CN110788857B - 一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人 - Google Patents

一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人 Download PDF

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CN110788857B CN201910991942.3A CN201910991942A CN110788857B CN 110788857 B CN110788857 B CN 110788857B CN 201910991942 A CN201910991942 A CN 201910991942A CN 110788857 B CN110788857 B CN 110788857B
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Abstract

本申请涉及一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人，其中，该方法包括：初始期监测时，在任意位置架设测站，对监测点组中的各个监测点进行照准观测，确定各个监测点在初始期测站坐标系下的三维坐标；在第k期监测时，在任意位置架设测站，对监测点组中的任意两点进行照准观测，确定该两点在第k期测站坐标系下的三维坐标；确定初始期转第k期的平面坐标系的转换参数；根据各个监测点在初始期的平面坐标和该转换参数，确定各个监测点在第k期测站坐标系下的平面坐标；确定第k期照准各个监测点的水平角计算值；确定第k期照准各个监测点的天顶距计算值；根据各监测点在第k期下的水平角计算值和天顶距计算值自动定位到各个监测点。

Description

一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人
技术领域
本申请涉及建筑物稳定性监测领域，尤其涉及一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人。
背景技术
工程监测是衡量建筑物在建设、运营、修缮时稳定性的重要手段，通过多期次，多点位的监测，计算各期次监测点的三维坐标，以不同期次的三维坐标差来作为衡量建筑物稳定性的判断指标。
相关技术中，采用测量机器人进行监测。然而，相关技术中的监测方法，各期监测都需要在学习测量阶段人工依次粗瞄各监测点。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种测量机器人的自动寻点照准方法及测量机器人。
第一方面，本申请提供了一种测量机器人的自动寻点照准方法，包括：
初始期监测时，在监测区域的任意位置架设测站，通过测量机器人对监测点组中的各个监测点P1,P2,P3....Pn进行照准观测，确定各个监测点在初始期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA0002238569060000011
其中i＝1,2,3,4....n；
在第k期监测时，在监测区域的任意位置架设测站，通过测量机器人对监测点组中的任意两点Pl和Pm进行照准观测，确定Pl和Pm在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA0002238569060000012
和
Figure BDA0002238569060000013
其中k＝2,3,4....Q；
根据平面坐标系转换四参数转换模型，以及Pl、Pm在初始期和第k期的平面坐标，确定初始期转第k期的平面坐标系的转换参数；
根据各个监测点在初始期的平面坐标
Figure BDA0002238569060000014
和确定的出的转换参数，确定各个监测点在第k期测站坐标系下的平面坐标
Figure BDA0002238569060000015
基于第k期的测站点坐标及各监测点在第k期下的平面坐标
Figure BDA0002238569060000021
确定各个监测点相对于第k期测站点的坐标方位角
Figure BDA0002238569060000022
并基于
Figure BDA0002238569060000023
Pl在第k期的水平角的观测值
Figure BDA0002238569060000024
和坐标方位角
Figure BDA0002238569060000025
确定第k期测量机器人照准各个监测点的水平角计算值
Figure BDA0002238569060000026
基于各个监测点在初始期的高程值
Figure BDA0002238569060000027
Pl在第k期测站坐标系下的高程值
Figure BDA0002238569060000028
以及Pl在初始期测站坐标系下的高程值
Figure BDA0002238569060000029
确定各个监测点在第k期的高程值
Figure BDA00022385690600000210
基于各个监测点在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA00022385690600000211
确定第k期测量机器人照准各个监测点的天顶距计算值
Figure BDA00022385690600000212
根据各监测点在第k期下的
Figure BDA00022385690600000213
和
Figure BDA00022385690600000214
自动定位到各个监测点。
