CN110657790B - 一种利用全站仪测量立靶坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的利用全站仪测量立靶坐标的方法，需要一台全站仪，或一台全站仪和一部外部控制存储设备便可测量出高精度的弹丸靶面坐标，多次在现场试验中得到成功应用和检验。本发明Leica全站仪的机载程序是自主开发设计的，是本发明的发明点之一。该机载程序是基于Visual studio 2008环境下进行程序编写，需要安装WinCE6.0的SDK和实现GeoCOM功能的动态链接库。本发明的利用全站仪测量立靶坐标的方法，全站仪测的角精度为0.5〞和1〞，全站仪到靶的距离约为100m，该方法测量立靶坐标的精度为：

。本发明的测量方法架设便捷、操作简单、测量精度高、可靠性强。

Description

一种利用全站仪测量立靶坐标的方法

技术领域

本发明属于靶场测控技术领域，特别是涉及一种利用全站仪测量立靶坐标的方法。

背景技术

目前，靶场试验中，测量立靶坐标主要分两种方式：接触式立靶测量和非接触式立靶测量。非接触立靶测量受环境影响较大，弹丸捕获率一般低于95％，对于一些需要捕获率为100％的试验任务无法满足要求，通常需要采用接触式立靶测量。所谓接触式立靶测量，即采用钢板或木板作为材料，制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击，利用皮尺或测量设备

靶场中常用的接触式立靶坐标测量方法主要有两种，一种为皮尺测量法，另一种为相机测量法。这两种方法都有一定的缺陷：

(1)对于边长大于5m的靶面，采用皮尺测量的方法需要将靶面放倒在地上或者用吊车将试验人员送到靶面前方，效率极低，而且受人为因素影响较大，精度较差；

(2)相机测量法需要畸变较小，且焦距较短的测量式相机，拍摄的照片必须为上万行像素，价格较为昂贵。另外，基于该方法的系统较复杂，无论前期准备还是后期数据处理都比较费时。

发明内容

为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种利用全站仪测量立靶坐标的方法。该方法仅需要一部全站仪,或一部全站仪及外部控制存储设备，便能测量出弹孔到靶心的平面坐标的毫米级精度的立靶坐标。

本发明提供的一种利用全站仪测量立靶坐标的方法，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪及外部控制存储设备的手机或个人电脑，量取弹孔到靶心的平面坐标；优选Leica全站仪，Leica全站仪采用的通讯协议基于GeoCOM(地理数据通讯)指令；

外部控制存储设备中存储和运行有实现立靶坐标测量的软件程序(见图8)；

(3)如图1所示，首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，通过外部控制存储设备向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x₁,y₁)和右下角B(x₂,y₂)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，因此，理论上只要在靶面方向直线上的任何两点均可，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，外部控制存储设备负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α₀和高低角λ₀；

全站仪标定靶面弹孔T(X_T,Y_T)，通过外部控制存储设备向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ；

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x₁,y₁)，B(x₂,y₂)，L₀(α₀,λ₀),L_T(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X_T,Y_T)，具体步骤如下：

3a)测量靶面水平坐标X_T

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(1)，将A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、O′(x₀,y₀)转换为A(x₁′,y₁′)、B(x₂′,y₂′)、O′(x₀′,y₀′)。此时，y₁′≈y₂′≈y₀′。

方位角α₀、α也要转换成对应的方位角α₀′、α′。转换公式如下：

根据图2的几何关系，可得靶面平面坐标为：

X_T＝y₀′×(tanα₀′-tanα′) (4)

3b)测量靶面垂直坐标Y_T

根据图3的几何关系，可得靶面的垂直坐标为：

(4)全站仪与外部控制存储设备通讯模式

全站仪与外部控制存储设备的通讯方式为有线连接模式或无线连接模式，有线连接模式通过串口的方式进行通讯，无线连接模式通过蓝牙或WLAN的方式进行通讯，以上所有通讯方式的通讯指令都是基于GeoCOM指令；

所述的有线连接模式：该模式通常使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过RS-232(串行数据通讯接口)的方式进行通讯，有线连接模式的连接示意图参见图4，基于RS232串口通讯的流程参见图5。

所述的无线连接模式：该模式使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过蓝牙或WLAN(无线局域网)的方式进行通讯，无线连接模式的连接示意图参见图6。无线通讯方式流程参见图7。

一种利用全站仪测量立靶坐标的方法二，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪，使用置于全站仪中的机载程序(见图9)，量取弹孔到靶心的平面坐标；优选Leica全站仪，Leica全站仪采用的通讯协议基于GeoCOM(地理数据通讯)指令；

