CN101960256B

CN101960256B - 测量仪器的自动校准

Info

Publication number: CN101960256B
Application number: CN200880127641.6A
Authority: CN
Inventors: C·格拉瑟
Original assignee: Trimble AB
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: US20150160039A1; CN101960256A; US9874458B2; US20110023578A1; US9863782B2; WO2009106144A1; EP2247923A1; EP2247923B1; US8978440B2; US20150153200A1

Abstract

本发明提供一种用于校准大地测量仪器的方法、一种仪器以及该仪器的计算机程序产品。在本发明的方法和大地测量仪器中，探测对由该仪器进行的测量有影响的至少一个参数的值，并将该值和预定阈值进行比较。基于探测值和预定阈值之间的比较，将仪器瞄准参考目标，以及使用该参考目标进行校准。本发明的优势在于，提高了由该仪器进行的测量的准确性和可靠性。另外，本发明优势在于，减少了对机械稳定性的要求。

Description

测量仪器的自动校准

技术领域

本发明总体涉及用于测量的系统和方法。本发明具体涉及用于校准大地测量仪器的方法、大地测量仪器及其计算机可读产品。

背景技术

测量领域涉及使用测量角度和距离来确定物体的未知位置、表面或体积。为了进行这些测量，测量仪器常常包括可以集成在经纬仪中的电子测距单元(EDM单元)，从而形成所谓的全站仪。全站仪结合了电子、光学和计算机技术，并进一步设有具有可写信息的计算机或控制单元，所述计算机或控制单元用于控制待进行的测量并用于存储在测量期间获得的数据。优选地，全站仪计算目标在固定的地面坐标系中的位置。例如，在本申请人的专利公布文本WO 2004/057269中，更详细地描述了这种全站仪。

图1中示意性地示出经纬仪，该图在下文中用来说明可能出现在这类测量仪器中的典型误差。该经纬仪100包括：底座，其三脚台105安装在三脚架110上；照准仪115，其安装在底座上用于绕竖直轴线120旋转；以及中心单元125，其安装在照准仪上用于绕水平轴线130旋转。

经纬仪100的中心单元125包括用于瞄准目标的望远镜和光学元件。

就全站仪来说，还可以在中心单元125中设置EDM单元，该EDM单元通常在中心单元的光学轴线的方向上运行，即，沿瞄准线135运行。

在常规的EDM单元中，从也被称作发射机的辐射源发出辐射束，作为朝向目标(或现场)的表面的光线，并且从该表面反射的光束由在EDM单元中的接收机探测，从而产生信号。例如根据飞行时间测量(time of flight measurement)方法或调制相移测量(modulationphase shift)方法来处理探测到的信号，使得能够确定到该表面的距离，即，在EDM单元和目标之间的距离。

测量的准确性部分取决于大地测量仪器的机械稳定性。尤其是，如果该仪器的各轴线相互绝对平行或垂直，那么该仪器会进行准确测量。例如，EDM单元的轴线优选地平行于中心单元的轴线，即，全站仪100的瞄准线135。

由于在仪器的生产或使用期间通常出现仪器轴线与理想位置的某些偏离，因而准确测量取决于对该仪器的各种装置、光通道和/或轴线的对准和校准。例如，光通道可以是瞄准线和/或EDM单元的发射和接收光通道。

下文中，将对准(alignment)和调整(adjustment)与校准(calibration)作区分。校准是这样的过程，在该过程中对参数或仪器设定进行测量，并将它们与参考值进行比较。测量值与参考值之间的差值用于例如使用数学算法来补偿偏离。该偏离可能物理上仍存在，但是该偏离的影响被消除了或者至少被减少了。对准和调整用于例如通过机、电、光补偿来最小化所述偏离。

例如，可能有准直误差(collimation error)，该准直误差在图1中分别由瞄准线在竖直维度(参考竖直轴线的方向)和水平维度(与参考水平轴线垂直的方向)上的竖直偏离ε_v和/或水平偏离ε_h示出。还可能有水平轴线130在与参考竖直轴线垂直的方向上的偏离ε_k。偏离ε_k代表全站仪100的耳轴轴线误差(trunnion axis error)，该偏离在瞄准视平线(horizon)以外的目标时促成误差。

通常，在生产阶段，例如在制造仪器期间，和/或就在准备销售该仪器时，对仪器的不同光通道和轴线进行校准和对准。例如，EDM单元的轴线，尤其是发射机和接收机关于瞄准线的相对位置可以被调整(对准)。另外，可以借助于机械对准来减小如上所述的准直误差。然而，在机械调整之后，还可能存在剩余偏离，该剩余偏离可以被测量且被包含在仪器设定(校准值)中用于补偿。为了测试对准和/或校准是否足够稳定，全站仪还可能受到机械冲击荷载和温度变化。

另外，用户可以根据记载在用户手册中的用法说明进行现场校准。例如，为了提高测量准确性，建议在启动仪器大约十五分钟后进行手动校准，这相当于该仪器预热所需的时间。

对于手动操作程序，用户例如可以通过根据双面测量(two-facemeasurement)瞄准目标来校准瞄准线的准直度。该双面测量基于经纬仪的对称性，这使得在瞄准同一目标时允许读取两个角度。首先为第一面(面1)读取方向角，即水平角和竖直角的结合，并且在将仪器绕竖直轴线旋转200百分度(gon)以及将中心单元绕水平轴线旋转200百分度之后，为第二面(面2)读取方向角。两个水平角(一个为第一面1读取，另一个为第二面读取)之间的差值减去200百分度，得到在水平方向上两倍的准直误差，即，2ε_h。由400百分度和两个竖直角(一个第一面(面1)读取，另一个为第二面(面2)读取)的总和之间的差值，得到在竖直方向上两倍的准直误差，即，2ε_v。然后，得到的偏离用来在测量期间补偿角度读数。此外，用户可以通过将仪器绕其竖直轴线旋转大约200百分度来校准该仪器中的倾斜传感器的位准点(level point)。

然而，现有技术方法和测量仪器(诸如上述的方法和测量仪器)的缺点在于，测量的准确性和可靠性有限。另外，对机械稳定性的要求高，由此增加了开发大地测量仪器所需的成本和时间。

