CN105953771A - 一种主动式经纬仪系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式经纬仪系统及测量方法，系统包括信息处理计算机、主动式经纬仪与合作目标，信息处理计算机与主动式经纬仪相连，主动式经纬仪与合作目标光路连接。主动式经纬仪的搜索相机从待测空间搜索合作目标，将搜索图像发送给信息处理计算机进行图像处理，并解算合作目标所处空域的方位俯仰角，待人工确认需要跟踪的合作目标后，系统将搜索得到的合作目标方位俯仰角信息传递给跟踪系统，跟踪系统通过位置闭环将跟踪相机光轴定位到合作目标，两台主动式经纬仪将跟踪图像传送给信息处理计算机，信息处理计算机通过双目交会测量解算出合作目标位置坐标和运行轨迹。本发明跟踪测量合作目标运动快捷高效。

Description

一种主动式经纬仪系统及测量方法

技术领域

本发明属于精密测量、导航定位技术领域，涉及一种用于室内坐标定位测量、同时也具有导航功能的主动式经纬仪系统及测量方法。

背景技术

现代先进制造业水平的提高，对大型异形物体的几何尺寸以及关键特征点的空间一维坐标提出了更高的要求，准确地测量这些几何参数对于保证加工产品的质量、零部件的现场成功安装以及物体的整体定位，有着十分重要的意义。

近几年，以经纬仪作为传感器，用两台或两台以上经纬仪配合计算机及相应的硬件、软件所组成的空间坐标测量系统在工程测量以及计算学中得到了广泛的应用。经纬仪测量系统可以现场组建，能够就地测量大小或形状完全不同的物体，尤其是大型物体，经纬仪测量系统也可以作为大型测量设备如多视觉传感器坐标测量系统的参数标定设备或者测量精度的检定设备。但是双经纬仪系统每次定位时都需要人工瞄点，这样逐点测量比较费时，效率较低，而且不能对连续运动的合作目标进行测量。

发明内容

本发明的目的旨在克服目前测量时需要人工瞄点，逐点测量比较费时、效率较低，而且不能对连续运动的合作目标进行测量的缺陷，提供一种主动式经纬仪测量系统，主动式经纬仪系统能够主动搜索、识别合作目标，其光学系统中的粗跟踪相机用于定位合作目标的大致位置，精跟踪相机具有变焦功能，能够对合作目标进行精确定位，从而获得精确的双目交会测量精度，该系统也具有合作目标跟踪功能，在目标运动时能够进行随动跟踪，从而测量合作目标的运行轨迹。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

根据本发明的一种实施方式，给出了一种主动式经纬仪系统，包括：

信息处理计算机，用于接收主动式经纬仪的图像信息进行图像处理和目标识别，将目标脱靶量信息发送给主动式经纬仪的伺服机构进行伺服反馈控制，并接收主动式经纬仪光电编码器数据进行数据解算，求解合作目标在参考坐标系中的位置坐标；

主动式经纬仪，为两台或两台以上，用于主动搜索、识别合作目标，并将搜索识别的信息发送给信息处理计算机；

合作目标，采用主动发光式合作目标来增加目标识别的概率，用于主动式经纬仪跟踪相机识别合作目标的十字中心；

信息处理计算机与主动式经纬仪相连，主动式经纬仪与合作目标光路连接，经主动式经纬仪的粗跟踪相机定位合作目标的大致位置，精跟踪相机精确定位合作目标，从而获得精确的双目交会测量精度，测量合作目标的运行轨迹。

进一步，所述主动式经纬仪包括搜索系统和跟踪系统；

所述搜索系统包括搜索伺服系统和搜索光学系统；

所述搜索光学系统中设有搜索相机，所述搜索伺服系统可带动搜索相机进行方位360°连续旋转；

所述跟踪系统包括跟踪伺服系统和跟踪光学系统；

所述跟踪伺服系统由方位伺服系统、俯仰伺服系统及负载总承构成；

所述跟踪光学系统包括粗跟踪相机和精跟踪相机。

进一步，所述搜索伺服系统和跟踪伺服系统上安装有高精度码盘，可以读出当前方位俯仰值。

进一步，所述合作目标为主动发光式合作目标，主动发光式合作目标为在待测物体表面表贴式结构，表贴式的合作目标在目标表面中心设有红色发光粗识别带，红色发光粗识别带中心设有十字丝。

