摘要集.北京:測繪出版社，2008.

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［8］ 劉學求，沈彥文.基于多公共點基準轉換的計算方法及精度評定［C］∥2007全國測繪科技信息交流會暨信息網成立30周年慶典論文集.北京:［s.n.］，2007.

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