因此，需要提供能克服这些问题的新方法和系统。

发明内容

本发明的目的是全部或部分克服现有技术的上述不足和缺点，以及提供一种比上述技术和现有技术更高效的替代方案。

更具体地，本发明的目的是提供一种用于校准大地测量仪器的方法以及一种大地测量仪器，以增加该仪器所进行测量的准确性和/或可靠性。

本发明的另一目的是提供一种用于减小对机械稳定性的要求的方法和测量仪器。

本发明的这些以及其他目的通过具有限定在独立权利要求中的特征的方法、测量仪器和计算机程序产品来实现。本发明的优选实施方案以从属权利要求为特征。

因此，根据本发明的第一方面，提供一种用于校准大地测量仪器的方法。该方法包括以下步骤：探测对该仪器所进行的测量有影响的至少一个参数的值；以及将该参数的探测值与预定阈值进行比较。另外，该方法包括以下步骤：基于该参数的探测值和预定阈值之间的比较，将该仪器瞄准参考目标；以及使用该参考目标进行校准。

根据本发明的第二方面，提供一种大地测量仪器。该大地测量仪器包括：底座；照准仪，其可旋转地安装在底座上以绕第一轴线旋转；中心单元，其可旋转地安装在照准仪上以绕第二轴线旋转；处理单元；以及至少一个探测器，其用于探测对该仪器所进行的测量有影响的至少一个参数的值。该处理单元被配置为：将该参数的探测值与预定阈值进行比较；基于探测值和预定阈值之间的比较，控制照准仪和中心单元以将该仪器瞄准参考目标；以及使用该参考目标对该仪器进行校准。

根据本发明的第三方面，提供一种用于告知大地测量仪器的状态的方法。该方法包括以下步骤：探测对所述仪器所进行的测量有影响的至少一个参数的值；将探测值与预定阈值进行比较；以及基于这种比较，发送警报。

根据本发明的第四方面，提供一种计算机程序产品，其可装载入根据本发明的第二方面的大地测量仪器的内存储器中，包括软件代码部分，该软件代码部分用于使得大地测量仪器的控制单元或处理器执行根据本发明的第一方面的步骤。

根据本发明的第五方面，提供一种计算机程序产品，其可装载入大地测量仪器的内存储器中，包括软件代码部分，该软件代码部分用于使得大地测量仪器的控制单元或处理器执行根据本发明的第三方面的步骤。

本发明基于这种构思：控制何时要对大地测量仪器进行校准。是否需要校准是通过以下步骤确定的：探测对大地测量仪器所进行的测量有影响的参数的值；以及将这些探测值与预定阈值进行比较。

利用本发明，大地测量仪器自身决定是否要进行校准。是否需要校准大地测量仪器是通过探测器探测的，并不需要诸如在现有技术中的用户的主观干涉。

例如，在测量仪器安装用于监测桥梁或隧道的情况下，是否需要校准是通过仪器自身探测的，并不需要人员靠近仪器。

本发明具有许多优势。例如，本发明的大地测量仪器和方法的优势在于，仪器的校准是在客观需要时进行的，并不是根据用户的主观估计。利用本发明，可以定期地进行校准。相反，对于现有技术的系统，用户可能经常仅在得到异常结果时才意识到需要校准，这太迟了。

另外，本发明的优势在于，大地测量仪器可以被使用，而不用等待使仪器适应环境温度或者不用在仪器预热所需时段期间等待。实际上，借助本发明，能够在仪器的温度增加期间进行校准。

另外，本发明的优势在于，它简化了大地测量仪器的设计。实际上，由于是否需要校准是自动探测的，因此通过校准确保了测量的准确性，并且减少或至少放宽了对仪器的机械稳定性的要求。

另外，由于减少了对机械稳定性的要求，本发明优势在于，大地测量仪器可以例如由诸如塑料的轻质材料制成。因此，可以减小仪器的重量以及用于生产仪器的材料成本。

另外，由于放宽了对机械稳定性的要求，本发明优势在于，它简化了大地测量仪器的开发。因此，可以减少开发大地测量仪器所用的时间和成本。

另外，本发明优势在于，可以减少在生产中进行的校准试验的次数。另外，本发明可能优势在于，可以完全控制现场校准的周期数(periodicity)。更具体地，可以通过调整预定阈值的值来控制现场校准的周期数。例如，如果认为当仪器的温度超过第一温度阈值时校准仪器的次数太少，则可以使用低于第一温度阈值的第二温度阈值来增加校准的周期数。

在本发明的方法中，探测对仪器所进行的测量有影响的参数。这些参数可以例如影响仪器的可靠性和/或准确性。本发明的大地测量仪器包括用于探测这种参数的至少一个探测器。

特别参照本发明的第三方面，为告知大地测量仪器的状态而发送警报的优势在于，用户被告知大地测量仪器已发生的情况(参数的值已变)。为此，可以立即或者稍后进行校准。或者，该警报可包括一建议对大地测量仪器进行检修的检修消息。如果参数的变化超过预定值，则可以建议检修，而不是校准。

大地测量仪器的状态可以是：需要校准、需要检修、或者可能什么也不用做。该状态可以被包括在警报中。

应注意，根据本发明的第三方面的方法可以采用与根据本发明的第一方面的方法相似的方式在大地测量仪器中实施。

另外，本领域的技术人员应理解，以下实施方案中的大部分虽然是参照本发明的第一方面进行描述的，但是可以与本发明的第三方面的方法结合使用。

根据一实施方案，大地测量仪器可以包括用于探测仪器温度的温度传感器。在本实施方案中，一旦仪器温度发生变化，就进行校准。实际上，由于每种材料都会随温度而膨胀或收缩，仪器的准确性和/或可靠性可能受温度变化影响。或者，温度传感器可以适合于探测环境温度。

另外，可建议考虑使仪器适应环境温度所需的时间。因此，可能有利的是，探测仪器温度和环境温度之间的差异。

根据另一实施方案，仪器可以包括用于探测加速度的加速度传感器，该加速度也可以影响仪器的准确性和/或可靠性。加速度的探测可能例如相当于探测该仪器受到的或已受到的机械冲击或运输应力。

