CN112113547B - 一种自适应控制网的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应控制网的建立方法，包括：1：设置至少三个坐标已知的基准网点，并在基准网点上设置测点或测点与测站的结合体；2：布设结合体，结合体至少与三个基准网点通视，控制测站发射激光进行扫描，根据反射的激光信号和基准网点计算结合体的坐标，之后将结合体作为新的基准网点；3：重复步骤2，再次布设结合体并形成新的基准网点，直至所有新的基准网点布设完成；4：控制所有新的基准网点的测站进行激光扫描，并根据扫描结果修正所有新的基准网点的坐标，修正后完成控制网的建立。本发明能够快速获得新基准网点的位置信息并自适应修正，大幅提升控制网的抗干扰能力和数据精度。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种自适应控制网的建立方法，主要用于需要定位目标的行业中。
背景技术
平面控制网是以一定形式的图形把大地控制点构成网状，测定网点的坐标，或通过测定网中的角度、边长和方位角，推算网点的坐标。导线测量在建立小地区平面控制网中经常采用，尤其在地物分布较复杂的建筑区、视线障碍较多的隐蔽区及带状地区常采用这种方法。
当前的控制网测量主要通过全站仪、经纬仪或GPS来执行，均需要大量的测量专业人士来完成，并且需要定期复核。当前技术方案存在的主要技术难点有：1、需要测量专业人士参与，耗时且成本高；2、控制网中各测点要求稳定，测点的施工成本高；3、控制网中的测点需要定期复核，作业效率低，整个控制网的可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种自适应控制网的建立方法，本发明依托激光扫描自动识别测点、测站及中心角度值，并通过数据匹配和三角测量的相关算法，能够依次得出所有基准网点的位置信息并自适应修正，大幅提升了控制网的抗干扰能力和数据精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自适应控制网的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置至少三个坐标已知的基准网点，并在基准网点上设置测点或测点与测站的结合体；其中，测点具有反光功能，测站具有激光收发功能；
步骤2：布设结合体，结合体至少与三个基准网点通视，然后基于同一标准时钟控制测站在旋转的状态下发射激光进行扫描，扫描后根据旋转角度、反射的激光信号和基准网点的已知坐标计算结合体的坐标，得出坐标后将结合体作为新的基准网点；
步骤3：重复步骤2，再次布设结合体并形成新的基准网点，直至所有新的基准网点布设完成；
步骤4：控制所有新的基准网点的测站进行激光扫描，并根据扫描结果修正所有新的基准网点的坐标，修正完成后，完成控制网的建立。
所述步骤1中，测点包括具有反光功能的反光片，且反光片上设置有由条形码或电子标签构成的唯一编码。
所述步骤2的具体实施方法为：
S1：控制测站持续匀速旋转并不间断发射激光信号进行扫描，高频采集旋转角度和反射的激光信号；
S2：对旋转角度和反射的激光信号进行分析处理，依托唯一编码和对应时间识别出基准网点和结合体的身份，并提取出各反光片相对于测站的中心角度值；再结合各基准网点的已知坐标，依托极坐标后方交汇法计算出结合体的坐标值。
所述S1中，高频采集的采集频率为0.1-10MHz。
所述S2中，反光片相对于测站的旋转平台的中心角度的测角精度不小于1″。
所述S2中，反光片相对于测站的旋转平台的中心角度值的计算方法为：
其中，
为反光片相对于旋转平台的中心角度值；α和β分别为反光片有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数。
所述S2中，当测站旋转多圈时将提取出多个中心角度值，先对多个中心角度值进行平差处理，再采用平差处理后的中心角度值计算结合体的坐标值。
所述步骤3中，再次布设的结合体的坐标依据初始设置的基准网点和/或新的基准网点得出。
