CN111521167B - 基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪及其工作方法，对中仪由控制器控制的成像装置及校正装置，控制器内集成匹配算法能将成像装置采集的图像信息进行处理；校正装置根据图像信息处理结果能校正移动对中仪的旋转中心到目标中心点位置。本发明不需要人工进行精确对中，实现全自动精密对中已知点。

Description

基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪及其工作 方法

技术领域

本发明是涉及一种基于工业相机的测绘仪器，具体涉及基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪及其工作方法。

背景技术

测量工作中不可避免的会产生测量误差，测量中每一种测量仪器的使用都会对测量精度产生影响。随着测量任务对精度要求的逐步提高，测量仪器本身经逐步完善已完全可以满足任务需求，但是在测量仪器的架设过程中，仪器的对中通常经人工手动进行仪器多次交叉对中，整平操作，才能确定对中已知目标点，整个过程即便是熟练操作者也需要耗费4分钟左右时间，此方法不仅工作效率低、可靠性差，另容易产生偏差从而影响测量的精度。为提高测量效率，满足高精度的测量任务需求，需要对仪器架设对中精度提出更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于在研究出一款能够快速、自动实现高精度对中的对中仪，为实现高精度的测量任务提供保障。

本发明首要解决的技术问题是提供一种基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪及其工作方法，将测绘仪器架设于接近已知目标点O大致位置，进行整平，对中仪利用影像采集技术测得当前对中点的坐标J1(a₁,b₁)。

本发明的技术解决方案：

一种基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，包括：

由控制器控制的成像装置、校正装置及测绘仪器，所述控制器内集成匹配算法能将成像装置采集的图像信息进行处理；

上述匹配算法为实现图像信息处理方法的程序；

所述图像信息处理方法实现：

首先将对中仪架设于己知坐标点O，整平后，打开激光指示灯，对中仪利用成像装置测得当前激光指示点J1坐标，将测绘仪器旋转60°得到J2点，同理旋转6次，分别得到J1、J2、J3、J4、J5、J6激光指示点的坐标，两两对称位置形成三个不同的中点，其中J1与J4连线的中点设为C14，J2与J5连线的中点设为C25，J3与J6连线的中点设为C36，再根据C14，C25，C36三个中点的位置，确定唯一的旋转轴的旋转中心；

C14，C25，C36三个中点的位置存在以下三种情况：

第一，C14，C25，C36三个中点重合，此时，该三个中点的重合点即所求的旋转轴的旋转中心；

第二，C14，C25，C36三个中点中有两个中点重合，此时取该两个中点的重合点与第三点非重合点之间的中点，此中点为所求的旋转轴的旋转中心；

第三，C14，C25，C36三个中点互相不重合，此时，所述三个中点构成一个任意三角形，该三角形的内心即为所求的旋转轴的旋转中心；

所述校正装置根据图像信息处理结果能移动对中仪的旋转中心到目标中心点位置。

上述校正装置包括：

三轴位移滑台，

所述三轴位移滑台分为3层，最下层不移动，上边两层分别实现X、Y轴移动。

还包括：用于成像装置的补光装置。

还包括：用于显示图像的显示装置。

还包括：用于辅助识别图像的辅助校准装置。

所述测绘仪器为全站仪、经纬仪或超站仪。

一种上述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，包括：首先将对中仪架设于己知坐标点O，整平后，打开激光指示灯，对中仪利用成像装置测得当前激光指示点J1坐标，将测绘仪器旋转60°得到J2点，同理旋转6次，分别得到J1、J2、J3、J4、J5、J6激光指示点的坐标，由于旋转误差的存在，两两对称位置形成三个不同的中点，其中J1与J4连线的中点设为C14，J2与J5连线的中点设为C25，J3与J6连线的中点设为C36，再根据C14，C25，C36三个中点的位置，确定唯一的旋转轴的旋转中心。