(3)首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，通过机载程序向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x₁,y₁)和右下角B(x₂,y₂)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，因此，理论上只要在靶面方向直线上的任何两点均可，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，机载程序负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α₀和高低角λ₀；

全站仪标定靶面弹孔T(X_T,Y_T)，通过机载程序向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ；

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x₁,y₁)，B(x₂,y₂)，L₀(α₀,λ₀),L_T(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X_T,Y_T)，具体步骤如下：

3a)测量靶面水平坐标X_T

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(1)，将A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、O′(x₀,y₀)转换为A(x₁′,y₁′)、B(x₂′,y₂′)、O′(x₀′,y₀′)。此时，y₁′≈y₂′≈y₀′。

方位角α₀、α也要转换成对应的方位角α₀′、α′。转换公式如下：

根据图2的几何关系，可得靶面平面坐标为：

X_T＝y₀′×(tanα₀′-tanα′) (9)

3b)测量靶面垂直坐标Y_T

得靶面的垂直坐标为：

需要注意的是，市场上的全站仪，包括Leica全站仪均不提供虚拟GeoCOM接口，需要进行授权，否则连基本的测角、测距功能也不能使用。

鉴于此，本发明Leica全站仪的机载程序是自主开发设计的，这是本发明的发明点之一，该机载程序是基于Visual studio 2008环境下进行程序编写，需要安装WinCE6.0的SDK和实现GeoCOM功能的动态链接库。

有益效果：本发明的利用全站仪测量立靶坐标的方法，仅需要一台全站仪，或一台全站仪和一部外部控制存储设备便可测量出高精度的弹丸靶面坐标，多次在现场试验中得到成功应用和检验。其中，使用一部Leica全站仪，使用置于全站仪中的机载程序，量取弹孔到靶心的平面坐标，本发明Leica全站仪的机载程序是自主开发设计的，是本发明的发明点之一。该机载程序是基于Visualstudio2008环境下进行程序编写，需要安装WinCE6.0的SDK和实现GeoCOM功能的动态链接库。全站仪测的角精度为0.5〞和1〞，全站仪到靶的距离约为100m，该方法测量立靶坐标的精度为：100*sin(1/3600*π/180)≈0.0005。本发明的测量方法架设便捷、操作简单、测量精度高、可靠性强。

附图说明

图1为本发明测量方法示意图。

图2为本发明测量方法俯视图。

图3为本发明测量方法侧面图。

图4为有线连接模式示意图。

图5为基于串口通讯的流程图。

图6为无线连接模式示意图。

图7为无线连接模式运行流程图。

图8为本发明的方法一的软件流程图。

图9为本发明的方法二的机载程序软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图和公式对本发明技术方案进行详细说明。

实施例1一种利用全站仪测量立靶坐标的方法一，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪及外部控制存储设备的手机和个人电脑，量取弹孔到靶心的平面坐标；优选Leica全站仪，Leica全站仪采用的通讯协议基于GeoCOM(地理数据通讯)指令；

外部控制存储设备中存储和运行有实现立靶坐标测量的软件程序(见图8)；

(3)如图1所示，首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x₁,y₁)和右下角B(x₂,y₂)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，因此，理论上只要在靶面方向直线上的任何两点均可，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，外部控制存储设备负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α₀和高低角λ₀。

全站仪标定靶面弹孔T(X_T,Y_T)，通过外部控制存储设备向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ。

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x₁,y₁)，B(x₂,y₂)，L₀(α₀,λ₀),L_T(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X_T,Y_T)，具体步骤如下：

(1)测量靶面水平坐标X_T

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(1)，将A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、O′(x₀,y₀)转换为A(x₁′,y₁′)、B(x₂′,y₂′)、O′(x₀′,y₀′)。此时，y₁′≈y₂′≈y₀′。

方位角α₀、α也要转换成对应的方位角α₀′、α′。转换公式如下：

根据图2的几何关系，可得靶面平面坐标为：

X_T＝y₀′×(tanα₀′-tanα′) (4)

(2)测量靶面垂直坐标Y_T

根据图3的几何关系，可得靶面的垂直坐标为：

(3)全站仪与外部控制存储设备通讯模式

全站仪与外部控制存储设备的通讯方式有两种，分别为有线连接模式和无线连接模式，有线连接模式通过串口的方式进行通讯，无线连接模式通过蓝牙或WLAN的方式进行通讯，以上所有通讯方式的通讯指令都是基于GeoCOM指令，实现步骤也是一致的，具体步骤如下：

