CN112268189B - 一种智能水准测量尺机器人 - Google Patents

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Abstract

一种智能水准测量尺机器人，包括智能机器人、尺架模块和控制终端，智能机器人由车体和装在车体上的云台模块组成，车体上装有云台模块的转动座，云台模块设有云台本体，云台本体上装有中控模块、扫描模块及激光测距器，扫描模块通过俯仰机构装在云台本体上，俯仰机构上装有用于测量扫描模块俯仰角度的角度传感器，扫描模块、激光测距器及角度传感器分别与中控模块连接，中控模块与控制终端连接，车体和云台本体上均装有感应模块，感应模块与中控模块连接。本发明在可编程智能中控系统的支持下，实现多样化的功能扩展需求，整体结构轻便、灵活、智能、在减少测量人员劳动强度的前提下，有效地保证了测量结果的准确性和测量效率。

Description

一种智能水准测量尺机器人
技术领域
本发明属于水准测量技术领域，特别涉及一种智能水准测量尺机器人。
背景技术
水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准塔尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差，此观测过程称为一站观测。通常由一水准点出发，沿选定的水准路线逐站测至目标点得到这两个点的高程。水准测量在大地基准维持、工程建设等方面应用广泛。
在水准测量工作当中，为了消弱水准仪i 角误差、地球曲率、大气折光等对水准测量的影响，应使水准仪与前后水准塔尺之间的距离（前后视距）尽可能相等，也就是视距差为零。不同等级几何水准测量对视距差有不同的要求，其中，二等水准测量要求一个测站内的前后视距差不大于lm，三、四等前后视距差不大于3m。目前，其主要依靠测量人员按照经验步测判断水准塔尺与水准仪之间的距离，然后依据水准仪光学测距方法测量出前后视距，一旦视距差超过规定的限差要求时，需要再次(或多次）移动水准塔尺，以使得前后视距差小于规定的限差。与光学测距相比，电子水准仪也仅在测距速度和可靠性得到较大提高，但其工作方式并没有改变，当前后视距差不满足要求时，也需要通过再次(或多次）移动水准塔尺来满足相关要求。多次的试探性调整水准塔尺位置既费时又费力，效率大打折扣。或只能通过增加一名观测人员来专门测量前后视距的办法，来提高效率，人员投入、作业速度不能兼得，大大影响工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种整体结构轻便、灵活的智能水准测量尺机器人。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种智能水准测量尺机器人，其特点是，包括智能机器人、用于水准测量的尺架模块和用于控制智能机器人的控制终端，还包括容量为2400mAh的智能电池模块,额定电压为10.8V，具有放电管理功能；
智能机器人由车体和装在车体上的云台模块组成，车体上装有云台模块的转动座，云台模块设有云台本体，云台本体上装有扫描模块、激光测距器及中控模块，扫描模块通过俯仰机构装在云台本体上，俯仰机构上装有用于测量扫描模块俯仰角度的角度传感器，扫描模块、激光测距器及角度传感器分别与中控模块连接，中控模块与控制终端连接，车体和云台本体上均装有用于控制智能机器人实现不同工作模式的感应模块，感应模块与中控模块连接；
所述尺架模块由水准塔尺和用于稳定水准塔尺的尺扣组成，尺扣固定在云台本体上，水准塔尺为加厚型铝合金水准塔尺，高清耐磨、ABS加厚塔箍，耐热抗冲击，
控制终端通过Wi-Fi直接连接智能测量尺机器人，可查看机器人各个部件状态，当某一部件异常时对应部位将显示红色，并在屏幕右侧显示出当前异常信息。同时可控制机器人运动速度、运动方式、拍照、语音播报、云台转动等；
云台本体采用两轴机械云台，为相机提供稳定运行的云台；在机器人运动的状态下，同时为测量工作者提供平稳流畅的FPV画面，
激光测距器具有自动校准功能，毫米级精度，存储历史数据，背光显示，主动报错，智能测量补偿功能。测量距离一般在200米以内，精度在2mm左右，可专门用来测量前后视距，从而提高测量效率、减少人员投入。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，所述车体包括内置运动控制器的底盘主体和装在底盘主体上的底盘装甲及车轮，底盘装甲由设在底盘主体的前侧、后侧、左侧及右侧的四块装甲模块组成，保护机器人内部结构，每块装甲模块上均装有感应模块，可将受到的击打，反馈给智能中控模块，底盘主体上装有驱动车轮的行进电机和给云台模块提供电能的电池，行进电机与运动控制器连接；
所述车轮由4个麦克纳姆轮集成，在它的轮缘上斜向分布着许多小棍子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，平稳。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，