所述测站包括旋转机构和具有激光收发功能的目标识别定位机构，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台和用于计算旋转平台旋转角度的编码器；所述目标识别定位机构包括均固定在旋转平台上的主控制器、激光发射器和激光接收器，激光发射器、激光接收器、驱动器和编码器均与主控制器连接，主控制器用于驱动激光发射器发射激光信号、用于记录激光接收器接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台旋转和用于记录编码器的旋转角度值；当测点与测站相结合时，反光片环绕粘固在柱体上，并通过柱体固定在旋转平台上。
所述激光发射器和激光接收器均横向固定在旋转平台的上方。
所述的主控制器还连接有供电稳压模块和无线通信模块。
所述旋转机构还包括支架，支架的上部设置有限位柱，旋转平台通过限位柱安装在支架上。
采用本发明的优点在于：
1、本发明依托激光扫描自动提取出反光片相对于测站中心角度值，并通过数据匹配和三角测量的相关算法，能够依次得出所有基准网点的位置信息并自适应修正，大幅提升了控制网的抗干扰能力和数据精度。另外，本发明组网联测耗时少，控制网内各新的基准网点的坐标经自适应修正后均为实时坐标，控制网具有应对基准网点变形的自适应能力，作业效率高。且整套系统自动识别和控制，可以采用增加测回和整体平差等进行精度提升；而布设结合体时仅需通视和对中即可完成，普通工人也能进行布设。
2、本发明在确定结合体的坐标时能够部分消除机械加工误差等带来的影响。具体来说，本发明依托收发一体、同向旋转、无需定位、高频采集和多次叠加等技术处理，可消除机械加工误差等影响，提高测站的定位精度。
3、本发明基于同一标准时钟控制测站在旋转的状态下发射激光进行扫描，一方面便于测站结构的合理设置，另一方面则使得反射的激光信号和旋转角度能够形成关联，进而有利于数据的准确匹配。
4、本发明在反光片上设置有唯一编码，有利于快速确认基准网点和结合体的身份，进而快速定位结合体的位置。
5、本发明将反光片相对于测站的旋转平台的中心角度的测角精度设为不小于1″，使得本发明的测量精度能够达到或超过高精度全站仪的定位精度。
6、本发明将高频采集的频率限定为0.1-10MHz，同时记录旋转角度和激光信号，达到细分角度的目的，提高了角度识别精度。
7、本发明所述测站主要由旋转机构和目标识别定位机构组成，采用该结构的测站具有结构简单、便于移动安装的优点。且测站的整体尺寸小、成本低、效率高、稳定可靠，应用场景广，既可用于长期位移测量需求，又可以用于短期项目的位移测量需求。另外，测站中激光发射器、激光接收器均与主控制器均安装在旋转平台上，且激光发射器和激光接收器均与主控制器连接，使得测站中激光收发一体设计，解决了激光发射、激光接收信号的同步性问题，便于在同一标准时钟下控制测站发射激光进行扫描；靶标具有一定的宽度，通过高频采集提高了数据精度；旋转机构不间歇，多重采集，提高了数据精度。
8、本发明通过主控制器还连接有供电稳压模块和无线通信模块，其中，供电稳压模块具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力，有利于为旋转式激光收发装置提供稳定的电源，通过无线通信模块能够实现远端通信以及测量数据的上传，以便于进行终端显示以及大数据分析。
9、本发明通过支架支撑旋转平台，保证了测站装置的稳固性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中测站的识别定位原理图；
图3为本发明中测点的结构示意图；
图4为本发明中测站的结构示意图；
图5为本发明中结合体的结构示意图；
图6为本发明中结合体扫描测点时结构示意图；
图7为本发明中结合体扫描结合体时结构示意图；
图8为本发明中测站的工作原理图；
图中标记为：1、基准网点，2、结合体，3、测点，4、反光片，5、旋转平台，6、主控制器，7、激光发射器，8、激光接收器，9、供电稳压模块，10、无线通信模块，11、限位柱，12、支架。
具体实施方式
本发明公开了一种自适应控制网的建立方法，本方法依托测点3和测站实现，如图1所示，其包括以下步骤：
步骤1：设置至少三个坐标已知的基准网点1，并在基准网点1上设置测点3或测点3与测站的结合体2。
本步骤中，基准网点1有两种设置方式，第一种：在基准网点1上设置测点3。第二种：在基准网点1上设置测点3与测站的结合体2。其中，测点3具有反光功能，测站具有激光收发功能和数据处理功能，后续步骤中涉及到的数据处理均通过测站实现。