1)外部控制存储设备向全站仪发送各种指令；

2)全站仪接受到指令之后，向外部控制存储设备发送反馈信息；反馈信息分两种，一种为执行命令的结果信息字符串，另一种是测量数据字符串；

3)外部控制存储设备得到反馈信息后，继续进行下一步操作。

3a)有线连接模式

该模式通常使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过RS-232(串行数据通讯接口)的方式进行通讯，有线连接模式的解决方案参见图4。

基于RS232串口通讯的流程参见图5。

进行步,200，开始；

进行步,205，配置参数；

进行步,210，打开串口；

进行步,215，创建线程，实时监控串口中的数据，即接收全站仪返回的字符串；

进行步,220，向串口中写数据，即向全站仪发送指令；

进行步,225，关闭线程；

进行步,230，关闭串口；

进行步,235，结束。

3b)无线通讯模式

该模式使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过蓝牙或WLAN(无线局域网)的方式进行通讯，无线通讯方式的解决方案参见图6。

无线通讯方式流程参见图7。

进行步,300，开始；

进行步,305，全站仪内部程序初始化；

进行步,310，外部控制存储设备与全站仪进行蓝牙或网络无线连接；

进行步,315，创建线程，实时监控全站仪通过蓝牙或网络传送的字符串数据；

进行步,320，外部控制存储设备通过蓝牙或网络向全站仪发送指令；

进行步,325，关闭线程；

进行步,330，断开蓝牙或网络连接；

进行步,335，结束。

(4)本发明方法一的软件流程图，如图8所示。

本发明方法一的软件流程如下：

进行步,100，开始；

进行步,105，设备连接，外部存储设备与全站仪通过蓝牙、网络或串口任何一种方式连接；

进行步,110，坐标归零，全站仪当前位置坐标设置为0，X、Y方向都设置为0；

进行步,115，全站仪测量靶面两侧坐标，发送到外部控制存储设备；

进行步,120，将全站仪光轴指向靶心，测量高低角和水平角并保存；

进行步,125，外部控制存储设备中的程序将标定靶心处的靶面平面坐标设置为(0，0)；

进行步,130，将全站仪光轴指向弹孔，测量高低角和水平角并计算；

进行步,135，外部控制存储设备中的程序计算出弹孔到靶心的靶面坐标(X_T,Y_T)；

进行步,140，结果保存在外部控制存储设备中；

进行步,145，结果显示在外部控制存储设备中的程序界面上；

进行步,150，结束。

实施例2如图1-3所示，一种利用全站仪测量立靶坐标的方法二，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪，使用置于全站仪中的机载程序，量取弹孔到靶心的平面坐标；优选Leica全站仪，Leica全站仪采用的通讯协议基于GeoCOM(地理数据通讯)指令；

(3)首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，通过机载程序向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x₁,y₁)和右下角B(x₂,y₂)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，因此，理论上只要在靶面方向直线上的任何两点均可，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，机载程序负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α₀和高低角λ₀；

全站仪标定靶面弹孔T(X_T,Y_T)，通过机载程序向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ；

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x₁,y₁)，B(x₂,y₂)，L₀(α₀,λ₀),L_T(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X_T,Y_T)，具体步骤如下：

3a)测量靶面水平坐标X_T

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(1)，将A(x₁,y₁)、B(x₂,y₂)、O′(x₀,y₀)转换为A(x₁′,y₁′)、B(x₂′,y₂′)、O′(x₀′,y₀′)。此时，y₁′≈y₂′≈y₀′。

方位角α₀、α也要转换成对应的方位角α₀′、α′。转换公式如下：

根据图2的几何关系，可得靶面平面坐标为：

X_T＝y₀′×(tanα₀′-tanα′) (9)

3b)测量靶面垂直坐标Y_T

根据图3的几何关系，得靶面的垂直坐标为：

需要注意的是，市场上大多数全站仪，包括Leica全站仪均不提供虚拟GeoCOM接口，需要进行授权，否则连基本的测角、测距功能也不能使用。Leica全站仪的机载程序可以在Visual studio 2008环境下进行程序编写，需要安装WinCE6.0的SDK和实现GeoCOM功能的动态链接库。