进一步，所述合作目标为立体球式合作目标，立体球式合作目标为在透明球形体中心设有红色发光的十字丝，十字丝结构为笛卡尔坐标系结构。

相应地，本发明给出了一种主动式经纬仪的测量方法，包括下述步骤：

1)在搜索模式下，主动式经纬仪的搜索相机进行方位360°连续旋转,从待测空间中搜索合作目标，搜索相机将获得的合作目标的运动图像发送给信息处理计算机，信息处理计算机解算合作目标的所处空域的方位俯仰角，发现合作目标后会在信息处理计算机显示并标记；

2)人工确认需要跟踪的合作目标，然后系统驱动跟踪光学系统的粗跟踪相机对准合作目标所在区域，待合作目标进入粗跟踪相机图像中心附近区域，打开跟踪光学系统的精跟踪相机，控制精跟踪相机进行自适应变焦，得到清晰度合适的合作目标十字丝图像；

3)信息处理计算机提取十字丝中心坐标后，发送控制指令给方位伺服电机和俯仰伺服电机，进行位置闭环，驱动主动式经纬仪的系统瞄准轴定位到合作目标十字丝的中心；信息处理计算机接收来自两台主动式经纬仪的粗跟踪相机与精跟踪相机的图像信号，并进行图像处理，识别合作目标的标识十字线，信息处理计算机通过双目交会测量解算出合作目标的位置坐标和运行轨迹。

进一步，跟踪光学系统和跟踪伺服系统进行粗跟踪和精跟踪过程如下：

1)信息处理计算机处理跟踪相机获取的图像，解算合作目标的方位俯仰角信息，发出视线方位角和视线俯仰角指令；

2)方位角位置控制器和俯仰角位置控制器执行该指令，并通过方位角速率控制器和俯仰角速率控制器，以及功率放大器将该指令传递至方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构，从而使得系统瞄准轴始终指向合作目标；

同时，方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构通过速率测量装置将方位、俯仰角速率信息分别反馈给方位角速率控制器和俯仰角速率控制器；

同时，方位角位置测量装置和俯仰角位置测量装置将视线方位角信息和视线俯仰角信息反馈给方位角位置控制器和俯仰角位置控制器；

同时，功率放大器内集成了电流反馈模块，构成了电流反馈环；

该跟踪伺服系统包括了电流反馈环、速率反馈环和位置反馈环三环PID控制。

进一步，所述跟踪相机将合作目标图像传递至信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，计算出目标运动的方位俯仰角位置信息，将该信息送入跟踪系统进行伺服跟踪控制。

进一步，所述跟踪相机将合作目标图像传递信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，将观测到的方位角和俯仰角信息经卡尔曼滤波器滤波后，将估计出的方位角、俯仰角和角加速度信息经复合控制系统进行伺服跟踪前馈控制，提高跟踪精度。

进一步，所述复合控制系统包括方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器，方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器将跟踪控制信息分别传递至方位角速率控制器和俯仰角速率控制器。

所述卡尔曼滤波器能够预测下一时刻目标可能出现的图像区域。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)将经纬仪的操作自动化，更为简洁；

2)具有静态合作目标高精度定位功能，具有合作目标跟踪功能，能够测量动态目标，并精确跟踪动态目标运行轨迹；

3)设计了主动发光标识的合作目标，便于相机识别，精确定位。

主动式经纬仪系统一方面可以利用搜索相机搜索视场中的合作目标，另一方面也可以利用跟踪相机定位并交会出合作目标坐标点，比人工瞄点更为快捷高效。主动式经纬仪系统还具有跟踪测量合作目标运动轨迹的功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是两台主动式经纬仪系统组成；

图2是单台主动式经纬仪结构示意图；

图3是单台主动式经纬仪组成框图；

图4是精跟踪相机自动变焦模块示意图；

图5(a)-(b)分别是表贴式合作目标的侧视图和俯视图；

图6(a)-(b)分别是立体球式合作目标的侧视图和俯视图；

图7是系统基本跟踪流程示意图；

图8是跟踪伺服系统的方位伺服系统和俯仰伺服系统控制总体功能框图；

图9是跟踪模式下增加的卡尔曼滤波器和伺服前馈控制框图。

图中，101、信息处理计算机；102、主动式经纬仪A；103、主动式经纬仪B；104、合作目标；1、方位伺服电机；2、俯仰伺服电机；3、搜索伺服电机；4、搜索相机；5、粗跟踪相机；6、精跟踪相机；7、微型纽扣电池；8、红色发光的粗识别带；9、十字丝；10、发光光源。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1所示，本实施例提供了一种采用了两台主动式经纬仪的系统，包括信息处理计算机101、主动式经纬仪A102和主动式经纬仪B103，以及合作目标104。