根据另一实施方案，仪器可以包括用于探测倾斜角的倾斜传感器，该倾斜角相当于仪器竖直轴线和竖直参考铅垂轴线之间的偏离。例如，如果用户不小心撞到仪器，倾斜传感器可以探测倾斜角的变动。如果变动超过预定阈值，即，可容许的倾斜角变动，那么可以进行仪器校准。

根据又一实施方案，待探测的参数可以是时段(a period oftime)，并且大地测量仪器可包括计时器以探测该时段是否到期。该时段可以优选地以月、周、天、时、分和/或秒为单位，并且相当于每次仪器校准之间的周期。本实施方案的优势在于，校准周期不依赖于用户的主观估计，相反地，该校准周期被编制程序从而以预定间隔开始。该周期可能例如适应于使用该仪器的频率。通常，校准频率随使用频率而增加。

根据一实施方案，如果仪器关闭，则参数的探测值被记录在例如仪器的存储器中。一旦仪器开启，则该探测值接着与预定阈值进行比较。本实施方案的优势在于，即使在仪器关闭时，也监测参数的变动。因此，由于在仪器关闭时发生的参数变化也可以进行校准。例如，仪器可以记录它已在从一工地运输到另一工地期间受到冲击，并且因此一旦该仪器被开启就可以进行校准。参照现有技术的仪器，用户可能常常未注意到仪器在运输期间受到冲击，因此一旦仪器开启就不一定进行校准。本实施方案的优势还在于，由于仪器自身探测是否需要校准，用户在运输仪器中可以不用太谨慎。

根据参数的类型以及与该参数相关联的预定阈值的类型，如果探测值超过预定阈值或者如果探测值低于预定阈值，那么可以进行校准。例如，如果待探测或监测的参数为环境温度，那么如果发生以下任一情况：温度低于第一预定阈值或者如果温度超过第二预定阈值，则可以进行校准。另外，还可以根据温度增加的程度(rate)来确定是否需要校准。例如，每当温度已增加一预定义值，例如每两度，则可以进行校准。

根据一实施方案，如果探测值超过或低于预定阈值一预定义值，那么进行校准，其优势在于，因参数与预定阈值相比的明显不同而进行校准。

根据一实施方案，基于参数的探测值和预定阈值之间的比较，生成警报。根据所生成的警报，仪器接收一包括校准指令的消息。如果接收到的消息包括进行校准的指令，那么仪器瞄准参考目标并且进行校准。本实施方案的优势在于，仪器自身探测是否需要校准，但用户可以决定是否进行校准。当用户接收告知需要校准仪器的警报时，用户发送回一包括校准指令的消息。该消息可以包括进行校准的指令或者不进行校准的指令。用户决定进行校准或不进行校准可以例如取决于仪器当前是否正在进行测量。

根据参数的类型以及与该参数相关联的预定阈值的类型，如果探测值超过预定阈值或者如果探测值低于预定阈值，那么可以生成警报。另外，如果探测值超过或低于预定阈值一预定义值，那么可以生成警报。

根据一实施方案，仪器被配置为取回在先前校准中使用的参考目标位置。或者，大地测量仪器适于搜索参考目标。

在校准期间参考目标与仪器协作。参考目标可以具有各种形状并且适合于校准仪器的多个装置(多个单元)。尤其是，参考目标在坐标系中的位置是固定的(即，至少在校准期间不移动)。在一配置中，仪器包括三脚台，参考目标可以布置在该三脚台处。在另一配置中，参考目标布置在仪器的底座处。或者，参考目标可以布置在三角架处，仪器安装在该三角架上。在另一配置中，目标可以位于仪器附近。

在校准期间，仪器为该仪器的多个装置、元件和/或轴线确定新的设定或校准值，所述设定用来保持仪器的可靠性和准确性。

根据另一实施方案，仪器的处理单元发送确认通知，该确认通知指出哪些仪器设定已被校准。另外，该确认通知可以包括校准过的仪器设定和仪器设定的先前值之间的偏离。用户可以基于该偏离评估校准的质量。另外，用户也可以评估校准的时序安排是否适当，即是否实际上不需要校准或者是否校准被安排迟了，并且用户也可以相应地调整预定阈值。

根据一实施方案，处理单元可以被配置为：将在校准期间获得的仪器设定与容许值进行比较；以及如果确定该仪器设定快超出或已超出容许值的范围，则发送检修消息。本实施方案的优势在于，根据检修消息的内容，可以优选对仪器检修而不进行校准。如果仪器设定接近阈值，则用户可以在小的准确性限制的情况下继续测量，但也建议预定一检修日期。

如上所述，仪器的多个装置、元件和/或轴线可以被校准。

根据一实施方案，大地测量仪器装备有包括图像传感器的照相机，并且校准包括对照相机的校准。

在另一实施方案中，大地测量仪器装备有倾斜传感器，该倾斜传感器用于探测仪器是否相对于参考铅垂竖直轴线倾斜(图1中未示出偏离)；并且校准包括对倾斜传感器的校准。

在另一实施方案中，校准包括确定竖直和/或水平维度内的准直误差。

在另一实施方案中，校准包括确定耳轴轴线误差(ε_k)。

在另一实施方案中，校准包括确定沿水平方向的仪器取向。具体而言，沿水平方向的仪器取向可以是通过将在仪器的照相机上获取的参考目标的图像和在先前校准时获取的存储图像进行比较而确定的。

在又一实施方案中，大地测量仪器装备有电子测距单元(EDM单元)，并且校准包括对EDM单元的校准。

在下文中，描述了一种用于校准EDM单元的方法。用于校准EDM单元的本发法可以是如在本发明中限定的仪器校准的一部分。然而，用于校准EDM单元的本方法也可以脱离于本发明，且在任意类型的大地测量仪器中单独实施。例如，如下所述的EDM单元的校准操作程序，为了启动校准，不一定与参数值的探测有关。

校准方法包括步骤：扫描包括参考目标的区域。对于扫描区域的每个位置，EDM单元朝该位置发射辐射束并且接收从该位置反射的辐射束。另外，仪器的处理单元记录对应于该位置的仪器角以及代表与该位置相关联的接收到的辐射束的信号。记录仪器角和信号的处理单元也可以集成在EDM单元中。一旦已扫描区域的所有位置，就基于对所记录的角和信号的分析确定EDM单元的至少一个设定。用于校准EDM单元的本方法是用于校准EDM单元的现有技术操作程序的替代方法，且可以在任何类型的大地测量仪器中实施。

