CN104515498B - 激光测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测绘领域，涉及一种激光测量系统，包括激光测量仪、无线通讯系统和终端设备，所述激光测量仪包括机台、搜索定位系统、精确瞄准系统、对点定位系统、信息处理系统、通信系统、伺服控制系统和环境探测系统。本发明实现了仪器操作自动化，代替了人工操作，提高了工作效率；测量时向终端设备发送仪器平衡状态数据、仪器对中影像及换算数据，确保了外业数据的稳定性、可靠性、可追溯性。本发明在消除人为因素影响的同时，大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于测绘领域，涉及一种激光测量系统。
背景技术
全站型电子经纬仪，简称全站仪，它是一种可以同时进行角度(水平角、垂直角)测量、距离(斜距、平距、高差)测量和数据处理，由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储等单元组成的测量仪器，实现三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途，被广泛地应用在测绘领域。
全站仪的实际测量应用过程如下：
1、测量前准备：
全站仪在测量过程中为减少对点误差和倾斜误差，在测量前必须进行对中、整平工作。
对中就是使全站仪中心与测站点位于同一铅垂线上，测量员利用激光对点器或槌球，通过移动脚架、旋转脚螺旋使对中标志接近测站点的中心在一定限差之内；
整平就是使全站仪竖轴铅垂，水平度盘水平。根据水平角的定义，是两条方向线的夹角在水平面上的投影，所以水平度盘一定要水平。测量员利用仪器上的水准器，通过伸缩脚架腿，旋转脚螺旋使水准气泡居中，仪器调平在一定限差之内；
2、水平角测量：
如图1所示，测量员首先用全站仪目镜中的十字丝中心精确对准目标A，记录显示器上水平角度数，再将目镜中的十字丝精确对准目标B，记录显示器上水平角度数，为减小或消除视准轴不垂直于横轴的误差、横轴不垂直于竖轴的误差、竖盘指标差，必须进行盘左盘右观测，为减小测量员视觉误差必须进行反复观测求平均值，得到满足需要精度的目标A-测站C-目标B之间水平夹角＜1°。
3、竖直角测量
如图2所示，全站仪自动设定水平方向为90°，测量员首先用全站仪目镜中的十字丝中心精确对准目标A，记录显示器上竖直角度数，为减小或消除视准轴不垂直于横轴的误差、横轴不垂直于竖轴的误差、竖盘指标差，必须进行盘左盘右观测，为减小测量员视觉误差必须进行反复观测求平均值与水平方向的夹角，得到满足需要精度的测站C-目标A之间垂直夹角＜1°。
4、距离测量
如图3所示，测量员首先用全站仪目镜中的十字丝中心精确对准棱镜A，按测距按钮通过激光测距原理测得测站C-棱镜A的斜距S，同时利用垂直角＜1计算出测站C-棱镜A的平距L和测站C-棱镜A的高差h。
使用全站仪在进行测量应用的时候存在下述缺点：
缺点一、人员素质要求高；
全站仪观测员，需要很强的仪器操作能力、心理稳定性、极强的责任心。在使用全站仪野外测量时，由于有高温、低温、日晒、黑夜、大风等复杂环境，所以要求观测员对仪器的操作能力非常娴熟，心理素质非常稳定，才能在多变复杂的野外环境中完成测量任务；在野外测量过程中，全站仪的整平、对中是否符合限差要求是无法从外业数据中体现出来的，如果整平、对中不符合限差要求其结果导致整个测站数据重测，所以要求观测员有极强的责任意识；一般一个合格的全站仪测量员需要培训周期为12～36个月。
缺点二、人为因素影响无法消除；
使用全站仪野外测量作业过程中，影响测量数据质量的除仪器自身工业制造的系统误差外，最大的误差来至人工操作出现的误差，人工仪器整平时的调平误差，仪器对中时的对点误差，特别是在目标观测时十字丝照准目标时的视觉误差，虽然利用盘左盘右、槌球对中、多余观测等方法减小了误差达到一定范围之内，但由于人类自身的客观生理条件限制无法消除人为因素的影响。
缺点三、工作效率低；
一名非常熟练的测量员使用全站仪，按照国家四级导线测量要求观测一个闭合三角型，每站要进行整平、对中需要时间5分钟，进行12测回的方向角观测需要时间20分钟，6测回的垂直角观测需要时间12分钟，3测回的距离测量需要1分钟，测量出水平角数据3组、垂直角数据3组、距离数据3组，共用测量时间114分钟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低人为因素影响，并且提高工作效率的测量系统。
为达到上述发明目的，本发明提供一种激光测量系统，包括无线通讯系统、终端设备和至少三台激光测量仪；