C14，C25，C36三个中点的位置存在以下三种情况：

第一，C14，C25，C36三个中点重合，此时，该三个中点的重合点即所求的旋转轴的旋转中心；

第二，C14，C25，C36三个中点中有两个中点重合，此时取该两个中点的重合点与第三点非重合点之间的中点，此中点为所求的旋转轴的旋转中心；

第三，C14，C25，C36三个中点互相不重合，此时，所述三个中点构成一个任意三角形，该三角形的内心即为所求的旋转轴的旋转中心；

移动对中仪的旋转中心到目标中心点位置。

上述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，具体步骤为：

步骤一、所述对中仪的成像装置架设在己知坐标点O(x′、y′)位置，整平，打开控制器的电源开关，打开激光指示灯，使得激光指示点J1和己知坐标点O落入成像装置的拍摄器拍摄范围内，系统启动完成后，从屏幕中直接观察到激光指示点的位置，控制器控制成像装置的拍摄器拍摄J1点图像并测算J1点的图像坐标(a₁,b₁)；

步骤二、控制器控制测绘仪器旋转60°，到达第二次拍摄位置，控制器控制成像装置获取J2点的图像坐标(a₂,b₂)；

步骤三、同步骤一、二，依次将测绘仪器旋转60°，获取J3、J4、J5及J6的坐标分别为(a₃,b₃)、(a₄,b₄)、(a₅,b₅)及(a₆,b₆)；

步骤四、计算J1与J4、J2与J5、J3与J6连线的中点坐标C14、C25、C36，设C14、C25、C36的坐标分别为A(x₁、y₁)、B(x₂、y₂)、C(x₃、y₃)，C14，C25，C36三个中点的坐标如下：

步骤五、当三个中点重合时，该三个中点的重合点的坐标存在x₁＝x₂＝x₃＝x₀，y₁＝y₂＝y₃＝y₀，即该重合点的坐标即为所求的旋转轴的旋转中心的坐标；

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算旋转中心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴位移滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

上述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，

所述步骤五中，

当三个中点有两个中点相互重合，另一中点与其不重合时，计算重合点与不重合点之间的中点坐标，假设A、B点重合，C不与A，B重合，此时x₁＝x₂＝x″，y₁＝y₂＝y″，

(x₀，y₀)即为旋转轴的旋转中心；

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算旋转中心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴移动滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

上述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，

所述步骤五中，

当三个中点互相不重合时，三个中点构成任意三角形；根据三个中点确定唯一内心；该内心即为旋转中心，内心的坐标计算公式为：

其中：

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算内心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴移动滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

本发明的有益效果是：

本发明不需要人工进行精确对中，实现全自动精密对中已知点。本发明为研制一款能够快速、全自动实现高精度对中的对中仪器提供了思路和方法，按照这种方法可实现全自动对中仪的设计与制作，为实现高精度测量任务提供硬件基础。

表现在，

1)与传统手动对中方式相比较，本发明采用了全自动的对中方式，改变了传统多次交替反复对中、整平，逐步逼近己知坐标点对中的前期调试手段，仅需整平，无需精确对中，整个过程全自动操作，不用人为处理后期图像的相对坐标等工作，一次即可将将仪器的旋转中心调整到目标中心位置，大大提高工作效率；

2)本发明成像装置，多次采集包含已知点和激光指示点的影像进行坐标解算，并利用两两对称求解中点，三点构建三角形，求解三点所构三角形的内切圆求得内心坐标，逐步逼近旋转中心，使用此方法进行仪器对中精度高。

3)本发明采用液晶屏触摸操作，人机交互性能良好。

4)分体式的结构设计方式安装方便，灵活，使用方便。

附图说明

图1为本发明图像处理原理示意图；

图2为本发明对中仪一个实施例的结构组成图；

图3为三轴位移滑台图；

图4为成像装置结构图。

具体实施方式

本发明为实现全自动精密对中，主要包含控制器、成像装置、校正装置、测绘仪器、辅助校准装置等部件，具体通过以下方案进行技术实施。第一，基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪包含成像装置，该成像装置安装于设备底部距离旋转轴中轴线偏离2～5cm，可以实现目标中心点与激光指示点同时落入采集的同一张影像中；第二，成像装置成像像素不小于1000万像素，焦距不小于50mm，从而进一步保证图像分辨率优于0.3mm；第三，成像装置安装在距离地面坐标点垂直高度为80厘米至120厘米，可以实现距离地面1m左右的图像采集；第四，基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪包含三轴位移滑台，驱动三轴位移滑台在X、Y轴方向位移范围不小于5cm，Z轴的旋转角度不小于360°；第五，基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪包含控制器，该控制器上设有带触摸操作按键的显示屏，控制信号线缆传送给控制器，通过控制三轴位移滑台及成像装置进行位移操作和拍照的操作；第六，基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪包含辅助校准装置，该辅助校准装置上有标准比例尺的刻画线，可以用于图像坐标转换成位移坐标。