根据上述的用于校准EDM单元的方法的一实施方案，确定EDM单元的至少一个设定的步骤包括以下步骤：将所记录的信号的强度映射为所记录的角的函数；以及从该映射中提取EDM单元的设定。

具体而言，EDM单元设定可以对应于EDM单元的轴线和仪器轴线(即，图1中的瞄准线135)之间的角偏离。如果EDM单元的轴线和仪器轴线之间有偏离，那么校准EDM单元以使得该偏离不影响测量的准确性和/或测距性能(range performance)。例如，记录EDM轴线的偏离，并在EDM单元所做出的即将进行的测量中考虑该偏离。或者，可以通过机械地移动EDM单元的发射机和/或接收机或者通过调整EDM单元的发射光学器件和/或接收光学器件来补偿EDM轴线的偏离。

EDM单元的设定也可以为EDM单元的运行宽度。运行宽度可以从所记录的信号的强度映射作为所记录的角的函数中提取。运行宽度代表接收机光路和发射机光路之间的重叠。

在一特定实施方案中，如果运行宽度在预定容许值的范围外，则这种信息被包含在检修消息中。

当细读以下详细公开内容、附图以及所附的权利要求时，本发明的其他目的、特征以及优点会变得显而易见。本领域的技术人员认识到，可以将本发明的不同特征组合以产生与下文中描述的那些实施方案不同的实施方案。

附图说明

参照以下附图，通过本发明的优选实施方案的以下示例性和非限制的详细描述会更好地理解本发明的上述以及其他目的、特征和优点。在附图中：

图1示出了现有技术的全站仪的视图；

图2示出了本发明的一实施方案的大地测量仪器的主视图；

图3示出了本发明的另一实施方案的大地测量仪器的中心单元的侧视图；

图4示出了本发明的一实施方案的校准操作程序的流程图；

图5示出了本发明的另一实施方案的校准操作程序的流程图；

图6示出了本发明的几个实施方案的参考目标的实施例；

图7示出了本发明的一实施方案的EDM单元的光路；以及

图8示出了本发明的一实施方案的用于EDM单元的校准操作程序的流程图。

所有的附图都是示意性的，不一定成比例，并且通常仅示出为解释本发明所必需的部分，其中其他部分可以被省略或仅仅被暗示。

具体实施方式

参照图2，下面将描述本发明的第一实施方案。

大地测量仪器，例如全站仪，示意性地示于图2中。全站仪200包括：底座105；照准仪115，其安装在底座上以绕竖直轴线120旋转；以及中心单元125，其安装在照准仪上以绕水平轴线130旋转。全站仪200还包括处理单元150和至少一个探测器170。

在本实施方案中，处理单元150布置在全站仪200的底座105处。然而，处理单元150还可以布置在例如照准仪115或中心单元125处，只要在处理单元150和探测器170之间建立连接。根据一实施方案，处理单元150可以为通过无线通信与全站仪200的探测器170和其他元件(单元)通讯的远程单元。

如图2中所示，仪器200的底座105可以安装在三角架110上。

底座105是大地测量仪器的非旋转部分，并且为了调平(levelling)目的，可以安装在三脚台上。

通常，中心单元125包括具有瞄准轴线或瞄准线135的望远镜。可控驱动器140设置用于根据水平角控制信号将照准仪115绕竖直轴线120旋转。角度传感器160，诸如角编码器或者磁性或电容性的分角器(angle resolver)，产生水平测量信号，该水平测量信号代表照准仪115相对于与底座105的水平角位置。相似地，可控驱动器145设置用于根据竖直角控制信号将中心单元125绕水平轴线130旋转，并且角度传感器165设置用于产生竖直测量信号，该竖直测量信号代表中心单元125相对于照准仪115的竖直角位置。

在运行中，底座105安装在三角架110上，相对于全站仪外部的水平参考(诸如地北或磁北)处于期望的角取向，并且竖直旋转轴线120通常是铅垂的。随着驱动器140使照准仪115旋转，水平测量信号指示照准仪相对于底座105的瞬时角取向。相似地，随着驱动器145使中心单元125旋转，竖直测量信号指示中心单元相对于照准仪的瞬时角取向。驱动器140，145的输入信号可以例如由操作者使用键盘或旋钮的输入或由全站仪200内的跟踪子系统155来提供。

应注意，其他类型的测量仪器可以具有两个或更多个不同的瞄准线。第一瞄准线可以由光学望远镜提供，该光学望远镜包括十字线、物镜和目镜，用于手动瞄准目标；第二瞄准线可以由诸如在具有跟踪功能的大地测量仪器中的物镜和位敏探测器(position sensitivedetector)(例如，象限探测器或照相机芯片(camera chip))提供。这种仪器在下文中称为跟踪器。跟踪器允许自动瞄准协作目标，该协作目标包括例如棱镜和/或发光源。另外，如果目标移动，跟踪器相应地移动。望远镜或位敏探测器可以用来确定朝向目标的相对于参考方向的方向角。

参照图3，描述了本发明的大地测量仪器的另一实施方案。

图3是中心单元325的侧视图。在一实施方案中，中心单元325可以等同于参照图2描述的中心单元125。

应注意，为清楚起见，图3仅示出中心单元可能包括的多个部件。例如，在本申请人的专利公布文本WO 2004001333中，更详细地描述了中心单元。这种中心单元可以用在本发明的全站仪200中。

在中心单元325中，设有总体标示为385的电子测距单元(EDM单元)。EDM单元385通常在中心单元325的光学中心的方向上(即，沿瞄准线335)(图2中的135)运行，位于由发射光通道302和接收光通道303限定的角锥之间的重叠内。角锥302的发散性主要由EDM单元中的发射和接收光学器件确定。EDM通常包括用于发射辐射束的发射机和用于接收例如从目标反射的辐射束的接收机386。EDM单元基于接收到的信号计算目标和全站仪之间的距离。