所述激光测量仪包括机台、搜索定位系统、精确瞄准系统、对点定位系统、信息处理系统、通信系统、伺服控制系统，伺服控制系统固定于机台底端；
对点定位系统固定于机台的底端内部，对点定位系统包括倾角传感器、激光测距仪和对点摄像机，激光测距仪和对点摄像机固定于机台的中心轴线位置；
精确瞄准系统包括精瞄摄像机、准直激光器、光学分束系统和激光测距仪，精瞄摄像机固定于机台顶端内部的中心轴线位置，光学分束系统由防尘防水透明玻璃、上侧支架、下侧支架、靶面、半透半反镜和全反射镜组成，防尘防水透明玻璃固定于机台的外侧边内部，上侧支架、下侧支架分别固定在防尘防水透明玻璃的上下两侧，上侧支架的一端固定靶面，下侧支架的一端固定全反射镜，半透半反镜的一端面固定在靶面下，另一端面固定在全反射镜上，靶面中心点、半透半反镜中心点和全反射镜中心点皆位于机台的中心轴线位置，准直激光器位于半透半反镜与防尘防水透明玻璃相对位置反方向侧，且准直激光器发射点与半透半反镜斜面中心点处于同一水平面；
搜索定位系统包括搜索摄像机和搜索标志体且搜索定位系统固定于机台上，；
信息处理系统、通信系统分散固定于机台上；
所述终端设备内含有无线通讯主站，无线通讯主站与每台激光测量仪中的通信系统构成无线通讯系统；
所述无线通讯系统用于实现激光测量仪与终端设备之间、激光测量仪与激光测量仪之间数据交换，终端设备用于向激光测量仪发出指令、接收激光测量仪的数据、并对数据进行处理和显示。
进一步，所述激光测量仪还包括环境探测系统，环境探测系统固定于机台上。
进一步，机台底端外部固有码盘和转台，码盘固定于转台上，伺服控制系统固定于转台上。
进一步，无线通讯系统采用数字微波设备进行组网，通过TCP/IP协议完成设备间通讯。
作为优选方式，所述终端设备为手持终端。
作为优选方式，所述信息处理系统包括图像处理存储板和通信控制板。
进一步，所述图像处理存储板为FPGA+DSP架构，包括图像接口模块、FPGA图像采集与预处理模块、DSP图像处理模块、图像显示模块；
图像接口模块完成图像制式的转化，将摄像机输出格式转化为FPGA可识别的TTL电平与时序信号；
FPGA图像采集与预处理模块完成图像采集和预处理，并利用FPGA内部的BLOCKRAM完成图像缓存；
DSP图像处理模块包括搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP，搜索定位DSP用于实现搜索定位系统中的彩色图像的目标检测算法，精确瞄准DSP用于实现精确瞄准系统中的黑白图像的目标检测算法，对点定位DSP用于实现对点定位系统中彩色图像的目标检测算法，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP之间通过SRIO完成数据交换。
更进一步，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP均为TMS320C6455DSP。
进一步，所述通信控制板包括TMS320C642DSP+FPGA。
其中，FPGA为现场可编程阵列，DSP为数字信号处理，SRIO为串行高速输入输出。
本发明实现了仪器操作自动化，代替了人工操作，提高了工作效率；测量时向终端设备发送仪器平衡状态数据、仪器对中影像及换算数据，确保了外业数据的稳定性、可靠性、可追溯性。本发明在消除人为因素影响的同时，大大提高了工作效率。
附图说明
图1是背景技术中水平角测量时的示意图；
图2是背景技术中垂直角测量时的示意图；
图3是背景技术中距离测量时的示意图；
图4是本发明中激光测量仪结构示意图；
图5是本发明中激光测量系统工作原理示意图；
图6是本发明实施例中三台激光测量仪组成测量系统时的示意图；
图7是本发明实施例中对中测量方案时的原理示意图；
图8是本发明实施例中对中测量方案时的对点检测示意图；
图9是本发明实施例中精确测角系统发射光路；
图10是本发明实施例中精确测角系统接收光路；
图11是本发明实施例中精确测角时靶面上激光光斑示意图；
图12是本发明实施例中信息处理系统示意图；
图13是本发明实施例中图像处理存储板示意图；
图14是本发明实施例中通信控制板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述。
一种激光测量系统，包括无线通讯系统、终端设备和至少三台激光测量仪；
如图4所示，所述激光测量仪包括机台1、搜索定位系统、精确瞄准系统、对点定位系统、信息处理系统2、通信系统3、伺服控制系统4、环境探测系统5，伺服控制系统4固定于机台1底端；