本发明为实现精确对中，需要将成像装置采集的图像信息通过匹配算法，对激光指示点中心位置进行测算，通过驱动装置和三轴位移滑台，精确移动旋转中心到目标中心点位置。该方法的工作原理如下：

参见图1，

首先将对中仪架设于己知坐标点O，整平后，打开激光指示灯，对中仪利用成像装置测得当前激光指示点J1坐标，将测绘仪器旋转60°得到J2点，同理旋转6次，分别得到J1、J2、J3、J4、J5、J6激光指示点的坐标，两两对称位置形成三个不同的中点，其中J1与J4连线的中点设为C14，J2与J5连线的中点设为C25，J3与J6连线的中点设为C36，再根据C14，C25，C36三个中点的位置，确定唯一的旋转轴的旋转中心；

C14，C25，C36三个中点的位置存在以下三种情况：

第一，C14，C25，C36三个中点重合，此时，该三个中点的重合点即所求的旋转轴的旋转中心；

第二，C14，C25，C36三个中点中有两个中点重合，此时取该两个中点的重合点与第三点非重合点之间的中点，此中点为所求的旋转轴的旋转中心；

第三，C14，C25，C36三个中点互相不重合，此时，所述三个中点构成一个任意三角形，该三角形的内心即为所求的旋转轴的旋转中心；

具体操作步骤如下:

步骤一、所述对中仪的成像装置架设在己知坐标点O(x′、y′)位置，整平，打开控制器的电源开关，打开激光指示灯，使得激光指示点J1和己知坐标点O落入成像装置的拍摄器拍摄范围内，系统启动完成后，从屏幕中直接观察到激光指示点的位置，控制器控制成像装置的拍摄器拍摄J1点图像并测算J1点的图像坐标(a₁,b₁)；

步骤二、控制器控制测绘仪器旋转60°，到达第二次拍摄位置，控制器控制成像装置获取J2点的图像坐标(a₂,b₂)；

步骤三、同步骤一、二，依次将测绘仪器旋转60°，获取J3、J4、J5及J6的坐标分别为(a₃,b₃)、(a₄,b₄)、(a₅,b₅)及(a₆,b₆)；

步骤四、计算J1与J4、J2与J5、J3与J6连线的中点坐标C14、C25、C36，设C14、C25、C36的坐标分别为A(x₁、y₁)、B(x₂、y₂)、C(x₃、y₃)，C14，C25，C36三个中点的坐标如下：

步骤五、当三个中点重合时，该三个中点的重合点的坐标存在x₁＝x₂＝x₃＝x₀，y₁＝y₂＝y₃＝y₀，即该重合点的坐标即为所求的旋转轴的旋转中心的坐标；

当三个中点有两个中点相互重合，另一中点与其不重合时，计算重合点与不重合点之间的中点坐标，假设A、B点重合，C不与A，B重合，此时x₁＝x₂＝x″，y₁＝y₂＝y″，

(x₀，y₀)即为旋转轴的旋转中心；

当三个中点互相不重合时，三个中点构成任意三角形；根据三个中点确定唯一内心；该内心即为旋转中心，内心的坐标计算公式为：

其中：

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算内心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴移动滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

参见图2，以徕卡TS30全站仪为例装配的对中仪包括：徕卡TS30全站仪1，徕卡基座2，三轴位移滑台3，成像装置4，补光装置5，供电电源6，辅助校准装置7，显示装置8，徕卡专用脚架9。

各结构之间连接关系：徕卡专用脚架9架设在地面或平台上，三轴位移滑台3通过徕卡专用脚架9上的锁紧螺丝安装固定其上部，徕卡基座2紧固在三轴位移滑台3的上表面，徕卡TS30全站仪1放置在徕卡基座上2，成像装置4以燕尾槽结构紧固连接在三轴位移滑台3的侧下方，补光装置5和供电电源6放置在地面，补光装置5光源平面与地面或者架设平台保持水平，辅助校准装置7中心放置在徕卡TS30全站仪1的垂直轴线与地面交点处，显示装置8挂靠在徕卡专用脚架9上。