另外，中心单元325可以包括用于探测目标的数字照相机390，该目标例如通过发出已知特征的(例如调制)光、通过反射调制光、通过具有已知几何形状或图案和/或通过反射诸如日光的环境光，来与全站仪协作。照相机390通常包括图像传感器(或照相机芯片)，用于提供对应于照相机视场的现场的图像。或者，EDM单元可以包括望远镜，用于通过眼睛来进行视觉瞄准。

中心单元325还可包括照相机芯片处理单元，该照相机芯片处理单元适于计算被探测目标相对于图像传感器的位置。全站仪的处理单元150可以适于接收来自照相机芯片处理单元的输入，以及基于来自照相机芯片处理单元的输入，计算到目标的相对于中心单元125的方向。

如上所述，参照图2所述的全站仪的中心单元125可以被参照图3所述的中心单元325代替。

返回图2，探测器170可以为任意这样的探测器，该探测器适于探测对由全站仪200进行的测量有影响的参数。尤其是，探测到的参数可以对由全站仪200进行的测量的准确性和/或可靠性有影响。由全站仪200进行的测量例如可以是由EDM单元385提供的距离测量和/或由角度传感器160、165提供的角度测量。

虽然为附图的清楚目的在图2中仅示出一个探测器，但是全站仪200可以包括多个不同的探测器。

探测器170例如可以是适于探测仪器温度或环境温度的温度传感器。

探测器170可以为适于探测加速度的加速度传感器。这种探测器170可以探测例如仪器受到的或已受到的机械冲击或运输应力。

探测器170可以为倾斜传感器，该倾斜传感器适于探测对应于仪器竖直轴线120和竖直参考铅垂轴线之间的偏离的倾斜角。例如，如果用户不小心撞到该仪器(或者不小心移动该仪器)，则倾斜传感器探测全站仪200的竖直轴线120和竖直铅垂参考轴线之间的偏离。由于假定全站仪200的竖直轴线120是铅垂的，所以在图2中未示出竖直铅垂参考轴线。

探测器170可以为计时器，该计时器适于探测时段是否已到期。该时段可以优选地以月、周、天、时、分和/或秒来表示，并且该时段对应于该仪器每次校准之间的周期。

根据一实施方案，全站仪或大地测量仪器200包括存储器180，该存储器180适于记录参数的探测值，即使在全站仪200被关闭时(例如，在全站仪200从一工地到另一工地运输的期间)。在本实施方案中，在探测器170和存储器180之间建立连接，并且在存储器180和处理单元150之间建立连接。即使全站仪200断电，探测器170和存储器180也都是起作用的(active)，即，通电的。

参照图4，将描述本发明的一实施方案的用于校准大地测量仪器的方法。

方法4000可以在参照图2或参照图2和图3的结合所述的全站仪200中实行。

在步骤4010，探测器170探测参数P_a的值，该参数例如为环境温度，为简化起见，该环境温度可以等于25℃。

探测器170可以被配置为应处理单元150的请求传送参数的探测值到处理单元150，或者可以被设置为以每秒或以每一其他合适时间间隔传送探测值。

在步骤4020，一旦处理单元150接收参数的探测值，它就将探测值25℃与预定阈值P_t(例如20℃)进行比较。预定阈值可以为可容许的最小值或可容许的最大值。在本实施例中，预定阈值为可容许的最大值。

或者，探测器可以被配置为自己将探测值与预定阈值进行比较。在一实施方案中，探测器可以被配置为将探测值和预定阈值之间的差值(本实施例中为+5℃)传送到处理单元150。差值的符号表示探测值是超过还是低于预定阈值。在本实施例中，差值为正，这表示探测值超过阈值。

在全站仪200关闭期间记录探测值的情况下，探测值被传送到存储器用于存储，并且一旦全站仪200开启，则探测值被传送至处理单元用于与预定阈值进行比较。

基于探测值和预定阈值之间的比较，确定是否要校准该仪器。如果需要进行校准，则在步骤4030，将仪器瞄准参考目标。

如果预定阈值对应于诸如在本实施例中的最大可容许值，那么在探测值(25℃)超过预定阈值(20℃)时，在步骤4040进行校准。或者，如果预定阈值对应于最小可容许值，那么在探测值低于预定阈值时执行校准。

根据一实施方案，如果探测值超过或低于预定阈值一预定义值ΔP_t，则可以进行校准。

校准产生新的仪器设定P_i，其使得测量能够可靠和准确。

参照图5，将描述本发明的另一实施方案的用于校准大地测量仪器的方法5000。该方法可以在参照图2或参考图2和图3的结合所述的全站仪200中实施。

在步骤5010，探测器170探测参数P_a的值。探测器170可以被配置为应处理单元150的请求传送参数的探测值到处理单元150，或者可以被设置为以每秒或以每一其他合适的时间间隔传送探测值。

在步骤5020，一旦处理单元150接收到参数的探测值，它就将探测值与预定阈值P_t进行比较。

或者，探测器可以被配置为自己将探测值与预定阈值进行比较。在一实施方案中，探测器可以被配置为将探测值和预定阈值之间的差值传送到处理单元150。差值的符号表示探测值是超过还是低于预定阈值。

在全站仪200关闭期间记录探测值的情况下，探测值被传送到存储器用于存储，并且一旦全站仪200开启，探测值被传送至处理单元用于与预定阈值进行比较。

基于探测值和预定阈值之间比较，确定是否要校准该仪器。如果需要进行校准，则在步骤5030，该仪器生成警报，告知需要校准仪器。

如果预定阈值对应于最大可容许值，那么在探测值超过预定阈值时可以生成警报。或者，如果预定阈值对应于最小可容许值，那么在探测值低于预定阈值时可以生成警报。

根据一实施方案，如果探测值超过或低于预定阈值一预定义值ΔP_t，则生成警报。

在步骤5040，仪器接收包括校准指令的消息。如果接收到的消息包括进行校准的指令，则在步骤5050将仪器瞄准参考目标。在步骤5060，使用参考目标进行校准。

参考目标适于与仪器协作以进行校准，并且优选地适合于校准该仪器的各种装置、元件和/或轴线。

参照图6，将描述参考目标的实施例。

例如，参考目标可以包括棱镜，如标记为610的目标所示。目标610可以在具有三脚台或不具有三脚台的情况下安装在三角架上。目标610的棱镜具有良好的反射性能，例如作为角隅棱镜(corner cubeprism)，并且光线从该棱镜的中心反射，这适合于EDM单元的校准。