在某些实施例中，转换参数包括平移参数(x0,y0)、旋转参数α和尺度因子j，其中，j＝1，按照以下方式确定转换参数：
Figure BDA00022385690600000215
其中，
Figure BDA00022385690600000216
和
Figure BDA00022385690600000217
分别为Pl在初始期和第k期的平面坐标、
Figure BDA00022385690600000218
和
Figure BDA00022385690600000219
分别为Pm在初始期和第k期的平面坐标。
在某些实施例中，按照以下方式确定第k期测量机器人照准各个监测点的水平角计算值
Figure BDA00022385690600000220
Figure BDA00022385690600000221
其中，
Figure BDA00022385690600000222
为Pl相对于第k期测站的坐标方位角，
Figure BDA00022385690600000223
为Pl在第k期的水平角的观测值，
Figure BDA00022385690600000224
为各个监测点在第k期的坐标方位角。
在某些实施例中，按照以下方式确定各个监测点在第k期的高程值
Figure BDA00022385690600000225
Figure BDA00022385690600000226
其中，
Figure BDA00022385690600000227
为Pl在第k期的高程值，
Figure BDA00022385690600000228
为各个监测点在初始期的高程值，
Figure BDA0002238569060000031
为Pl在初始期的高程值。
在某些实施例中，按照以下方式确定第k期照准各个监测点的天顶距计算值Vi k：
Figure BDA0002238569060000032
其中，
Figure BDA0002238569060000033
为各个监测点第k期测站坐标系下的三维坐标。
在某些实施例中，平面坐标系转换四参数转换模型为：
Figure BDA0002238569060000034
其中，(x0,y0)为平移参数，α为旋转参数，j为尺度因子，(X,Y)为目标坐标系的平面坐标，(X',Y')为原坐标系的平面坐标。
在某些实施例中，按照以下方式确定Pl和Pm在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA0002238569060000035
和
Figure BDA0002238569060000036
Figure BDA0002238569060000037
其中，
Figure BDA0002238569060000038
分别为Pl点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值；
Figure BDA0002238569060000039
其中，
Figure BDA00022385690600000310
分别为Pm点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值。
在某些实施例中，在初始期监测时，以初始期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立初始期观测测站独立坐标系O1-X1Y1Z1；在第k期监测时，以第k期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立第k期观测测站独立坐标系Ok-XkYkZk。
第二方面，本申请提供了一种测量机器人，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现测量机器人的自动寻点照准方法的步骤。
第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有测量机器人的自动寻点照准程序，测量机器人的自动寻点照准程序被处理器执行时实现测量机器人的自动寻点照准方法的步骤。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的该方法，根据在初始期对监测点组的观测数据，之后各期次的学习测量阶段粗瞄监测点组中的任意两个监测点，随后自动识别照准余下的监测点。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的自动寻点照准方法的流程图；
图2为本申请实施例的监测示意图；
图3为本申请实施例的初始期转第k期的坐标系转换示意图；
图4为本申请实施例的计算第k期测量机器人照准各监测点的水平角值的示意图；
图5为本申请实施例的测量机器人的硬件示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
本申请实施例，实现了自由设站方式下测量机器人在学习测量阶段对监测点组的自动照准，以解决各期都需要在学习阶段人工依次粗瞄各监测点的问题。在本申请实施例中，根据在初始期对监测点组的观测数据，之后各期次的学习测量阶段只需要粗瞄监测点组中的任意两个监测点，随后自动识别照准余下的监测点。
请参阅图1所示，本申请实施例的自动寻点照准方法，包括步骤S102至步骤S114。
步骤S102，测量并计算初始期测站坐标系下各监测点的坐标。
在步骤S102中，初始期监测时，参考图2所示，测站架设监测区域的任意位置，使用测量机器人依次对监测点组中的各个监测点(P1,P2,P3....Pn)进行照准观测，解算各监测点在初始期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA0002238569060000051