本步骤中，测点3包括反光片4，测点3的反光功能通过反光片4实现，反光片4被激光信号扫描到后，可原路反射激光信号。进一步的，反光片4上设置有由条形码或电子标签构成的唯一编码，当扫描到反光片4时，通过解析唯一编码即能够识别出该反光片4所对应基准网点1或结合体2的身份。通过唯一编码相当于为基准网点1和结合体2设置了身份证，有利于基准网点1与结合体2之间数据的准确匹配，从而保证坐标计算的准确性。
步骤2：布设结合体2，结合体2至少与三个基准网点1通视，即至少三个基准网点1位于结合体2的扫描区域内；然后基于同一标准时钟控制测站在旋转的状态下发射激光进行扫描，扫描后根据旋转角度、反射的激光信号和基准网点1的已知坐标计算结合体2的坐标，得出坐标后将结合体2作为新的基准网点1；
本步骤中，控制测站发射激光进行扫描包括如下几种扫描方式：
第一种：当基准网点1为结合体2时，由位于新布设结合体2通视区域内的基准网点1上的测站发射激光进行扫描。该种扫描方式中，新布设结合体2通视区域内所有基准网点1上的测站既可同时扫描，也可先后扫描，每个测站将同时扫描到新布设结合体2上的测点3和位于其扫描区域内的其它基准网点1上的测点3。
第二种：当基准网点1为结合体2时，由新布设结合体2上的测站发射激光对基准网点1上的测点3进行扫描。
第三种：当基准网点1为测点3时，由新布设结合体2上的测站发射激光对基准网点1上的测点3进行扫描。
本步骤的具体实施方法为：
S1：控制测站持续匀速旋转并不间断发射激光信号进行扫描，高频采集旋转角度和反射的激光信号。
所述S1中，测站进行低速旋转，高频采集的采集频率为0.1-10MHz，以在不影响处理速度的前提下，提高采样频率，提升识别精度。
S2：对旋转角度和反射的激光信号进行分析处理，依托唯一编码和对应时间识别出基准网点1和结合体2的身份，并提取出各反光片4相对于测站的旋转平台5的中心角度值；再结合各基准网点1的已知坐标，依托极坐标后方交汇法计算出结合体2的坐标值。
所述S2中，当采用上述第一种扫描方式时，提取出的是结合体2上的测点3相对于正在扫描测站上的旋转平台5的中心角度值和其它未扫描的各基准网点1上的测点3相对于正在扫描测站上的旋转平台5的中心角度值。当采用上述第二、三种扫描方式时，提取出的是各基准网点1上的测点3相对于结合体2上测站的旋转平台5的中心角度值。
所述S2中，反光片4相对于测站的旋转平台5的中心角度的测角精度不小于1″，当扫描到反光片4时，高频采集的反射激光信号呈现有规律的变化特征，据此可解析出反光片4的反光中心。如图2所示，反光片4相对于测站的旋转平台5的中心角度值的计算方法为：
其中，
为反光片4相对于旋转平台5的中心角度值；α和β分别为反光片4有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数。
进一步的，由于结合体2至少与三个基准网点1通视，因此当测站旋转多圈时将提取出多个中心角度值，每个反光片4将提取出多个中心角度值，先对多个中心角度值进行平差处理，再采用平差处理后的中心角度值计算结合体2的坐标值。其中，平差处理的原理为相邻两次扫描到同一个反光片4时，中心角度值应为常数360°。通过平差处理能够提高中心角度的测量精度，进而提高坐标精度。
步骤3：重复步骤2，再次布设结合体2并形成新的基准网点1，直至所有新的基准网点1布设完成。
本步骤中，再次布设的结合体2的坐标依据初始设置的基准网点1和/或新的基准网点1得出，即再次布设的结合体2的坐标可在步骤1中最开始设置的基准网点1的基础上得出，也可在由结合体2转换而来的新的基准网点1的基础上得出，还可在最开始设置的基准网点1和新的基准网点1相结合的基础上得出，具体根据实际需求而定。
步骤4：分别或同时控制所有新的基准网点1的测站进行激光扫描，并根据扫描结果修正所有新的基准网点1的坐标，修正完成后，完成控制网的建立。
本步骤在布设完成所有新的基准网点1后，由于每一个新的基准网点1都与初始基准网点1和/或其它新的基准网点1有关联，因此每一个基准网点1通视区域内的测点3数量都相应增加，此时控制所有新的基准网点1的测站进行激光扫描，每个测站都将得到更多的反射激光信号，再依据步骤2的方法统一计算并进行平差，就可修正各基准网点1的坐标，从而得到定位更加精准、抗干扰能力高架桥强和数据精度更高的控制网。