参见图3，三轴位移滑台3是在AXY50-155H基础上对电机和丝杠进行替换，使得滑台体积变小，不妨碍观测人员进行观测，滑台底部安装转换板，采用暗槽走线，转换板上设计燕尾槽与成像装置4连接，并通过徕卡专用脚架9上的锁紧螺丝将三轴位移滑台3及徕卡TS30全站仪1固定在脚架上。使得该装置在任何一个经纬仪及全站仪等测量仪器的脚架都可通用，避免出现不能与用户脚架配套使用的情况。

三轴位移滑台3分为3层，最下层不移动，上边两层分别实现X、Y轴移动。三轴位移滑台3X、Y轴分别由高精度交叉滚柱导轨定向、步进电机驱动高精度丝杠旋转实现平行移动。交叉滚柱导轨是互相垂直交错分布的精密滚柱滚动在两根90°V形沟槽滚动面的导轨。通过将两列交叉滚柱导轨平行装配，可使结构承受4个方向的负荷，并且通过向交叉滚柱导轨施加预压，可获得无间隙、高刚性、轻快的滑动导向。步进电机安装在滑台外侧，通过驱动高精度丝杠推动滑台移动。滑台内同时安装有2根拉伸弹簧，其拉力方向与丝杠推力方向相反，可实现滑台无间隙高精度平移运动。步进电机后端带有高精度码盘，实时监测电机运动控制滑台精确移动到对应位置。步进电机尾部伸出轴上还安装有手动旋转手轮，可实现自动滑台装置在特殊环境下的手动位移。

参见图4，成像装置4是本产品的核心部分，其中包括摄像单元、控制单元、供电单元、显示单元、接口单元和定位安装模块，各模块分别安装在特殊构型的壳体中。光学系统安装在靠近旋转中心处，可垂直拍摄地面目标及激光点图像。壳体采用铝合金材质，强度高、加工方便、便于轻量化和小型化设计。壳体尾端设计有燕尾槽结构，可快速精准插入三轴位移滑台3侧下表面槽内，通过燕尾槽面定位后通过手轮锁紧，使紧固连接无晃动，保证后期图像处理时获取的图像特征准确。

供电电源6外壳采用铝型材盒，重量轻、强度高。内部装有电池、电量显示模块等。

辅助校准装置7上表面激光刻印有白色标尺线，其余表面喷涂成黑色，可以有效去除图像噪声，同时为鉴别图像质量提供背景参考。

图像处理装置8背面装有挂架，保护图像处理装置且与徕卡专用脚架9相配，可挂靠在其任意一条支腿上。

Claims (10)

1.一种基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，包括：

由控制器控制的成像装置、校正装置及测绘仪器，所述控制器内集成匹配算法能将成像装置采集的图像信息进行处理；

所述匹配算法为实现图像信息处理方法的程序；

所述图像信息处理方法实现：

首先将对中仪架设于己知坐标点O，整平后，打开激光指示灯，对中仪成像装置仪器测得当前激光指示点J1坐标，将测绘仪器旋转60°得到J2点，同理旋转6次，分别得到J1、J2、J3、J4、J5、J6激光指示点的坐标，两两对称位置形成三个不同的中点，其中J1与J4连线的中点设为C14，J2与J5连线的中点设为C25，J3与J6连线的中点设为C36，再根据C14，C25，C36三个中点的位置，确定唯一的旋转轴的旋转中心；

C14，C25，C36三个中点的位置存在以下三种情况：

第一，C14，C25，C36三个中点重合，此时，该三个中点的重合点即所求的旋转轴的旋转中心；

第二，C14，C25，C36三个中点中有两个中点重合，此时取该两个中点的重合点与第三点非重合点之间的中点，此中点为所求的旋转轴的旋转中心；

第三，C14，C25，C36三个中点互相不重合，此时，所述三个中点构成一个任意三角形，该三角形的内心即为所求的旋转轴的旋转中心；

所述校正装置根据图像信息处理结果能移动对中仪的旋转中心到目标中心点位置。

2.如权利要求1所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，其特征在于，所述校正装置包括：

三轴位移滑台，

所述三轴位移滑台分为3层，最下层不移动，上边两层分别实现X、Y轴移动。

3.如权利要求1～2任一所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，其特征在于，还包括：用于成像装置的补光装置。