其中，n为观测点组中观测点的数量，i为观测点组中观测点的编号，i＝1,2,3,4....n。
在某些实施例中，在初始期监测时，以初始期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立初始期观测测站独立坐标系O1-X1Y1Z1。此时，根据监测点组(P1,P2,P3...Pn)中各监测点的水平角、天顶距和斜距的观测值，计算各监测点在O1-X1Y1Z1坐标系下的坐标值。计算公式如式(1)：
Figure BDA0002238569060000052
式(1)中，
Figure BDA0002238569060000053
分别为Pi点在初始期的水平角、天顶距和斜距的观测值；Pi点在O1-X1Y1Z1坐标系下的坐标为
Figure BDA0002238569060000054
步骤S104，测量并计算第k期测站坐标系下任意两个监测点的坐标。
在步骤S104中，在第k期观测时(k＝2,3,4....Q)，参考图2所示，测站架设监测区域任意位置，使用测量机器人对监测点组中的任意两点(Pl,Pm)进行照准观测，解算Pl、Pm两点在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure BDA0002238569060000061
其中，Q为观测总期数。l和m为选择的任意两观测点的编号。
在某些实施例中，在第k期监测时，以第k期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立第k期观测测站独立坐标系Ok-XkYkZk。此时，根据对任意两个监测点(Pl,Pm)的水平角、天顶距和斜距的观测值，计算第l和m号监测点的在Ok-XkYkZk坐标系下的坐标值，如式(2)、式(3)所示。
Figure BDA0002238569060000062
式(2)中，
Figure BDA0002238569060000063
分别为Pl点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值；Pl点在O-XkYkZk坐标系下的坐标为
Figure BDA0002238569060000064
Figure BDA0002238569060000065
式(3)中，
Figure BDA0002238569060000066
分别为Pm点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值；Pm点在Ok-XkYkZk坐标系下的坐标为
Figure BDA0002238569060000067
步骤S106，计算初始期O1-X1Y1平面转第k期Ok-XkYk平面的转换参数。
在步骤S106中，参考图3所示，根据平面坐标系转换四参数转换模型和Pl、Pm两点在初始期、第k期的平面坐标，计算初始期转第k期的平面坐标系转换参数，(x0,y0)为平移参数；α为旋转参数；k为尺度因子。
在某些实施例中，平面坐标系转换四参数转换模型：
Figure BDA0002238569060000068
式(4)中，(x0,y0)为平移参数，α为旋转参数，j为尺度因子，(X,Y)为目标坐标系的平面坐标，(X',Y')为原坐标系的平面坐标。
由于监测点组中的监测点相对位置不变，则式(4)中的尺度因子j值为1，此时将式(2)、(3)求取的第k期的第l和m号监测点的坐标和对应的初始期原坐标系坐标带入式(4)可得如下公式：
Figure BDA0002238569060000071
解式(5)可得O1-X1Y1平面转Ok-XkYk平面的转换参数(x0,y0)和α。
步骤S108，计算第k期测站坐标系下监测点组中所有监测点的平面坐标。
在步骤S108中，根据各监测点在初始期的平面坐标
Figure BDA0002238569060000072
和上述初始期转第k期的平面坐标系的转换参数α、(x0,y0)，求取在第k期测站坐标系下监测点组中所有监测点的平面坐标
Figure BDA0002238569060000073
将式(5)求取得到的转换参数(x0,y0)、α和式(1)求取的初始期监测点组中的各监测点坐标带入式(4)，可得到第k期下的各监测点的平面坐标：
Figure BDA0002238569060000074
式(6)中，
Figure BDA0002238569060000075
为初始期测站坐标系下的第i号点的平面坐标，
Figure BDA0002238569060000076
为第k期测站坐标系下的第i号点的平面坐标。
步骤S110，计算测量机器人照准各监测点的水平角计算值。
参考图4所示，在步骤S110中，计算各监测点的坐标方位角
Figure BDA0002238569060000077
随后计算照准各监测点的水平角计算值
Figure BDA0002238569060000078
由步骤S108可知，Pi监测点在第k期坐标为
Figure BDA0002238569060000079
第k期测站点坐标为(0,0)，则根据坐标方位角计算公式，可求得Pi监测点在第k期的坐标方位角为
Figure BDA00022385690600000710
则此时Pi监测点的测量机器人照准水平角计算值如式(7)
Figure BDA00022385690600000711
步骤S112，计算测量机器人照准各监测点的天顶距计算值。
在步骤S112中，计算各监测点在第k期的高程值
Figure BDA0002238569060000081