底盘主体是基于麦克纳姆轮的全向运动平台，可实现前行、横移、斜行、旋转及组合登多种运动方式，内置运动控制器，是底盘运动的核心模块，提供丰富的外部模块接口，用来连接云台模块、底盘装甲、电池和行进电机，同时，内部集成运动控制算法、电源管理系统、行进电机管理系统及底盘状态管理系统等智能程序，可实现智能机器人的全向移动控制和复杂的数据交互。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，所述中控模块集成有双天线图传系统和Scratch编程系统，所述中控模块设有行人识别模块、线路识别模块、姿势识别模块、视觉标签识别模块、环境音频识别模块、位置识别模块及计时模块。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，所述扫描模块采用拍摄像素为500万、FOV为120°的相机，相机通过数据线与中控模块连接，专为本发明所述的机器人设计的，采用1/4英寸传感器，可准确记录智能测量尺机器人视线前方的景象，方便测量人员以第一人称视觉对智能测量尺机器人进行控制，所述俯仰机构包括相机安装架，相机安装架通过旋转轴装在云台本体上，云台本体上装有用于驱动旋转轴转动的俯仰驱动电机，俯仰驱动电机与控制终端连接。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，在所述云台本体上装有扬声器，扬声器上设有用于连接麦克风的适配音频接口，适配音频接口为2.5mm，额定功率为2W，扬声器与中控模块连接，通过将扬声器连接至智能机器人，可以当做对讲机使用，同时，对智能测量尺机器人操作完成发出提示音以通知测量人员。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，所述控制终端为设有触摸屏的移动终端。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，所述云台本体上的感应模块设有两块，感应模块通过云台装甲固定在云台本体上。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来实现的，在所述云台本体上装有云台装甲灯，灯光颜色可在控制终端中设定，在车体和云台本体上均装有用于照明和指示当前机器人的状态的LED指示灯。
与现有技术相比，本发明将测量用水准塔尺安装在智能机器人上，通过无线连接实现了人机交互，通过设转动座，实现自动转尺功能，减轻立尺员负担；通过设激光测距器，具有自动视距量测功能，帮助测量员确定测站，转点位置，提高测量工作效率，通过扫描模块，可自动寻找并瞄准水准塔尺；通过设适配音频接口的扬声器，可实现实时对讲功能，便于测量人员的远程沟通，并自动跟随测量人员。本发明所述的机器人能携带测量用水准塔尺，具有拍照录像、辅助进行点位标记、水准路线绘制、测区环境记录等功能，大大减轻了测量人员的作业负担。因此，本发明所述的机器人在可编程智能中控系统的支持下，实现多样化的功能扩展需求，整体结构轻便、灵活、智能、在减少测量人员劳动强度的前提下，有效地保证了测量结果的准确性和测量效率。
附图说明
图1是本发明所述智能水准测量尺机器人的结构图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以使本技术领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对本发明权利的限制。
参照图1，一种智能水准测量尺机器人，包括智能机器人1、用于水准测量的尺架模块和用于控制智能机器人的控制终端9，控制终端9为设有触摸屏的移动终端；
智能机器人1由车体和装在车体上的云台模块2组成，车体包括内置运动控制器的底盘主体12和装在底盘主体12上的底盘装甲13及车轮11，车轮11采用麦克纳姆轮，底盘主体12是基于麦克纳姆轮的全向运动平台，车体上装有云台模块2的转动座和驱动转动座转动的云台驱动电机，云台驱动电机与控制终端连接，云台模块2设有云台本体，云台本体上装有中控模块3、扫描模块4及激光测距器10，扫描模块4通过俯仰机构装在云台本体上，俯仰机构上装有用于测量扫描模块俯仰角度的角度传感器，扫描模块4、激光测距器10及角度传感器分别与中控模块3连接，中控模块3与控制终端9通过Wi-Fi模块通讯连接，车体和云台本体上均装有用于控制智能机器人实现不同工作模式的感应模块，感应模块与中控模块3连接，感应模块的块数与智能机器人的工作模式种类相匹配，其中，在车体的前侧、后侧、左侧及右侧各设一块，通过装甲模块固定，在云台本体上设有两块，设在云台本体两侧，通过云台装甲14固定，感应模块选用碰撞传感器，底盘主体12上装有驱动车轮的行进电机和给云台模块2提供电能的电池5，行进电机5与运动控制器连接。