这种目标还可以设有在棱镜周围放置的目标板。在目标620的目标板上，包括许多黑线和白线的图案以这样的方式绘制，使得所绘制的线，或者至少它们各自的虚拟延长线，交叉于与棱镜的中心相对应的一点处。这种目标620的优势在于，即使目标远离大地测量仪器，该目标也是可识别的。因此，便于瞄准目标620。

或者，参考目标可以为目标板，在该目标板上绘制有适合于照相机校准的图案，如标记为630的目标所示。例如，分成四个相等部分(其中两个部分可以被着色)的圆形图案，是通常适合于图像处理且因此适合于仪器200的照相机的校准的图案。

或者，参考目标640可以包括多个被布置在目标的圆柱形部分的棱镜，该圆柱形部分优选地位于目标的顶部。棱镜可以按规则间隔布置，优选地相互等距分布在由圆柱形部分提供的360度周围。这种参考目标的优势在于，它可以用于在参考目标周围的大地测量仪器的不同位置。换句话说，棱镜目标640具有360度的配置，其可从许多不同方向被使用。因此，即使大地测量仪器移动了，仍能够找到目标640。

在另一实施方案中，这种参考目标还可以包括光源，例如发光二极管(LED)。这种目标650也被称为主动目标(active target)，并可以与跟踪器结合使用，因为它可以与跟踪器协作。

仍参照图6，将描述用于定位参考目标的优选配置。

虽然以下所描述的优选配置可以与本发明(即，探测对由大地测量仪器进行的测量有影响的参数)结合使用，但是这些优选配置并不依赖于对参数的检测，并且可以被独自使用。

图6示出了总体以660标记的目标，其位于大地测量仪器200的底座105中。

在这种配置中，根据一运行实施例，中心单元发出光线，该光线被反射镜663偏转到由调焦透镜662和反射/源元件661组成的准直仪(collimator)。调焦透镜662将光线聚焦在反射/源元件661的表面。反射/源元件661可以包括光纤(例如，具有大约50微米芯直径(corediameter)的纤维)。该纤维可以在反射/源元件661处具有抛光的纤维端，这种优势在于，光线被反射回到准直仪透镜。然后，光线被传送回到中心单元。或者，反射/源元件661可以包括半反射涂层。在本实施例中，该源用作反射器。反射功能可以用于校准EDM束或其他发射机/接收机的组合。

根据另一运行实施例，反射/源元件661可以包括用于将准直光传送到中心单元的光源，该光源例如可以用于校准照相机芯片、准直误差和/或耳轴轴线误差。

这种配置具有优势，这是因为它提供了相对于仪器具有固定位置的参考目标。另外，参考目标不必位于仪器的附近，在该仪器附近它可能受到干扰。这种配置对仪器的移动不敏感(或者至少不太敏感)。该配置还确保，中心单元和参考目标之间的距离在两次测量之间保持不变。在另一配置中，参考目标可以布置在其上安装有大地测量仪器的三角架处。

根据一实施方案，本发明的方法包括搜索参考目标的步骤。例如，可以通过在朝预定义区域的不同位置发出辐射束的同时用该仪器扫描该预定义区域来执行该搜索步骤。通过分析在仪器处接收到的信号来探测参考目标，其中该信号代表反射束。可以通过控制可控装置140、145来旋转该仪器，或者该仪器可以包括分立的扫描单元。作为另一实施例，可以借助于照相机和图像分析来执行该搜索步骤，以在照相机的视场内探测参考目标。另外，该搜索步骤可以将以下两者结合：分析由照相机获得的图像；和旋转该仪器。如果在由照相机获得的第一图像中没有探测到参考目标，那么可以将该仪器旋转对应于例如照相机的视场尺寸的角度，以获得和分析第二图像。

在一实施方案中，这种搜索由装备有驱动器和位敏探测器的仪器(例如，跟踪器)以自驱动(self-driven)方式执行，该位敏探测器与来自目标的光信号协作。

一旦找到参考目标，就可以对该仪器的各种装置进行校准。本实施方案的优势在于，对目标的瞄准可具有高准确性。相反，现有技术依靠用户手动瞄准，这可能是低质量的。

根据一实施方案，参考目标的位置被存储并且如果需要校准，该位置被取回。在这种情况下，不执行搜索步骤。

通过避免手动瞄准，改善了校准，并且也提高了通过该被校准仪器所执行的测量的准确性。

根据一实施方案，校准包括对仪器的照相机进行校准。例如，参照图2和/或图3，优选已知照相机的中心相对于仪器轴线120、130和135的位置和取向(orientation)。例如，在本申请人的专利公布文本WO 2005/059473中，更详细地描述了照相机的校准。在一实施方案中，照相机的校准包括以下步骤：将仪器朝向参考目标；以及在两个面中，在图像传感器上生成不同位置的校准点的图像。在该操作程序中，对于第一面，将仪器移动，使得目标的图像在图像传感器上移动，从而生成多个校准点。通过探测参考目标在照相机的图像传感器上的位置，来生成校准点。然后，将该仪器移动到第二面，并且如上所述地生成多个校准点。对于每个校准点，确定代表校准点和测量仪器之间距离的距离数据。另外，对于每个校准点图像，确定代表校准图像在图像传感器上位置的位置数据以及代表倾斜轴线绕竖直轴线旋转的水平角和照相机相对于倾斜轴线倾斜的竖直角的取向数据。然后，基于这些数据，计算用于照相机的仪器设定，即，照相机相对于仪器中心的校准值或常量。

根据一实施方案，校准包括对倾斜传感器的校准。倾斜传感器可以位于照准仪中。倾斜传感器用来测量竖直轴线与参考铅垂竖直线或轴线的偏离。然而，由于倾斜传感器可以自身具有偏离量，优选对倾斜传感器进行校准。该校准在相互间隔200百分度的至少两个点处进行。优选地，对应于四个不同角度位置的四次测量(每次测量间隔200百分度的2个位置)用来计算竖直轴线与参考铅垂线的偏离。