本系统是基于双目视觉测量原理来测量合作目标在世界坐标系中的位置。信息处理计算机一方面用来接收双经纬仪的图像信息进行图像处理和目标识别，将目标脱靶量信息发送给伺服机构进行伺服反馈控制，另一方面接收经纬仪光电编码器数据进行数据解算，求解合作目标在参考坐标系中的位置坐标。其主要运行指令有合作目标搜索、合作目标确认定位、目标跟踪及轨迹记录等功能。

主动式经纬仪A102和主动式经纬仪B103，用于主动搜索、识别合作目标，并将搜索识别的信息发送给信息处理计算机。

合作目标104，采用主动发光式合作目标来增加目标识别的概率，用于双台主动式经纬仪跟踪相机识别合作目标的十字中心。

信息处理计算机与双台主动式经纬仪相连，双台主动式经纬仪与合作目标光路连接，经主动式经纬仪的粗跟踪相机定位合作目标大致位置，主动式经纬仪的精跟踪相机精确定位合作目标，从而获得精确的双目交会测量精度，测量合作目标的运行轨迹。

如图2所示，单台主动式经纬仪包括设在基座上的方位伺服电机1，方位伺服电机1上方设有俯仰伺服电机2，俯仰伺服电机2上连接有粗跟踪相机5和精跟踪相机6，俯仰伺服电机2上端设有搜索伺服电机3，搜索伺服电机3上设有搜索相机4。搜索伺服电机3可沿基座360°连续旋转，用于驱动搜索相机4的运行，方位伺服电机1和俯仰伺服电机2用于对目标进行定位和跟踪。方位伺服电机1和俯仰伺服电机2上安装有高精度码盘，可以读出当前方位俯仰值。

搜索相机具有视场大的特点，粗跟踪相机视场较搜索相机视场小，较精跟踪相机视场大，精跟踪相机上安装有变焦镜头，能够自适应调节至合作目标的十字丝在CCD上清晰成像。

如图3所示，主动式经纬仪按照功能划分为搜索系统和跟踪系统；搜索系统包括搜索伺服系统和搜索光学系统；搜索光学系统中设有搜索相机，搜索伺服系统可带动搜索相机进行方位360°连续旋转。跟踪系统包括跟踪伺服系统和跟踪光学系统；跟踪伺服系统由方位伺服系统、俯仰伺服系统及负载总承构成；跟踪光学系统包括粗跟踪相机和精跟踪相机。搜索伺服系统、方位伺服系统和俯仰伺服系统上安装有高精度码盘，可以读出当前方位俯仰值。

搜索相机具有视场大的特点，粗跟踪相机视场较搜索相机视场小，较精跟踪相机视场大，精跟踪相机上安装有变焦镜头，能够自适应调节至合作目标的十字丝在CCD上清晰成像。

如图4所示，焦距自主调整部分由状态分析模块及动力驱动模块构成。状态分析模块检测焦距是否在最佳位置，主要是通过数字CCD/CMOS传感器进行激光测距和对精跟踪图像的观测来估计当前的焦距状态和需要调整的各参数信息，进而驱动动力机构带动镜头对焦距做适当的调整。

如图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)所示，为主动发光式合作目标结构示意图。包括采用在待测物体表面表贴式或立体球式合作目标。

目前人工瞄点式双经纬仪系统其合作目标一般是贴上去带十字标记的纸片，主要靠光线的反射来供经纬仪瞄准。在本发明主动式经纬仪系统中，为了便于合作目标和周围景物的区分，采用主动发光式的合作目标来增加目标识别的概率，并方便跟踪相机识别合作目标的十字中心，主动发光式合作目标分两种，表贴式和立体球式，分别如图5(a)、(b)和图6(a)、(b)所示。

图5(a)、(b)为表贴式合作目标，主要应用场合为适合表贴的待测物体表面，厚度较薄，安装有微型钮扣电池7作为供电电源，在目标表面中心设有红色发光粗识别带8，用于搜索相机和跟踪相机对合作目标的粗略识别，红色发光粗识别带中心设有十字丝，十字丝9为精确识别标志。表贴式合作目标的精确识别角度范围有限。

图6(a)、(b)为立体球式合作目标，全方位360°均可识别，立体球式合作目标为在透明球形目标中心设有红色发光的十字丝9，其十字丝结构为类似于笛卡尔坐标系结构，红色部分为发光光源10，便于搜索识别和对精准十字丝的照明。由于立体球式合作目标呈球形，所以不论从哪个方向看，都能找到一对互相垂直的十字丝。微型纽扣电池7设在球形立体球式合作目标底座上。