所述中控模块3集成有双天线图传系统和Scratch编程系统，用于控制算法运算，所述中控模块设有行人识别模块、线路识别模块、姿势识别模块、视觉标签识别模块、环境音频识别模块、位置识别模块及计时模块，计时模块采用计时器，计时模块的设置是因为机器人的移动速度是提前设置的，一般为1m/s，从起点A开始计时，到终点B计时结束，通过S=vt，计算出AB两点的直线距离，
所述扫描模块4采用拍摄像素为500万、FOV为120°的相机，相机通过数据线与中控模块连接，所述俯仰机构包括相机安装架，相机安装架通过旋转轴装在云台本体上，云台本体上装有用于驱动旋转轴转动的俯仰驱动电机，俯仰驱动电机与控制终端连接；
所述尺架模块由水准塔尺8和用于稳定水准塔尺8的尺扣7组成，尺扣固定在云台本体上。
在所述云台本体上装有扬声器6，扬声器6上设有用于连接麦克风的适配音频接口，扬声器与中控模块3连接。
在所述云台本体上装有云台装甲灯，在车体和云台本体上均装有用于照明和指示当前机器人的状态的LED指示灯15。
实施例1，在传统水准测量中，当已知点A和B实地位置已知时，工作时首先需要在控制终端中进行准备工作，包括设置声音和视觉识别，设置麦克纳姆轮的运动方式、平移速率以及云台本体的旋转速率，再按下述步骤进行操作：
（1）通过远程的控制终端控制机器人通过位置识别模块记录起点A的X,Y坐标，朝向角度。
（2）控制计时模块开始计时，相机对A点进行拍照便于找点，以设定速率向B点前进。
（3）机器人到达B点后，相机4对B点环境进行拍照，底盘停止运动，云台内部计时器计时终止，记录B点X,Y坐标，朝向角度。计算A,B两点直线距离S米。
（4）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人反向向A点方向移动0.25S米后停止，相机对当前环境进行拍照，并记录当前点位的X、Y坐标，朝向角，此为测站2点位位置。
（5）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人反向向A点方向移动0.25S米后停止，相机4对当前环境进行拍照，并记录当前点位的X、Y坐标，朝向角，此为转点（AB中点）位置。
（6）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人反向向A点方向移动0.25S米后停止，相机对当前环境进行拍照，并记录当前点位的X、Y坐标，朝向角，此为测站1点位位置。
（7）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人向B点方向移动0.25S米后停止，回到转点位置，测距部分程序结束，测量部分程序准备开始。
（8）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人进入云台跟随底盘运动模式，地盘以设置速率原地旋转，云台启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1。
当相机4准确识别到标签1，底盘停止旋转，扬声器播放语音“仪器识别成功”。
遵循四等水准测量的观测顺序，需要机器人所携带的水准塔尺8，进行转尺180°操作。切换标签2，当相机识别到标签2，底盘向左旋转180°，完成转尺180°操作。
测站1测量流程结束后，远程控制机器人底盘向右旋转180°。此时测量仪器迁站进入测量2点位位置，控制机器人进入云台模块跟随底盘运动模式，底盘以设置速率原地旋转，云台模块启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1.测量程序进行循环模式，等待下一次测量开始。
实施例2，在传统水准测量中，当已知点A和测站点1点位C实地位置已知时，工作时首先需要在控制终端中进行准备工作，包括设置声音和视觉识别，设置麦克纳姆轮的运动方式、平移速率以及云台本体的旋转速率，再按下述步骤进行操作：
（1）通过控制终端远程指挥机器人记录起点A的X,Y坐标，朝向角度。
（2）控制机器人云台内部计时器开始计时，相机对A点进行拍照便于找点，云台模块以设置旋转速率进入扫描模式，底盘以设置速率向A点0°方向前进。
（3）当相机准确识别到测站1点位标签1，云台模块停止旋转，计时器停止，底盘停止运动，机器人计算AC两点直线距离在A点0°方向的投影距离S米，记录当前点位的X、Y点位坐标，朝向角，扬声器播放语音“扫描成功”。
（4）机器人内部计时模块倒计时5秒后，云台模块归中，底盘沿A点0°方向前进S米后停止，并记录当前位置的X、Y坐标和朝向角，此为测站1的前视尺位置。
（5）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人进入云台跟随底盘运动模式，地盘以设置速率原地旋转，云台模块启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1.