对点定位系统固定于机台1的底端内部，对点定位系统包括倾角传感器6、激光测距仪7和对点摄像机8，激光测距仪7和对点摄像机8固定于机台1的中心轴线位置，倾角传感器6位于激光测距仪7和对点摄像机8的旁边；
精确瞄准系统包括精瞄摄像机9、准直激光器10、光学分束系统和激光测距仪11，精瞄摄像机9固定于机台1顶端内部的中心轴线位置，光学分束系统由防尘防水透明玻璃12、上侧支架16、下侧支架17、靶面13、半透半反镜14和全反射镜15组成，防尘防水透明玻璃12固定于机台1的外侧边内部，上侧支架16、下侧支架17分别固定在防尘防水透明玻璃12的上下两侧，上侧支架16的一端固定靶面13，下侧支架17的一端固定全反射镜15，半透半反镜14的一端面固定在靶面13下，另一端面固定在全反射镜15上，靶面13中心点、半透半反镜14中心点和全反射镜15中心点皆位于机台1的中心轴线位置，准直激光器10位于半透半反镜14与防尘防水透明玻璃12相对位置反方向侧，且准直激光器10发射点与半透半反镜14斜面中心点处于同一水平面；
搜索定位系统包括搜索摄像机18和搜索标志体19且搜索定位系统固定于机台1上；
信息处理系统2、通信系统3、环境探测系统5分散固定于机台1上；
机台1底端外部固有码盘20和转台21，码盘20固定于转台21上，伺服控制系统4固定于转台21上。
所述终端设备内含有无线通讯主站，无线通讯主站与每台激光测量仪中的通信系统3构成无线通讯系统；
所述无线通讯系统用于实现激光测量仪与终端设备之间、激光测量仪与激光测量仪之间数据交换，终端设备用于向激光测量仪发出指令、接收激光测量仪的数据、并对数据进行处理和显示。
其中，无线通讯系统采用数字微波设备进行组网，通过TCP/IP协议完成设备间通讯。
测量系统的工作原理如图5所示：激光测量仪30代表当前激光测量仪，激光测量仪31代表目标激光测量仪。各激光测量仪首先被置于激光测量仪点上，完成调平对中，并测量激光测量仪高度。然后各激光测量仪在转台的控制下使用搜索标志体进行相互间的搜索，在搜索过程中，捕获并记录目标激光测量仪的大致角度，作为后续进行精确光瞄测量的依据。
在获取测量系统内所有激光测量仪的大致位置后，依次对各激光测量仪进行精确对瞄，即通过精确瞄准系统和伺服控制系统完成激光测量仪之间的精确对瞄，读取方位角和俯仰角度值，并启动激光测距仪，测量激光测量仪之间的平距。
所有测量和计算结果通过无线通讯系统传输至终端设备，终端设备完成测量系统中激光测量仪测量参数的绘制，并计算出精确测量结果。
作为优选方式，所述终端设备为手持终端。
在实际应用时，经常在激光测量仪的机台内部放置一台针对搜索和精确瞄准时所采用的伺服系统
下面以三台激光测量仪为例，三台仪器分别架设在已三个点上，如图6所示。
三台仪器架设好后，用户点击控制终端上的开始键，控制终端通过无线通讯主站分别向三台仪器发出指令，测量开始。
步骤一，整平：
倾角传感器感知仪器的倾斜角度，通过信息处理系统引导伺服控制系统将仪器调节成水平状态。具体为信息处理系统根据倾角传感器的数据对机台底端的伺服控制系统发出控制命令，调整激光测量仪至水平位置，即准直激光器发射点与半透半反镜中心点处于同一水平面。
步骤二，对中
三台仪器分别针对各自的标志点完成对中计算，过程主要采用信息处理系统、对点摄像机和激光测距仪，对点过程包括仪器高度测量过程和标志目标图像提取过程。
对中测量方案具体方式为采用基于背景屏蔽板的测量方案，如图7所示。仪器在完成整平后，激光测距仪向地面发射可见激光光束，用以标识仪器中心，同时得到仪器高。此时，对点摄像机拍摄的区域图像如图8所示，有激光光斑和标志点，通过视觉检测的方法提取两目标的位置，通过信号处理模块计算偏差，完成对点测量计算。
步骤三：搜索定位工作
三台仪器分别两两进行相互完成搜索定位，搜索过程主要采用信息处理系统、天线、通信系统、伺服系统、搜索摄像机和搜索标志体(比如LED)
利用覆盖机台一周的搜索标识体，通过搜索摄像机具备特殊波段的滤光片，其波段参数与搜索标识体的波段参数匹配，以突搜索显摄像机观测场景中的搜索标识体，提高观测过程中的信噪比，采用窄带带通滤波片，可有效滤除背景杂散光干扰，使系统能够较快的搜索到目标。
为提高目标的检测成功率，引入无线通讯系统基于无线通信的应答机制，即在搜索到一个目标时，通过发出招手信号的方式联系被瞄准目标，被瞄准目标的LED可以进行闪烁发出的光线从圆锥形发光表面的各个角度发射，使得能均匀照射在被测物体上，并且没有阴影干扰；使搜索设备确认瞄准的为测量网络中的设备，同时确认编号，在系统中记录旋转角度和编号信息，作为后期粗略瞄准的基础数据。在搜索到网络中初始化的所有设备后，停止搜索过程。