系统基本跟踪流程如图7所示，主动式经纬仪的测量方法，包括下述步骤：

1)在搜索模式下，主动式经纬仪的搜索相机进行方位360°连续旋转,从待测空间中搜索合作目标，搜索相机将获得的合作目标的运动图像发送给信息处理计算机，信息处理计算机解算合作目标的所处空域的方位俯仰角，发现合作目标后会在信息处理计算机显示并标记；

2)人工确认需要跟踪的合作目标，然后系统驱动跟踪光学系统的粗跟踪相机对准合作目标所在区域，待合作目标进入粗跟踪相机图像中心附近区域，打开跟踪光学系统的精跟踪相机，控制精跟踪相机进行自适应变焦，得到清晰度合适的合作目标十字丝图像，

3)信息处理计算机提取十字丝中心坐标后，发送控制指令给方位伺服电机和俯仰伺服电机，进行位置闭环，驱动主动式经纬仪的系统瞄准轴定位到合作目标十字丝的中心；信息处理计算机接收来自两台主动式经纬仪的粗跟踪相机与精跟踪相机的图像信号，并进行图像处理，识别合作目标的标识十字线，信息处理计算机通过双目交会测量解算出合作目标的位置坐标和运行轨迹。

跟踪光学系统和跟踪伺服系统进行粗跟踪和精跟踪过程如下：伺服系统方位、俯仰通道的组成由图8所示，每个通道由电流反馈环、速度反馈环、位置反馈环三环组成(电流环包含在功放模块中)。在搜索模式下，搜索相机全方位旋转连续拍照找到合作目标可能存在的位置，经人工确认后，转入定位模式，信号与信息处理计算机接收来自双经纬仪粗跟踪相机与精跟踪相机的图像信号，并进行图像处理，识别合作目标的标识十字线，控制精跟踪相机进行自适应变焦，将合作目标十字丝的清晰度调整到合适，图像处理完成提取十字丝中心坐标后发送控制指令给方位俯仰伺服，进行位置闭环，驱动两台经纬仪的视准轴定位到合作目标十字丝的中心。然后进行双目交会测量，求出合作目标在世界坐标系中的位置坐标。

如图8所示，跟踪光学系统和跟踪伺服系统进行粗跟踪和精跟踪过程如下：

1)信息处理计算机处理跟踪相机获取的图像，解算合作目标的方位俯仰角信息，发出视线方位角和视线俯仰角指令；

2)方位角位置控制器和俯仰角位置控制器执行该指令，并通过方位角速率控制器和俯仰角速率控制器，以及功率放大器将该指令传递至方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构，从而使得系统瞄准轴始终指向合作目标；

同时，方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构通过速率测量装置将方位、俯仰角速率信息分别反馈给方位角速率控制器和俯仰角速率控制器；

同时，方位角位置测量装置和俯仰角位置测量装置将视线方位角信息和视线俯仰角信息反馈给方位角位置控制器和俯仰角位置控制器；

同时，功率放大器内集成了电流反馈模块，构成了电流反馈环；

该跟踪伺服系统包括了电流反馈环、速率反馈环和位置反馈环三环PID控制。

在图8中，跟踪相机将合作目标图像传递至信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，计算出目标运动的方位俯仰角位置信息，将该信息送入跟踪系统进行伺服跟踪控制。

本发明另一种方法是采用卡尔曼滤波与复合前馈控制的方法。

跟踪模式下目标运动的卡尔曼滤波与伺服复合控制，如图9所示，在跟踪模式下，为提高跟踪精度，采用卡尔曼滤波技术来对目标运动特性进行估计。跟踪相机将合作目标图像传递信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，将观测到的方位角和俯仰角信息经卡尔曼滤波器滤波后，将估计出的方位角、俯仰角和角加速度信息经复合控制系统进行伺服跟踪前馈控制，提高跟踪精度。

其中，复合控制系统包括方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器，方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器将跟踪控制信息分别传递至方位角速率控制器和俯仰角速率控制器。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种主动式经纬仪系统，其特征在于，包括：

信息处理计算机，用于接收主动式经纬仪的图像信息进行图像处理和目标识别，将目标脱靶量信息发送给主动式经纬仪的伺服机构进行伺服反馈控制，并接收主动式经纬仪光电编码器数据进行数据解算，求解合作目标在参考坐标系中的位置坐标；

主动式经纬仪，为两台或两台以上，用于主动搜索、识别合作目标，并将搜索识别的信息发送给信息处理计算机；

合作目标，采用主动发光式合作目标来增加目标识别的概率，用于主动式经纬仪跟踪相机识别合作目标的十字中心；

信息处理计算机与主动式经纬仪相连，主动式经纬仪与合作目标光路连接，经主动式经纬仪的粗跟踪相机定位合作目标的大致位置，精跟踪相机精确定位合作目标，从而获得精确的双目交会测量精度，测量合作目标的运行轨迹。