本发明中，如图3-7所示，测点3、测站和结合体2的结构分别如下：
所述测点3的反光片4环绕粘固在柱体上。所述测站包括旋转机构、供电稳压模块9、无线通信模块10和具有激光收发功能的目标识别定位机构，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台5和用于计算旋转平台5旋转角度的编码器；所述目标识别定位机构包括均固定在旋转平台5上的主控制器6、激光发射器7和激光接收器8，激光发射器7和激光接收器8均横向固定在旋转平台5的上方，激光发射器7、激光接收器8、驱动器、供电稳压模块9、无线通信模块10和编码器均与主控制器6连接，主控制器6用于驱动激光发射器7发射激光信号、用于记录激光接收器8接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台5旋转和用于记录编码器的旋转角度值。当测点3与测站相结合时，反光片4环绕粘固在柱体上，并优选通过柱体固定在旋转平台5的上方和下方，以便于激光信号的有效反射。
进一步的，如图8所示，测站中各组成的作用如下：
旋转机构：能够快速响应来自主控制器6的指令，能够将细分的角度标记反馈给主控制器6。当主控制器6高频采集到激光接收器8反馈的高频信号时，主控制器6发送指令后，编码器能够将当前细分的刻度值准确反馈给主控制器6。
主控制器6：是整个测量装置的核心部件，主要用于驱动激光发射器7发射激光信号、用于接收来自激光接收器8的反射激光信号、用于通过驱动器控制平台体旋转和用于读取编码器的数据、用于根据接收到的反射激光信号和编码器的数据识别目标。同时，还能够与无线通信模块10通信，将测试数据无线上传到远端。
激光发射器7：由主控制器6驱动控制，为点或线状激光，具有精度高、扩散小、照射距离远、准直等特点。
激光接收器8：用于接收激光发射器7投射的反射激光信号，其接收电路能够将接收管光信号转化为对应的电压信号提供给主控制器6。
供电稳压模块9：主要为主控制器6、激光发射器7以及无线通信模块10提供稳定的电压输出，该供电稳压模块9可通过外部直流变压，也可通过锂电池储能转换为主控制器6、激光发射器7以及无线通信模块10需求的VCC供电电压，该供电稳压模块9具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力。
无线通信模块10：用于实现远端通信、测量数据上传及无线组网，以便于进行终端的显示以及大数据分析。
本发明中，所述旋转机构还包括支架12，支架12优选为三角形架，支架12的上部设置有限位柱11，旋转平台5通过限位柱11安装在支架12上。使用时，旋转平台5由驱动器驱动在支架12上转动，从而带动旋转平台5上的激光发射器7和激光接收器8发射激光信号以及接收反射激光信号。
本发明主要应用于需要精准定位的行业中，例如可应用于自动化仓库中。当控制网建立后，将需要定位的目标体设置在控制网内，即可实时准确得出目标体的位置。
本发明在实际实施时，只要能够精确地取出各反光片4相对于测站的中心角度值，就能够精确地计算出结合体2的坐标值。基于此，申请人对本发明方案进行了如下验证：
1、设备选取
2、试验内容
在场地选取一个固定点用于设置测站，并在测站的可视范围内分别设置两个测点3，固定点距离两个测点3的水平距离分别为38米和70米。
3、试验过程
(1)将旋转平台5通过测量三脚架对中架设在固定点上，然后启动设备低速连续旋转10圈。
(2)控制测站连续旋转并连续发射激光信号，同时以1MHz的采样频率连续采集旋转角度和两个测点3反射的激光信号，获取每一圈的每个测点3的α、β、X和Y。
(3)将上述数据代入如下公式，计算测点3相对于测站旋转平台5的中心角度值：
其中，
为测点3相对于旋转平台5的中心角度；α和β分别为测点3有激光反射信号时的旋转角度值K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数；n为转台旋转的圈数；
ψ为第1个测点3和第2个测点3在旋转平面上的角度差。
4、试验对比
采用在旋转平台5位置架设全站仪，型号为莱卡TCA2003，分别照射两个测点3，1个测回下的ψ。
5、验证结果
| 本发明得出结果 | 全站仪得出结果 | |
| ψ | 36°48′36.43″ | 36°48′36.2″ |