搜索过程中还可以记录目标在视场中的宽度，用于估计该目标与搜索设备之间的距离，作为粗略瞄准过程中初始视场角选择的依据。
整个过程由信息处理系统控制完成，设备搜索时的自身转动由伺服系统完成，仪器之间的信号传递由天线和通信系统完成。
步骤四，粗略瞄准工作
三台仪器分别两两进行相互完成粗瞄工作，主要采用信息处理系统、伺服系统、搜索摄像机、搜索标志体、天线和通信系统。
在粗略瞄准过程中，首先，在测量网络中，根据搜索过程中记录的角度对准。在确认一对激光测量仪均转到面向对方的位置时，根据估计的距离选择观测需要的视场，改变焦距统一两台设备的视场。在完成以上工作后，改变设备中搜索标志体的点亮模式。
通过对目标的检测，提取两个搜索标志体的中心，将中心位置的坐标平均值作为视场中心，实现搜索摄像机之间的光学对准。
整个过程由信息处理系统控制完成，设备粗瞄时的自身转动由伺服系统完成，仪器之间的信号传递由天线和通信系统完成。
步骤五，精确瞄准工作
三台仪器分别两两进行相互完成精瞄工作，主要采用精确瞄准系统，包括信息处理系统、伺服系统、精瞄摄像机、准直激光器、半透半反镜、靶面、天线和通信系统。
在粗略瞄准的基础上，通过自身仪器内部精瞄摄像机观测准直激光器发出的激光和从配对的仪器处接收的激光在靶面上的发射光斑和接收光斑的偏差，进而通过伺服系统减少偏移量，最终实现精确对准。
光束发射过程如图9所示。准直激光器发射一束激光，经过光学分束系统同时进行反射后透射，反射光线经过全反射镜再次反射后，经过半透半反镜透射，最终在靶面上成像，此成像光斑为基准光斑。与之仪器配对的另一台激光测量仪发出的激光束射入的接收窗口(防尘防水透明玻璃)，在半透半反射镜上反射，在靶面上形成接收光斑，如图10所示。两次成像均通过精瞄摄像机进行图像获取，在其中提取光电中心位置，计算偏差，引导伺服系统缩小偏差至消失，从而实现两台仪器的精确对准。
靶面上激光光斑如图11所示，靶面除了光斑区域外，其他部分处于无光的黑暗状态，对目标检测有利。通过精瞄摄像机观测和信息处理系统计算可以对光斑质心进行检测，通过检测可知目标的水平和竖直方向偏差，将此偏差通过无线系统反馈至伺服系统，伺服系统在可测量的精度上调节设备姿态，反复检测实现精确对瞄。
整个过程由信息处理系统控制完成，设备精瞄时的自身转动由伺服系统完成，仪器之间的信号传递由天线和通信系统完成。
步骤六，数据提取计算工作
三台仪器分别两两进行相互完成精瞄工作之后，信息处理系统同时进行如下操作：①开启激光测距仪，测量两台激光测量仪的距离。②开启环境检测系统，包括温度、湿度、压强传感器，测量仪器所在位置的温度、湿度、压强的环境数据。③读取码盘刻度，得到仪器水平角和垂直角的测量数据。信息处理系统根据得到的温度、湿度、压强等环境数据对测得的距离、水平角、垂直角的测量数据进行改正处理，改正后的测量数据连同对点数据等测量相关数据通过天线和通信系统，传送到无线通讯主站，无线通讯主站接收三台仪器两两相互对瞄的数据到控制终端进行整体平差改正计算，得到三个点之间全部距离、垂直角、水平角等相对空间位置数据结果，得到的距离、垂直角、水平角相对空间位置数据结果提供给客户使用，测量完毕。
工作的时候，所述信息处理系统包括图像处理存储板和通信控制板，如图12所示。
进一步，如图13所示，所述图像处理存储板为FPGA+DSP架构，包括图像接口模块、FPGA图像采集与预处理模块、DSP图像处理模块、图像显示模块；
图像接口模块完成图像制式的转化，将摄像机输出格式转化为FPGA可识别的TTL电平与时序信号；
FPGA图像采集与预处理模块完成图像采集和预处理，并利用FPGA内部的BLOCKRAM完成图像缓存；
DSP图像处理模块包括搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP，搜索定位DSP用于实现搜索定位系统中的彩色图像的目标检测算法，精确瞄准DSP用于实现精确瞄准系统中的黑白图像的目标检测算法，对点定位DSP用于实现对点定位系统中彩色图像的目标检测算法，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP之间通过SRIO完成数据交换。
更进一步，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP的型号均为TMS320C6455DSP。
进一步，所述通信控制板包括TMS320C642DSP+FPGA，如图14所示。