随后计算测量机器人照准各监测点的天顶距计算值Vi k。
由式(2)可知，Pl监测点在第k期测站坐标系下的高程值为
Figure BDA0002238569060000082
则监测点组(P1,P2,P3...Pn)中的所有监测点在第k期测站坐标系下的高程值为：
Figure BDA0002238569060000083
Figure BDA0002238569060000084
为Pl在第k期的高程值，
Figure BDA0002238569060000085
为各个监测点在初始期的高程值，
Figure BDA0002238569060000086
为Pl在初始期的高程值。
由步骤S108的式(6)和(8)可知Pi监测点在第k期的三维坐标为
Figure BDA0002238569060000087
则此时Pi监测点的测量机器人照准的天顶距计算值如式(8)
Figure BDA0002238569060000088
步骤S114，根据第k期的天顶距计算值和水平角计算值依次照准监测组中的各监测点。
由步骤S110的式(7)和步骤S112的式(8)，测量机器人可根据
Figure BDA0002238569060000089
依次定位照准监测目标点。
本实施例还提供一种测量机器人。本实施例的测量机器人20至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器21、处理器22，如图5所示。需要指出的是，图5仅示出了具有组件21-22的测量机器人20，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。测量机器人的其他部件可参见相关技术中已知的部件，本申请实施例对此不做限定。
本实施例中，存储器21(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器21可以是测量机器人20的内部存储单元，例如该测量机器人备20的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器21也可以是测量机器人20的外部存储设备，例如该测量机器人20上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，存储器21还可以既包括测量机器人20的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器21通常用于存储安装于测量机器人20的操作系统和各类应用软件，例如自动寻点照准方法程序代码等。此外，存储器21还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
处理器22在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器22通常用于控制测量机器人20的总体操作。本实施例中，处理器22用于运行存储器21中存储的程序代码或者处理数据，例如自动寻点照准装置，以实现自动寻点照准方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、App应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质用于存储自动寻点照准装置，被处理器执行时实现自动寻点照准方法。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，包括：
初始期监测时，在监测区域的任意位置架设测站，通过测量机器人对监测点组中的各个监测点P1,P2,P3....Pn进行照准观测，确定所述各个监测点在初始期测站坐标系下的三维坐标
Figure FDA0002967721170000011
其中i＝1,2,3,4....n；
在第k期监测时，在监测区域的任意位置架设测站，通过测量机器人对所述监测点组中的任意两点Pl和Pm进行照准观测，确定Pl和Pm在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure FDA0002967721170000012
和
Figure FDA0002967721170000013
其中k＝2,3,4....Q；
根据平面坐标系转换四参数转换模型，以及Pl、Pm在初始期测站坐标系下和第k期测站坐标系下的平面坐标，确定初始期转第k期的平面坐标系的转换参数；
根据所述各个监测点在初始期的平面坐标
Figure FDA0002967721170000014
和确定得出的转换参数，确定所述各个监测点在第k期测站坐标系下的平面坐标
Figure FDA0002967721170000015
根据第k期的测站点坐标及各监测点在第k期测站坐标系下的平面坐标
Figure FDA0002967721170000016
确定各个监测点相对于第k期测站点的坐标方位角
Figure FDA0002967721170000017
并基于
Figure FDA0002967721170000018
Pl在第k期的水平角的观测值
Figure FDA0002967721170000019
和坐标方位角
Figure FDA00029677211700000110
确定第k期测量机器人照准各个监测点的水平角计算值
Figure FDA00029677211700000111
基于所述各个监测点在初始期测站坐标系下的高程值
Figure FDA00029677211700000112
Pl在第k期测站坐标系下的高程值
Figure FDA00029677211700000113
以及Pl在初始期测站坐标系下的高程值