(4)机载软件流程图如图9所示。

机载程序流程如下：

进行步,400，开始；

进行步,405，全站仪内部程序初始化；

进行步,410，坐标归零，全站仪当前位置坐标设置为0，X、Y方向都设置为0；

进行步,415，全站仪测量靶面两侧坐标，发送到机载程序；

进行步,420，将全站仪光轴指向靶心，测量高低角和水平角并保存；

进行步,425，机载程序将标定靶心处的靶面平面坐标设置为(0，0)；

进行步,430，将全站仪光轴指向弹孔，测量高低角和水平角并计算；

进行步,435，机载程序计算出弹孔到靶心的靶面坐标(X_T,Y_T)；

进行步,440，结果保存在机载程序中；

进行步,445，结果显示在全站仪上；

进行步,450，结束。

Claims (2)

1.一种利用全站仪测量立靶坐标的方法，其特征在于，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪及外部控制存储设备量取弹孔到靶心的平面坐标，外部控制存储设备中存储和运行有实现立靶坐标测量的软件程序；

(3)首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，通过外部控制存储设备向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x1,y1)和右下角B(x2,y2)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，外部控制存储设备负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α0和高低角λ0；

全站仪标定靶面弹孔T(X,Y)，通过外部控制存储设备向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ；

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x1,y1)，B(x2,y2)，L0(α0,λ0),L(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X,Y)，具体步骤如下：

3a)测量靶面水平坐标X

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(1)，将A(x1,y1)、B(x2,y2)、O′(x0,y0)转换为A(x1′,y1′)、B(x2′,y2′)、O′(x0′,y0′)，此时，y1′≈y2′≈y0′；

方位角L0、La也要进行转换，对应的方位角为L0′、La′，转换公式如下：

得靶面平面坐标为：

X＝y0′×(tanL0′-tanLa′) (4)

3b)测量靶面垂直坐标Y

得靶面的垂直坐标为：

(4)全站仪与外部控制存储设备通讯模式

全站仪与外部控制存储设备的通讯方式为有线连接模式或无线连接模式，有线连接模式通过串口的方式进行通讯，无线连接模式通过蓝牙或WLAN的方式进行通讯，以上所有通讯方式的通讯指令都是基于GeoCOM指令；

所述的有线连接模式：该模式使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过RS-232(串行数据通讯接口)的方式进行通讯；

所述的无线连接模式：该模式使用的外部控制存储设备为个人电脑，全站仪与外部控制存储设备的通讯通过蓝牙或WLAN(无线局域网)的方式进行通讯。

2.一种利用全站仪测量立靶坐标的方法，其特征在于，步骤和条件如下：

(1)采用钢板或木板制作一个垂直于地面的平面靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击；

(2)使用一部全站仪，使用置于全站仪中的机载程序，量取弹孔到靶心的平面坐标，该机载程序是基于Visual studio2008环境下进行程序编写，需要安装WinCE6.0的SDK和实现GeoCOM功能的动态链接库；

(3)首先，在靶面正前方或斜前方50-200m的位置处S(x,y)架设全站仪，将全站仪指向靶面最左侧，通过机载程序向全站仪发送“设置水平角”指令，设置水平角为5°，再向全站仪发送“测量”指令，分别测量靶面左下角A(x1,y1)和右下角B(x2,y2)的平面坐标，这两个坐标位置目的为确定靶面方向，将全站仪标定靶心O(0,0)处，再向全站仪发送“返回角度”指令，机载程序负责接受全站仪发回的信息，并从该信息中提取全站仪当前的方位角α0和高低角λ0；

全站仪标定靶面弹孔T(X,Y)，通过机载程序向全站仪发送“返回角度”指令，接受全站仪发回的信息，该信息为全站仪当前的方位角α和高低角λ；

根据获取的上述信息S(x,y)，A(x1,y1)，B(x2,y2)，L0(α0,λ0),L(α,λ)，便可获取弹孔的靶面坐标T(X,Y)，具体步骤如下：

3a)测量靶面水平坐标X

要进行平面坐标转换，即坐标系XOY转换成坐标系X′OY′，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转θ角：

因此，首先需要计算θ角，公式如下：

根据公式(6)，将A(x1,y1)、B(x2,y2)、O′(x0,y0)转换为A(x1′,y1′)、B(x2′,y2′)、O′(x0′,y0′)，此时，y1′≈y2′≈y0′；

方位角L0、La也要进行转换，对应的方位角为L0′、La′，转换公式如下：

得靶面平面坐标为：

X＝y0′×(tanL0′-tanLa′) (9)

3b)测量靶面垂直坐标Y

得靶面的垂直坐标为：

Images