Leica型測量機器人自動觀測技術研究

郭春生

(上海巖土工程勘察設計院有限公司，中國 上海200438)

0 概述

隨著電子技術和計算機技術的發展, 全站儀的自動目標識別(Automatic Target Recognition）技術應運而生。 全站儀發送的紅外光被反射棱鏡返回，經儀器內置的CCD 相機接受并判斷后，馬達驅動全站儀自動轉向棱鏡，自動精確確定棱鏡中心的位置，代替大量人工照準目標枯燥、繁瑣的調焦和精確照準工作。

瑞士徠卡公司生產的TPS 系列測量機器人提供了GeoCOM 接口技術，可以對測量機器人進行二次開發，實現用戶對測量程序的定制。

GeoCOM 接口是一個函數包，其封裝了用戶與徠卡全站儀進行通訊交互時調用儀器上的子系統所需的客戶端調用接口：例如控制全站儀進行動作，計算地理數據等。 這些接口類似于全站儀內部的機載程序，用戶通過全站儀COM 口向全站儀發送一系列可識別的ASC 碼指令，全站儀響應后，再把執行結果通過COM 口發還給用戶。

1 技術流程

本系統使用的是TS30 全自動全站儀，該儀器測角精度為0.5″，測距精度為 lmm±1ppm*D(D 為所測距離)，轉速為 180°/秒，正倒鏡的轉換只需2.9 秒，非常有利于進行自動化觀測。 本系統利用C#，開發機載觀測程序，測量思路如下：

（1）工程配置：設定工程的 2C 差、2C 互差、歸零差、測回互差、測距誤差等限差；

（2）測站配置：輸入測站名、 儀器高以及測站的三維坐標；

（3）學習點配置：輸入觀測點名稱、 棱鏡高， 確認后測量，得到學習點的三維坐標；

（4）重復步驟3，完成所有學習點的測量；

（5）設定測回數，開始測量，儀器按照全圓觀測法，對所有待測點進行指定測回數的測量， 測量完成后自動保存數據；

（6） 若發生觀測誤差超限的情況， 儀器自動重測；（重測規則：①對上半測回歸零差超限以及其它原因未測完的測回， 都可以立即重測。 ②若零方向的2C 互差超限或下半測回的歸零差超限，則應重測整個測回。 C.某一測回距離互差超限，應重測該整個測回。 ）

（7）對測量結果進行平差處理，導入數據庫中；

（8）導出數據結果，保存為Excel2003 格式。

2 通訊方案

變形監測任務中往往會遇到操作人員無法直接碰觸儀器的場景，同時任務又要求數據能夠實時的更新與獲取。 全站儀自身提供的Rs232 電纜線可用距離非常短（1.5m），無法將觀測數據及時、有效的送達到遠程的操作人員。 當有新的測量任務或測量目標更改時,遠程操作人員無法將指令及時下達至全站儀。 本文采用的技術路線：

（1）全站儀通過RS232 電纜與藍牙適配器連接；

（2）藍牙適配器與前端工業級PDA 通過藍牙連接；

（3）工業級PDA 采用GPRA 與監控計算機連接。

以上連接均能實現數據、指令的雙向通訊，通訊路線如下圖：

圖1 測量機器人開發通訊解決方案

為保證觀測系統可靠性，測量指令采用配置文件的形式保存在前端工業PDA 內，PDA 測量模塊有微電腦功能和GPRS 通訊功能。 測量模塊與全站儀連接，按預定時間點驅動全站儀觀測，并實現與遠程控制端的通訊。 遠程控制端也可把修改的配置信息發往測量模塊，或指揮測量模塊即時開始測量。

3 工程案例及數據處理

3.1 項目介紹

本系統成功應用于某大型基坑監測工程。 為儀器通視要求，現場測量機器人架設在6 米高的儀器臺上，監測現場如圖2。

圖2 測量機器人自動化觀測現場

為評價儀器臺的穩定性， 在周邊的穩定區域設置6 個基準點，歷次觀測前采用后方交會方法實時糾正儀器臺的坐標，然后實施對監測點的觀測。

根據平差理論，以全站儀的方向，角度，邊長為觀測值的平面網觀測數據，可以用間接平差的函數模型來進行求解,如圖3 所示：

圖3 觀測示意圖

圖中，j 為全站儀測站，h、k 為已知控制點， 則方向jk 的角度觀測值的誤差方程在k 為已知點時就可以寫為[8]：

另外，當k 為已知點時，jk 的測邊誤差方程可以寫為[8]：

根據測得的數據建立誤差方程，在程序中可寫為：

角度方程：

AXi(I,0)=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi(I,1)=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi(I,0)=Azf-CtrPnts(I).Hz

邊長方程：

AXi(I,0)=Dxb/Dstb

AXi(I,1)=Dyb/Dstb

ALi(I,0)=Dstb-BianChang(I)

利用程序對方程進行迭代計算， 最終求得測站坐標的改正值（x，y），圖4、圖5 所示。

圖4 測站點x 坐標變化曲線

圖5 測站點y 坐標變化曲線

上圖選取的是一天之內測站點坐標x，y 曲線，由于儀器臺是一根6 米高的鐵柱，如圖6 所示,熱脹冷縮比較嚴重，圖中可以看出，在晴天,測站的坐標跟日照的關系有著很大的相關性：夜間無日照，測站坐標平滑穩定；白天日出，測站坐標開始偏移，并在午間日照最大時達到頂峰，隨后逐漸回落，夜間又開始平穩。說明了獲取數據后平差處理的必要性。

3.2 數據差分

在利用測量機器人進行觀測時，測量過程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器內部誤差等等，采用差分的方法可以消除或減弱這些誤差的影響，以提高測量的精度。 而差分技術要求一周期的測量時間不能太長，測量機器人進行自動監測就能夠滿足這一要求。所以本程序中對監測數據采用差分的方法進行處理。

（1）距離差分

因為測站點和參考點位于非變形區域，可以認為它們之間的距離是不變的[7]，設監測站至某參考點的己知的斜距為dj, 在監測過程中，某一時刻該方向距離的實測值為dj′,兩者之間的差異可以認為是由于氣象條件變化引起的，則氣象改正的比例系數為：

Δd=（dj- dj′）/dj′

為保證氣象改正比例系數的可靠性，程序中取所有參考點測定的氣象改正系數的平均數△d，來用于對監測點的距離測量數據D 進行改正。

（2）角度差分

長期的無人看守自動監測過程中，儀器不可避免的產生水平度盤零方向的變化，對方位角的影響是不可忽略的[6]。 在變形監測中，所求變形量均是相對于第一期而言的，所以可把參考點第一次測量的方位角Hzj作為基準方位角，利用參考點觀測值和平差后的測站坐標可以計算本次測量的方位角Hzj′與基準方位角相比，有一個差異ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同樣，取所有參考點的角度差分平均值ΔHz，對所有監測點的Hz進行改正。 圖6、7 顯示了差分后的計算對比，結果是顯而易見的。

圖6 未差分的計算結果

圖7 差分后的計算結果

4 結論

本文利用GeoCOM 控制全站儀進行變形觀測數據采集，大幅度的提高測量效率，實現24 小時的不間斷觀測，真正意義上實現了無人值守，節省了大量人力,采集的數據結果經過平差和差分后也有較好的可靠性，用戶能清晰地看到儀器與電腦通訊過程 ,并及時處理通訊及遠程調用時出現的各種情況。 并且通過裝備藍牙或者GPRS 工業模塊，能夠實現一臺電腦操作幾臺全站儀，在工程測量當中有著較好的開發前景。