根据一实施方案，该校准包括确定瞄准线135、335在竖直或水平维度内的准直误差。该确定过程导致新的仪器设定P_i，该新的仪器设定P_i消除或至少最小化所述准直误差。这种确定过程可以包括以下步骤：在仪器的两个面中，通过手动方式——例如使用驱动器旋钮——来瞄准参考目标；以及读取朝向参考目标的仪器角度。准直误差的校准是手动进行的，尤其是如果该仪器包括普通望远镜。在另一实施方案中，该确定过程包括以下步骤：在仪器的两个面中，通过自动方式瞄准参考目标；以及读取朝向参考目标的仪器角度。

根据一实施方案，该校准包括确定仪器设定P_i，以校正在仪器的总体角度取向(例如，仪器的水平取向)中的误差或变化。可以通过使用望远镜手动地或者使用跟踪器的位敏探测器自动地瞄准参考目标来校准仪器的总体角度取向。当在绝对坐标系中测量位置数据时，可能需要仪器相对于已知方向的取向。在这一操作程序中，参考目标用来在测量活动开始时获得全站仪的角度取向(例如在校准操作程序之后所获得的角度取向)，并且在结束测量活动之前核对该参考目标。核对参考目标相对于全站仪的角度取向的位置确保了，全站仪在测量活动期间没有移动。

根据一实施方案，该校准包括对EDM单元的校准。

例如，如果参数(例如，温度)已变，仪器可以瞄准参考目标并且用EDM单元测量该仪器和目标之间的距离。然后，可以将在该校准测量期间获得的距离值与在参考测量期间获得的距离值进行比较。例如，参考测量可以是在到达工地时用EDM单元瞄准参考目标所进行的测量。在本实施方案中，优选的是，参考目标在参考测量和校准测量之间没有移动。目标可以远离仪器或者位于该仪器处。然而，由于和仪器之间的距离优选地没有改变，所以有利的是，参考目标布置在仪器处，诸如由图6中的目标660所描述的。

参照图7和8，将描述本发明的一实施方案的一种用于校准EDM单元的方法。

图7示出了EDM单元700的光路(通道)在目标现场中的视场。最初(t＝0)，例如当仪器准备销售时，发射光路725(对应于参照图3所描述的角锥302)与EDM单元700的接收光路750(对应于参照图3所描述的角锥303)对准。另外，仪器轴线735，即，参照图2和3所描述的瞄准线135、335，也可以与EDM单元的光路725、750对准。在图7中示出的t＝0的实施例中，发射光路725、接收光路750和仪器轴线735各自的中心是对准的。

然而，在一定时间段(t＝t1)后，光路725、750之间可能发生一些偏离。另外，光路725、750的相对位置也可能偏离于仪器轴线735的位置。对应于发射光路725和接收光路750之间交叉(重叠)的区域790，相当于EDM单元的有效面积(active area)。该区域的大小取决于发射和接收光路725、750各自的偏离，并且限定EDM单元的运行宽度(面积)。由于EDM单元的运行宽度(operation width)可能例如由于仪器受到的冲击而变化，所以需要校准以知道EDM单元的运行宽度。然后，将运行宽度的值考虑用于由EDM单元所执行的测量。或者，可以调整光路的位置以改变EDM单元的运行宽度。然后在由EDM单元所执行的即将发生的测量中考虑新的运行宽度。

另外，也可以校准EDM单元的有效面积或区域790相对于仪器的轴线735(或者仪器的中心)的相对位置。如果仪器包括用于瞄准目标的照相机，则这种校准尤其有利。确定了有效面积790的中心和仪器轴线735之间的偏离，则可以限定以有效面积790的中心为中心的新瞄准线。

应注意，常规的全站仪很可能不能够在如图7中所示的未对准情形下运行。

参照图8，将描述根据本发明的一实施方案的一种用于校准EDM单元的方法。这种操作程序使得要确定EDM单元的至少一个设定，所述至少一个设定可以是EDM单元的运行宽度或者EDM单元的轴线相对于仪器中心的相对位置。

用于校准EDM单元的本方法可以在参照图2或参照图2和3的结合所描述的大地测量仪器200中实施。

方法8000包括：在步骤8010，用该仪器扫描包括参考目标的感兴趣的区域。该仪器可以通过控制可控装置140、145(图2)而被旋转或者借助于分立的扫描单元。

该仪器可以被设置为扫描感兴趣的区域中的许多预定位置。预定位置的数目可以自动设定或者由用户手动输入。预定位置的数目控制校准的准确性，这是因为位置数目的增加提高了校准质量。在步骤8020，对于每个预定位置，辐射束经由发射光通道725从EDM单元被传送到该位置。在步骤8030，EDM单元经由接收光通道750接收在该位置被反射的那部分辐射束。对于每个位置，记录对应于该位置的仪器角和代表所接收到的束的信号。在步骤8050，对所有预定位置或一部分预定位置(取决于用户选择)重复该操作程序。

一旦已经扫描所有(或者一部分)预定位置，则在步骤8060将所记录的信号的强度映射为所记录的角度的函数。然后，从该映射(mapping)提取EDM单元的设定。

应注意，仪器可以沿水平或竖直方向扫描感兴趣的区域。当沿水平方向扫描时，该映射得到多个图表，其中每个图表代表关于每个扫描过的水平方向所收集的信息。

对该映射的分析可以得到对EDM单元的运行宽度和/或EDM单元的轴线相对于仪器轴线的偏离的确定。优选地，参考目标所处的扫描区域的分区(zone)导致该图表中的信号强度较大的区域(与没有参考目标的分区相比)。为此，将信号强度映射为所记录的角度的函数，就产生与具有参考目标的分区相对应的波峰(peak)。波峰的大小表示EDM单元的运行宽度。另外，重叠区域中心的信号强度可以表示该EDM单元的可能的最大距离测量范围。另外，代表所记录的仪器角的波峰沿轴线的位置表示EDM单元的轴线相对于仪器轴线的相对位置。

应注意，上述方法也可以适用于校准跟踪器，该跟踪器包括发射机和诸如照相机的位敏探测器。在这种跟踪器中，发射机和照相机芯片的相对位置和/或方向可以因发射机或照相机的位置和/或方向的变化而变化。根据现有技术，这种运动可以忽略，因为使用了覆盖大光场(optical field)的大发射机，而照相机的视场(原理上)总是位于该大光场内。然而，使用大发射机减小了在照相机芯片处接收到的光密度，由此减小了跟踪器的距离范围。