Figure FDA00029677211700000114
确定所述各个监测点在第k期测站坐标系下的高程值
Figure FDA00029677211700000115
基于所述各个监测点在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure FDA00029677211700000116
确定第k期测量机器人照准所述各个监测点的天顶距计算值Vi k；
根据各监测点在第k期下的
Figure FDA00029677211700000117
和Vi k，自动定位到所述各个监测点；
其中，在初始期监测时，以初始期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立初始期的测站坐标系O1-X1Y1Z1；在第k期监测时，以第k期测站点为坐标原点，测量机器人的度盘零方向为X方向，测量机器人的铅垂线为Z方向，建立第k期的测站坐标系Ok-XkYkZk。
2.根据权利要求1所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，所述转换参数包括平移参数(x0,y0)、旋转参数α和尺度因子j，其中，j＝1，按照以下方式确定所述转换参数：
Figure FDA0002967721170000021
其中，
Figure FDA0002967721170000022
和
Figure FDA0002967721170000023
分别为Pl在初始期测站坐标系下和第k期测站坐标系下的平面坐标、
Figure FDA0002967721170000024
和
Figure FDA0002967721170000025
分别为Pm在初始期测站坐标系和第k期测站坐标系的平面坐标。
3.根据权利要求1所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，按照以下方式确定第k期测量机器人照准各个监测点的水平角计算值
Figure FDA0002967721170000026
Figure FDA0002967721170000027
其中，
Figure FDA0002967721170000028
为Pl在第k期的坐标方位角，
Figure FDA0002967721170000029
为Pl在第k期的水平角的观测值，
Figure FDA00029677211700000210
为各个监测点在第k期的坐标方位角。
4.根据权利要求1所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，按照以下方式确定所述各个监测点在第k期测站坐标系下的高程值
Figure FDA00029677211700000211
Figure FDA00029677211700000212
其中，
Figure FDA00029677211700000213
为Pl在第k期测站坐标系下的高程值，
Figure FDA00029677211700000214
为各个监测点在初始期测站坐标系下的高程值，
Figure FDA00029677211700000215
为Pl在初始期测站坐标系下的高程值。
5.根据权利要求1所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，按照以下方式确定第k期照准所述各个监测点的天顶距计算值Vi k：
Figure FDA0002967721170000031
其中，
Figure FDA0002967721170000032
为所述各个监测点第k期测站坐标系下的三维坐标。
6.根据权利要求1或2所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，所述平面坐标系转换四参数转换模型为：
Figure FDA0002967721170000033
其中，(x0,y0)为平移参数，α为旋转参数，j为尺度因子，(X,Y)为目标坐标系的平面坐标，(X',Y')为原坐标系的平面坐标。
7.根据权利要求1所述的测量机器人的自动寻点照准方法，其特征在于，按照以下方式确定Pl和Pm在第k期测站坐标系下的三维坐标
Figure FDA0002967721170000034
和
Figure FDA0002967721170000035
Figure FDA0002967721170000036
其中，
Figure FDA0002967721170000037
Vl k，
Figure FDA0002967721170000038
分别为Pl点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值；
Figure FDA0002967721170000039
其中，
Figure FDA00029677211700000310
分别为Pm点在第k期的水平角、天顶距和斜距的观测值。
8.一种测量机器人，其特征在于，包括：
存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的测量机器人的自动寻点照准方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有测量机器人的自动寻点照准程序，所述测量机器人的自动寻点照准程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的测量机器人的自动寻点照准方法的步骤。
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