2.根据权利要求1所述的主动式经纬仪系统，其特征在于，所述主动式经纬仪包括搜索系统和跟踪系统；

所述搜索系统包括搜索伺服系统和搜索光学系统；

所述搜索光学系统中设有搜索相机，所述搜索伺服系统可带动搜索相机进行方位360°连续旋转；

所述跟踪系统包括跟踪伺服系统和跟踪光学系统；

所述跟踪伺服系统由方位伺服系统、俯仰伺服系统及负载总承构成；

所述跟踪光学系统包括粗跟踪相机和精跟踪相机。

3.根据权利要求2所述的主动式经纬仪系统，其特征在于，所述搜索伺服系统和跟踪伺服系统上安装有高精度码盘，可以读出当前方位俯仰值。

4.根据权利要求1所述的主动式经纬仪系统，其特征在于，所述合作目标为主动发光式合作目标，主动发光式合作目标为在待测物体表面表贴式结构，表贴式的合作目标在目标表面中心设有红色发光粗识别带，红色发光粗识别带中心设有十字丝。

5.根据权利要求1所述的主动式经纬仪系统，其特征在于，所述合作目标为立体球式合作目标，立体球式合作目标为在透明球形体中心设有红色发光的十字丝，十字丝结构为笛卡尔坐标系结构。

6.一种主动式经纬仪系统的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)在搜索模式下，主动式经纬仪的搜索相机进行方位360°连续旋转,从待测空间中搜索合作目标，搜索相机将获得的合作目标的运动图像发送给信息处理计算机，信息处理计算机解算合作目标的所处空域的方位俯仰角，发现合作目标后会在信息处理计算机显示并标记；

2)人工确认需要跟踪的合作目标，然后系统驱动跟踪光学系统的粗跟踪相机对准合作目标所在区域，待合作目标进入粗跟踪相机图像中心附近区域，打开跟踪光学系统的精跟踪相机，控制精跟踪相机进行自适应变焦，得到清晰度合适的合作目标十字丝图像；

3)信息处理计算机提取十字丝中心坐标后，发送控制指令给方位伺服电机和俯仰伺服电机，进行位置闭环，驱动主动式经纬仪的系统瞄准轴定位到合作目标十字丝的中心；信息处理计算机接收来自两台主动式经纬仪的粗跟踪相机与精跟踪相机的图像信号，并进行图像处理，识别合作目标的标识十字线，信息处理计算机通过双目交会测量解算出合作目标的位置坐标和运行轨迹。

7.根据权利要求6所述的基于主动式经纬仪系统的测量方法，其特征在于，跟踪光学系统和跟踪伺服系统进行粗跟踪和精跟踪过程如下：

1)信息处理计算机处理跟踪相机获取的图像，解算合作目标的方位俯仰角信息，发出视线方位角和视线俯仰角指令；

2)方位角位置控制器和俯仰角位置控制器执行该指令，并通过方位角速率控制器和俯仰角速率控制器，以及功率放大器将该指令传递至方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构，从而使得系统瞄准轴始终指向合作目标；

同时，方位伺服电机执行机构和俯仰伺服电机执行机构通过速率测量装置将方位、俯仰角速率信息分别反馈给方位角速率控制器和俯仰角速率控制器；

同时，方位角位置测量装置和俯仰角位置测量装置将视线方位角信息和视线俯仰角信息反馈给方位角位置控制器和俯仰角位置控制器；

同时，功率放大器内集成了电流反馈模块，构成了电流反馈环；

该跟踪伺服系统包括了电流反馈环、速率反馈环和位置反馈环三环PID控制。

8.根据权利要求7所述的基于主动式经纬仪系统的测量方法，其特征在于，所述跟踪相机将合作目标图像传递至信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，计算出目标运动的方位俯仰角位置信息，将该信息送入跟踪系统进行伺服跟踪控制。

9.根据权利要求7所述的基于主动式经纬仪系统的测量方法，其特征在于，所述跟踪相机将合作目标图像传递信息处理计算机，信息处理计算机进行图像处理后，将观测到的方位角和俯仰角信息经卡尔曼滤波器滤波后，将估计出的方位角、俯仰角和角加速度信息经复合控制系统进行伺服跟踪前馈控制，提高跟踪精度。

10.根据权利要求9所述的基于主动式经纬仪系统的测量方法，其特征在于，所述复合控制系统包括方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器，方位前馈补偿控制器和俯仰前馈补偿控制器将跟踪控制信息分别传递至方位角速率控制器和俯仰角速率控制器。