4.如权利要求3所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，其特征在于，还包括：用于显示图像的显示装置。

5.如权利要求4所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，其特征在于：还包括：用于辅助识别图像的辅助校准装置。

6.如权利要求5所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪，其特征在于：所述测绘仪器为全站仪、经纬仪或超站仪。

7.一种如权利要求1所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，其特征在于，包括：

首先将对中仪架设于己知坐标点O，整平后，打开激光指示灯，对中仪利用成像装置测得当前激光指示点J1坐标，将测绘仪器旋转60°得到J2点，同理旋转6次，分别得到J1、J2、J3、J4、J5、J6激光指示点的坐标，由于旋转误差的存在，两两对称位置形成三个不同的中点，其中J1与J4连线的中点设为C14，J2与J5连线的中点设为C25，J3与J6连线的中点设为C36，再根据C14，C25，C36三个中点的位置，确定唯一的旋转轴的旋转中心；

C14，C25，C36三个中点的位置存在以下三种情况：

第一，C14，C25，C36三个中点重合，此时，该三个中点的重合点即所求的旋转轴的旋转中心；

第二，C14，C25，C36三个中点中有两个中点重合，此时取该两个中点的重合点与第三点非重合点之间的中点，此中点为所求的旋转轴的旋转中心；

第三，C14，C25，C36三个中点互相不重合，此时，所述三个中点构成一个任意三角形，该三角形的内心即为所求的旋转轴的旋转中心；

移动对中仪的旋转中心到目标中心点位置。

8.如权利要求7所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、所述对中仪的成像装置架设在己知坐标点O(x′、y′)位置，整平，打开控制器的电源开关，打开激光指示灯，使得激光指示点J1和己知坐标点O落入成像装置的拍摄器拍摄范围内，系统启动完成后，从屏幕中直接观察到激光指示点的位置，控制器控制成像装置的拍摄器拍摄J1点图像并测算J1点的图像坐标(a₁，b₁)；

步骤二、控制器控制测绘仪器旋转60°，到达第二次拍摄位置，控制器控制成像装置获取J2点的图像坐标(a₂，b₂)；

步骤三、同步骤一、二，依次将测绘仪器旋转60°，获取J3、J4、J5及J6的坐标分别为(a₃，b₃)、(a₄，b₄)、(a₅，b₅)及(a₆，b₆)；

步骤四、计算J1与J4、J2与J5、J3与J6连线的中点坐标C14、C25、C36，设C14、C25、C36的坐标分别为A(x₁、y₁)、B(x₂、y₂)、C(x₃、y₃)，C14，C25，C36三个中点的坐标如下：

步骤五、当三个中点重合时，该三个中点的重合点的坐标存在x₁＝x₂＝x₃＝x₀，

y₁＝y₂＝y₃＝y₀，即该重合点的坐标即为所求的旋转轴的旋转中心的坐标；

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算旋转中心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴位移滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

9.如权利要求8所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，其特征在于：

所述步骤五中，

当三个中点有两个中点相互重合，另一中点与其不重合时，计算重合点与不重合点之间的中点坐标，假设A、B点重合，C不与A，B重合，此时x₁＝x₂＝x″，y₁＝y₂＝y″，

(x₀，y₀)即为旋转轴的旋转中心；

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算旋转中心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴移动滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

10.如权利要求8所述基于影像控制的测绘仪器自动测定对中点的对中仪的工作方法，其特征在于：

所述步骤五中，

当三个中点互相不重合时，三个中点构成任意三角形；根据三个中点确定唯一内心；该内心即为旋转中心，内心的坐标计算公式为：

其中：

步骤六、控制器控制关闭激光指示灯，同时控制成像装置的拍摄器拍摄一张无激光指示点，但包含辅助校准装置的影像；

步骤七、利用辅助校准装置，计算内心的坐标与已知坐标点O(x′、y′)之间的横纵轴距离为x₀-x′，y₀-y′，控制器驱动三轴移动滑台移动相应坐标分量，将旋转中心移动至目标中心点。

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