实验数据显示，本发明相对于全站仪，可精准测量角度，且精度可以达到1″。基于此，本发明能够对结合体2进行精确定位。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种自适应控制网的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置至少三个坐标已知的基准网点(1)，并在基准网点(1)上设置测点(3)或测点(3)与测站的结合体(2)；其中，测点(3)具有反光功能，测站具有激光收发功能；
步骤2：布设结合体(2)，结合体(2)至少与三个基准网点(1)通视，然后基于同一标准时钟控制测站在旋转的状态下发射激光进行扫描，扫描后根据旋转角度、反射的激光信号和基准网点(1)的已知坐标计算结合体(2)的坐标，得出坐标后将结合体(2)作为新的基准网点(1)；
步骤3：重复步骤2，再次布设结合体(2)并形成新的基准网点(1)，直至所有新的基准网点(1)布设完成；
步骤4：控制所有新的基准网点(1)的测站进行激光扫描，并根据扫描结果修正所有新的基准网点(1)的坐标，修正完成后，完成控制网的建立；
所述步骤1中，测点(3)包括具有反光功能的反光片(4)，且反光片(4)上设置有由条形码或电子标签构成的唯一编码。
所述步骤2的具体实施方法为：
S1：控制测站持续匀速旋转并不间断发射激光信号进行扫描，高频采集旋转角度和反射的激光信号；
S2：对旋转角度和反射的激光信号进行分析处理，依托唯一编码和对应时间识别出基准网点(1)和结合体(2)的身份，并提取出各反光片(4)相对于测站的中心角度值；再结合各基准网点(1)的已知坐标，依托极坐标后方交汇法计算出结合体(2)的坐标值；
所述S2中，反光片(4)相对于测站的旋转平台(5)的中心角度值的计算方法为：
其中，φ为反光片(4)相对于旋转平台(5)的中心角度值；α和β分别为反光片(4)有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数。
2.根据权利要求1所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述S1中，高频采集的采集频率为0.1-10MHz。
3.根据权利要求1所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述S2中，反光片(4)相对于测站的旋转平台(5)的中心角度的测角精度不小于1″。
4.根据权利要求1所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述S2中，当测站旋转多圈时将提取出多个中心角度值，先对多个中心角度值进行平差处理，再采用平差处理后的中心角度值计算结合体(2)的坐标值。
5.根据权利要求1所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述步骤3中，再次布设的结合体(2)的坐标依据初始设置的基准网点(1)和/或新的基准网点(1)得出。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述测站包括旋转机构和具有激光收发功能的目标识别定位机构，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台(5)和用于计算旋转平台(5)旋转角度的编码器；所述目标识别定位机构包括均固定在旋转平台(5)上的主控制器(6)、激光发射器(7)和激光接收器(8)，激光发射器(7)、激光接收器(8)、驱动器和编码器均与主控制器(6)连接，主控制器(6)用于驱动激光发射器(7)发射激光信号、用于记录激光接收器(8)接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台(5)旋转和用于记录编码器的旋转角度值；当测点(3)与测站相结合时，反光片(4)环绕粘固在柱体上，并通过柱体固定在旋转平台(5)上。
7.根据权利要求6所述的一种自适应控制网的建立方法，其特征在于：所述的主控制器(6)还连接有供电稳压模块(9)和无线通信模块(10)。
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