用于校准跟踪器的本方法与上面参照图8所述的用于校准EDM单元的方法基于相同的原理，即，扫描感兴趣的区域中的许多预定位置，以记录仪器角和代表反射束的信号(初始束被发射机从跟踪器发射并且反射束在跟踪器被照相机探测)，以及对所记录的信号映射为所记录的角度的函数进行分析。在该方法中，由于可以探测发射机的位置和照相机的位置之间的偏离，所以可以使用具有与照相机的视场一样大的光场的发射机。例如，如果发射机相对于照相机的位置已向左移动，则探测到照相机的右边部分并没有接收任何辐射，即，照相机的有效区域被减小了。然后，可以在即将进行的测量中考虑该有效区域的减小。发射机的光场优选与照相机的视场一样大。然而，对于本方法，发射机的光场也可以小于照相机的视场。

通常，参照图8所描述的方法可以适用于校准任何成对的发射机和接收机。

根据一实施方案，一旦执行校准，就将给用户发送确认通知(acknowledgement)。确认通知指出已经校准得出哪些仪器设定P_i。另外，该确认通知可以包括校准得出的仪器设定P_i和仪器设定的先前值之间的偏离。

确认通知可以是包括校准的测量值和结果的日志文件(log-file)。确认通知可以包括校准之前的仪器设定以及校准之后的仪器设定，以指出由校准所校正的仪器的偏离。

另外，可以分析校准得出的仪器设定以核对它们是否在预定范围内。将校准得出的仪器设定与容许值进行比较。如果确定仪器设定在所述容许值所限定的范围之外，则给用户发送检修消息。该检修消息与确认通知的不同在于，在该消息中包括进行检修的推荐信息(recommendation)。该检修消息可以通知仪器的哪个装置和元件已被校准以及哪个装置和元件需要更进一步的检修。

根据一实施方案，本发明的方法还可以包括发送消息的步骤，该消息指出将进行校准，这是有利的，因为用户可停止当前的测量活动。

本发明适用于几种类型的大地测量仪器，诸如电子测量装置、全站仪、自动全站仪(robotic total station)、大地测量扫描仪和/或激光雷达。

尽管上文已结合本发明的优选实施方案描述了本发明，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不偏离如下面权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可想到多种改型。

Claims

1.一种大地测量仪器(200)，包括：

底座(105)；

照准仪(115)，其可旋转地安装在该底座上以绕第一轴线(120)旋转；

中心单元(125)，其可旋转地安装在该照准仪上以绕第二轴线(130)旋转；

处理单元(150)；以及

至少一个探测器(170)，其用于探测对由所述仪器进行的测量有影响的至少一个参数的值；

其特征在于，所述处理单元被配置为：

将所述至少一个参数的探测值与预定阈值进行比较；

基于探测值和所述预定阈值之间的比较，发送警报；以及

如果响应于该警报，该大地测量仪器接收到包括进行校准的用户指令的消息：

搜索参考目标，或者取回参考目标的位置用以将所述仪器瞄准所述位置，所述位置被记录在存储器中；

控制所述照准仪和所述中心单元，以将所述仪器瞄准参考目标；以及

使用所述参考目标对所述仪器进行所述校准。

2.根据权利要求1所述的大地测量仪器，还包括：存储器(180)，其被配置为如果所述仪器关闭，则记录所述至少一个参数的探测值，其中所述处理单元被配置为一旦所述仪器开启，则将所记录的值与预定阈值进行比较。

3.根据上述权利要求中任一项所述的大地测量仪器，其中，所述处理单元还被配置为发送确认通知，该确认通知指出哪些仪器设定已被校准。

4.根据权利要求1或2所述的大地测量仪器，其中，所述处理单元还被配置为：

将在校准期间获得的仪器设定和容许值进行比较；以及

如果所述处理单元确定该仪器设定在容许值所限定的范围之外，则发送检修消息。

5.根据权利要求1或2所述的大地测量仪器，其中，所述探测器为以下中的至少一个：

温度传感器，其中所述至少一个参数是所述仪器的温度或环境温度，

加速度传感器，其中所述至少一个参数是加速度，所述加速度代表所述仪器受到的机械冲击或运输应力，

倾斜传感器，其中所述至少一个参数是倾斜角，所述倾斜角对应于仪器竖直轴线和竖直参考铅垂轴线之间的偏离，以及

计时器，其中所述至少一个参数是以月、周、天、时、分和/或秒表示的时段，其中所述时段对应于所述仪器的每次校准之间的周期。

6.用于对大地测量仪器(200)进行校准的方法，所述方法包括以下步骤：

探测对由所述仪器进行的测量有影响的至少一个参数的值；

将所述至少一个参数的探测值与预定阈值进行比较；

基于所述至少一个参数的探测值和所述预定阈值之间的比较，发送警报；以及

如果响应于所述警报，该大地测量仪器接收到包括进行校准的用户指令的消息：

搜索参考目标，或者取回参考目标的位置；

将所述仪器瞄准所述参考目标；以及

使用所述参考目标进行所述校准。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：如果所述仪器关闭，则将所述至少一个参数的探测值记录在存储器(180)中，其中一旦所述仪器开启，执行将探测值与预定阈值进行比较的步骤。

8.根据权利要求6-7中任一项所述的方法，还包括步骤：发送确认通知，该确认通知指出哪些仪器设定已被校准。

9.根据权利要求6或7所述的方法，还包括以下步骤：

将在校准期间获得的仪器设定和容许值进行比较；以及

如果确定该仪器设定在容许值所限定的范围之外，则发送检修消息。

10.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述至少一个参数为以下组中的一个，该组包括：

所述仪器的温度；

环境温度；

加速度，所述加速度代表所述仪器受到的机械冲击或运输应力；

倾斜角，所述倾斜角对应于仪器竖直轴线和竖直参考铅垂轴线之间的偏离；以及

时段，所述时段对应于所述仪器的每次校准之间的周期。

11.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述校准包括对以下中的至少一个进行校准：

所述仪器的照相机(390)，其中所述照相机包括图像传感器；

所述仪器的电子测距单元(385)，即，EDM单元；以及

所述仪器的倾斜传感器。