（6）当相机4准确识别到标签1，底盘停止旋转，扬声器播放语音“仪器识别成功”。
（7）遵循四等水准测量的观测顺序，需要机器人所携带的水准塔尺8，进行转尺180°操作。切换标签2，当相机识别到标签2，底盘向左旋转180°，完成转尺180°操作。
（8）测站1测量流程结束后，控制机器人底盘向右旋转180°。此时测量仪器迁站进入测量2点位位置，控制机器人进入云台模块跟随底盘运动模式，底盘以设置速率原地旋转，云台模块启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1.测量程序进行循环模式，等待下一次测量开始。
实施例3，在传统水准测量中，当已知点A和测站点1点位C实地位置已知时，工作时首先需要在控制终端中进行准备工作，包括设置声音和视觉识别，设置麦克纳姆轮的运动方式、平移速率以及云台本体的旋转速率，再按下述步骤进行操作：
（1）在测站1点位C位置启动机器人，控制机器人记录当前点位的X坐标、Y坐标和朝向角等信息。云台模块的相机4进入扫描标签模式，当识别到已知点A的标签1，云台模块提出相机视野中标签1的宽、高等信息，与真实标签1的宽、高信息进行比对，建立空间位似图形，并借助凸透镜成像原理计算AC之间直线距离S米。
（2）机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人进入云台模块跟随底盘运动模式，底盘向左旋转180°，底盘沿AC方向移动距离S米后停止，并记录当前点位的X坐标、Y坐标和朝向角等信息，此为测站点1的前视尺位置。
机器人内部计时模块倒计时5秒后，机器人进入云台跟随底盘运动模式，地盘（3）以设置速率原地旋转，云台模块启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1.
（4）当相机4准确识别到标签1，底盘停止旋转，扬声器播放语音“仪器识别成功”。
遵循四等水准测量的观测顺序，需要机器人所携带的水准塔尺，进行转尺180°操作。切换标签2，当云台模块相机识别到标签2，底盘向左旋转180°，完成转尺180°操作。
测站1测量流程结束后，控制机器人底盘向右旋转180°。此时测量仪器迁站进入测量2点位位置，指挥机器人进入云台跟随底盘运动模式，底盘以设置速率原地旋转，云台模块启动相机进入标签扫描模式，等待扫描到测站1点位的仪器标签1.测量程序进行循环模式，等待下一次测量开始。
实施例4，在传统测量中，当机器人进行测量任务时遇到外界不可控力的干扰，需要及时中止测量任务或者重测。现对本发明所述机器人的环境音频变量预警功能进行以下说明：
（1）智能水准测量尺机器人开机后，自动启动环境音频识别模块实时采集数据，经模数转换（ADC），把采集到的环境音频数据转换为数字信号并反馈给控制终端。
（2）数字信号经滤波处理和信号放大后生成满足
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的波形图像，设置预警阈值为40dB。
（3）当波形图像未出现大于40dB的波峰，可视为外界测量环境良好，测量任务可正常开展。当图像仅出现1-3个大于40dB的波峰，可视为机器人受到轻度干扰，需借助FPV摄像头实时观察周围情况。当图像出现连续3个以上大于40dB的波峰，可视为机器人受到持续性干扰，此时机器人停止测量任务，并播放高频率蜂鸣声进行报警并语声提示。
另外，本发明所述机器人具有良好的方向可控性，中控模块集成了双天线图传系统、Scratch编程系统等，进行控制算法运算，编写程序使其保持水平视线，在利用本发明所述机器人代替水准塔尺完成测站测距工作后，尝试使其代替水准仪进行水准测量工作，具体工作原理如下，
（1）水准塔尺由智能测量尺机器人辅助测量员运输，减轻测量员的工作负担。到达指定测站后，智能水准测量尺机器人在测站1开机进入待机扫描视觉标签模式。
（2）水准塔尺由测量员从机器人处取下，并放置在后视点处，并在水准塔尺处设置点位标签，当机器人上的相机识别到后视点处的点位标签时，扬声器播放“识别成功”，然后进入自动跟随标签移动模式。
（3）测量员操作点位标签沿着水准塔尺竖直向上平移，此时机器人云台相机跟随视觉标签沿着旋转轴向上旋转，当云台模块检测到已经到达水平位置时，相机停止旋转，利用角度传感器反馈在跟随点位标签过程中相机的旋转角度α。
（4）云台模块利用代替水准塔尺阶段计算得到的视距S和当前旋转的角度α，建立有关S和α的三角函数关系，计算得到后视点位置的竖直距离a,即传统水准测量过程中的后视点读数a。同理，得到前视点位置的竖直距离b,即传统水准测量过程中的前视点读数b。
（5）已知后视点A的高程为HA，后视点与前视点的高差hAB=a-b，待求点B的高程HB=HA+hAB。
本发明具有如下技术效果：