所应理解的是，凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光测量系统，其特征在于，包括无线通讯系统、终端设备和至少三台激光测量仪；
所述激光测量仪包括机台(1)、搜索定位系统、精确瞄准系统、对点定位系统、信息处理系统(2)、通信系统(3)、伺服控制系统(4)，伺服控制系统(4)固定于机台(1)底端；
对点定位系统固定于机台(1)的底端内部，对点定位系统包括倾角传感器(6)、激光测距仪(7)和对点摄像机(8)，激光测距仪(7)和对点摄像机(8)固定于机台(1)的中心轴线位置；
精确瞄准系统包括精瞄摄像机(9)、准直激光器(10)、光学分束系统和激光测距仪(11)，精瞄摄像机(9)固定于机台(1)顶端内部的中心轴线位置，光学分束系统由防尘防水透明玻璃(12)、上侧支架(16)、下侧支架(17)、靶面(13)、半透半反镜(14)和全反射镜(15)组成，防尘防水透明玻璃(12)固定于机台(1)的外侧边内部，上侧支架(16)、下侧支架(17)分别固定在防尘防水透明玻璃(12)的上下两侧，上侧支架(16)的一端固定靶面(13)，下侧支架(17)的一端固定全反射镜(15)，半透半反镜(14)的一端面固定在靶面(13)下，另一端面固定在全反射镜(15)上，靶面(13)中心点、半透半反镜(14)中心点和全反射镜(15)中心点皆位于机台(1)的中心轴线位置，准直激光器(10)位于半透半反镜(14)与防尘防水透明玻璃(12)相对位置反方向侧，且准直激光器(10)发射点与半透半反镜(14)斜面中心点处于同一水平面；
搜索定位系统包括搜索摄像机(18)和搜索标志体(19)且搜索定位系统固定于机台(1)上；
信息处理系统(2)、通信系统(3)分散固定于机台(1)上；
所述终端设备内含有无线通讯主站，无线通讯主站与每台激光测量仪中的通信系统(3)构成无线通讯系统；
所述无线通讯系统用于实现激光测量仪与终端设备之间、激光测量仪与激光测量仪之间数据交换，终端设备用于向激光测量仪发出指令、接收激光测量仪的数据、并对数据进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述激光测量仪还包括环境探测系统(5)，环境探测系统(5)固定于机台(1)上。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，机台(1)底端外部固有码盘(20)和转台(21)，码盘(20)固定于转台(21)上，伺服控制系统(4)固定于转台(21)上。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，无线通讯系统采用数字微波设备进行组网，通过TCP/IP协议完成设备间通讯。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述终端设备为手持终端。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信息处理系统(2)包括图像处理存储板和通信控制板。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述图像处理存储板为FPGA+DSP架构，包括图像接口模块、FPGA图像采集与预处理模块、DSP图像处理模块、图像显示模块；
图像接口模块完成图像制式的转化，将摄像机输出格式转化为FPGA可识别的TTL电平与时序信号；
FPGA图像采集与预处理模块完成图像采集和预处理，并利用FPGA内部的BLOCK RAM完成图像缓存；
DSP图像处理模块包括搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP，搜索定位DSP用于实现搜索定位系统中的彩色图像的目标检测算法，精确瞄准DSP用于实现精确瞄准系统中的黑白图像的目标检测算法，对点定位DSP用于实现对点定位系统中彩色图像的目标检测算法，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP之间通过SRIO完成数据交换。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，搜索定位DSP、精确瞄准DSP和对点定位DSP为TMS320C6455 DSP。
9.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述通信控制板包括TMS320C642DSP+FPGA。
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