第一，利用目标识别功能，测量尺机器人自动跟随测量员移动，帮助测量员携带水准塔尺，减轻测量员的工作负担。
第二，利用激光测距模块，辅助测量员完成视距测距工作，测定已知点与测站点之间的距离，减少人工读尺的作业负担，以及人工读尺带来的测量误差，减轻人员劳动力的同时提高作业精度。
第三，利用麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，平稳等特点，实现自动转尺等工作。代替水准仪进行三角测量，测定后视点与前视点之间的高差，推算待求点高程。减轻了人员劳动作业负担。
第四，利用拍照与摄像功能，辅助测量员进行测量点位识记，测量环境的草图绘制，测区环境的三维建模等工作。为测量人员后期工作带来了便捷，提高了作业效率。
第五，利用语音对讲和照明功能，辅助测量员进行信息沟通，在较暗环境中提供辅助照明。为工人作业带来了便捷。
第六，具有多个指示灯，更加直观的将机器开关机、多个模块的工作状态展示给用户，能够更及时的处理问题，提高工作效率和工作准确性、更加人性化。
由此可见，本发明在可编程智能中控系统的支持下，可实现多样化的功能扩展需求。
以上实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，本发明的保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所示技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种智能水准测量尺机器人，其特征在于：包括智能机器人、水准测量用尺架模块和用于控制智能机器人的控制终端，尺架模块装在智能机器人上；
智能机器人由车体和装在车体上的云台模块组成，车体上装有云台模块的转动座，云台模块设有云台本体，云台本体上装有扫描模块、激光测距器及中控模块，扫描模块通过俯仰机构装在云台本体上，俯仰机构上装有用于测量扫描模块俯仰角度的角度传感器，扫描模块、激光测距器及角度传感器分别与中控模块连接，中控模块与控制终端连接，车体和云台本体上均装有用于控制智能机器人实现不同工作模式的感应模块，感应模块与中控模块连接；
所述尺架模块由水准塔尺和用于稳定水准塔尺的尺扣组成，尺扣固定在云台本体上。
2.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述车体包括内置运动控制器的底盘主体和装在底盘主体上的底盘装甲及车轮，底盘装甲由设在底盘主体的前侧、后侧、左侧及右侧的四块装甲模块组成，每块装甲模块上均装有感应模块，所述车轮采用麦克纳姆轮，底盘主体是基于麦克纳姆轮的全向运动平台，底盘主体上装有驱动车轮的行进电机和给云台模块提供电能的电池，行进电机与运动控制器连接。
3.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述中控模块设有行人识别模块、线路识别模块、姿势识别模块、视觉标签识别模块、环境音频识别模块、位置识别模块及计时模块。
4.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述扫描模块采用拍摄像素为500万、FOV为120°的相机，相机通过数据线与中控模块连接。
5.根据权利要求4所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述俯仰机构包括相机安装架，相机安装架通过旋转轴装在云台本体上，云台本体上装有用于驱动旋转轴转动的俯仰驱动电机，俯仰驱动电机与控制终端连接。
6.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述中控模块与控制终端通过Wi-Fi模块通讯连接。
7.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：在所述云台本体上装有扬声器，扬声器上设有用于连接麦克风的适配音频接口，扬声器与中控模块连接。
8.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述控制终端为设有触摸屏的移动终端。
9.根据权利要求1所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：所述云台本体上的感应模块设有两块，感应模块通过云台装甲固定在云台本体上。
10.根据权利要求9所述的智能水准测量尺机器人，其特征在于：在所述云台本体上装有云台装甲灯，在车体和云台本体上均装有用于照明和指示当前机器人的状态的LED指示灯。
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