CN113324482B - 一种三维坐标间接快速测量装置及方法 - Google Patents

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CN113324482B CN202110156190.6A CN202110156190A CN113324482B CN 113324482 B CN113324482 B CN 113324482B CN 202110156190 A CN202110156190 A CN 202110156190A CN 113324482 B CN113324482 B CN 113324482B
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Abstract

本发明公开了一种三维坐标间接快速测量装置及方法，包括RTK测量仪、测距仪、轴杆、底盘和三角撑，RTK测量仪位于轴杆顶端并与轴杆可拆卸连接，底盘位于轴杆底端并与轴杆可拆卸连接，底盘底部连接三角撑，且底盘上设置有水平器；测距仪设置在轴杆上并可沿轴杆上下移动。测量时，通过所述三维坐标间接快速测量装置测量得到待测点与选取的测点A、B、C、D之间的水平距离；然后通过组合方程数学分析计算出三维坐标，通过基于总体最小二乘法的平差处理方法精确数据，并通过加入补偿系数的方式消除测量误差，有效保证所求待测点坐标精度，解决了墙角、树荫等GPS信号观测条件不好时现有测量方法所求待测点坐标精度低的问题。

Description

一种三维坐标间接快速测量装置及方法
技术领域
本发明属于数字摄影测量技术领域，涉及一种三维坐标间接快速测量装置及方法。
背景技术
建筑工程测量工作存在于建筑工作的整个过程之中，设计者从建筑工程测量工作中获取大量的建筑信息，其中施工放样工作对于整个工程的工作进展和施工品质都有着至关重要的作用。在以往的工程实地测量中，建筑测量仪器受环境影响大，遇到墙角、树下信号差等特殊情况，只能通过建立新基站、使用新电台等辅助工具解决，费时费力，缺乏能够应用于工程的快速测量装置。
相关工程人员针对现有建筑测量仪器在特殊情况下的测量进行了一些探索，并提出了相应的解决方法，如公开号为CN105388494A、名称为一种应用于RTK测量仪接收机的激光测距定位方法的发明专利，可以解决墙角、树荫等GPS信号观测条件不好的测量问题，但是依然存在以下几点不足：
1、现有技术对测量的数据进行处理时，并没有考虑到现有测量装置自身的定位误差，要实现高精度的定位测量，现有测量装置本身定位误差是不可忽略的；同时现有技术只考虑了原始数据本身的偶然误差，并未考虑原始数据进行数学分析时的误差值；其次当待测区域有大面积遮挡严重，GPS信号微弱时，用现有测量装置测得观测点的坐标误差达到分米甚至米级；这几种因素均导致所求待测点坐标精度大大降低。
2、现有的测量技术需要分别通过多种仪器测量多种数据，对每一个观测点测量时均需要同时更换多次仪器和测量位置，而RTK测量仪、经纬仪、水准仪、全站仪等仪器在使用时分别需要进行校准水平，整个测量过程需要多次校准，导致测量过程繁琐。
3、以往的测量装置如RTK测量仪、经纬仪、水准仪、全站仪等仪器，在安装过程中仪器与底座之间都是通过螺孔螺旋连接，每台仪器都需要现场人工进行组装与拆卸，组装与拆卸的过程相对复杂，当两测量点之间需要进行中短距离移动时，考虑到对测量装置的保护，测量装置的安装与拆卸频率更大，会严重影响测量进度。
4、现有测量技术一般分为内业和外业两个部分，由外业进行踩点测量，由内业进行数据处理并出图，此过程经由两人的过程中会出现信息沟通不准、不及时的情况，同时内业与外业的任务会冲突，如果外业的任务未完成，将会影响到内业的任务，增加团队的任务分配工作，造成了人员冗杂的现象。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种三维坐标间接快速测量装置，以解决现有测量装置测量过程繁琐、测量进度缓慢的问题。
本发明实施例的另一目的在于提供一种三维坐标间接快速测量方法，以解决现有测量方法所求待测点坐标精度低的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是：一种三维坐标间接快速测量装置，包括RTK测量仪、测距仪、轴杆、底盘和三角撑，RTK测量仪位于轴杆顶端并与轴杆可拆卸连接，底盘位于轴杆底端并与轴杆可拆卸连接，底盘底部连接三角撑，且底盘上设置有水平器；测距仪设置在轴杆上并可沿轴杆上下移动。
本发明实施例所采用的另一技术方案是：一种三维坐标间接快速测量方法，采用如上所述的一种三维坐标间接快速测量装置，具体按照如下步骤进行：
步骤S1、将RTK测量仪固定在横梁上，将横梁与轴杆内部的旋转轴固定连接，然后打开控制轴杆底端的电磁铁通电的储电系统的开关，使三维坐标间接快速测量装置的电磁铁通电，使得轴杆与底座磁性连接；
步骤S2、使RTK测量仪、、RTK测量仪上的旋变式角度传感器、旋转测距装置上的激光测距器分别通过与其对应的蓝牙系统与具备蓝牙传输功能的移动设备蓝牙连接，使得RTK测量仪、旋变式角度传感器和激光测距器的测量数据能够通过对应的蓝牙系统传输至该具备蓝牙传输功能的移动设备上；
步骤S3、将RTK测量仪和测距仪调至启动状态，使旋转轴自带的控制电机工作，带动横梁、RTK测量仪以及旋变式角度传感器以横梁和旋转轴的连接处中心点为中心转动，并在RTK测量仪转动的轨迹上选择四个测点A、B、C、D，且选取的任意两个测点不能与待测点O在同一条直线上；采用测距仪测量其与待测点O之间的水平距离SO，采用RTK测量仪分别在选定的每个测点处测量该测点的方位向量，并采用旋变式角度传感器测量每个测点基于待测点O与测距仪之间的连线的旋转角度；
步骤S4、具备蓝牙传输功能的移动设备接收到RTK测量仪、旋变式角度传感器和激光测距器的测量数据后，按照下述公式计算得到测点A、B、C、D分别与待测点O的水平距离：
Figure BDA0002933579520000021
Figure BDA0002933579520000031
Figure BDA0002933579520000032
Figure BDA0002933579520000033
其中，SAO为A测点与待测点O的水平距离，SBO为B测点与待测点O的水平距离，SCO为C测点与待测点O的水平距离，SDO为D测点与待测点O的水平距离；α为A测点基于待测点O与测距仪之间的连线的旋转角度；β为B测点基于待测点O与测距仪之间的连线的旋转角度；γ为C测点基于待测点O与测距仪之间的连线的旋转角度；Ψ为D测点基于待测点O与测距仪之间的连线的旋转角度；R为横梁与旋转轴的连接处中心点到RTK测量仪的距离，r为测距仪的测量端到旋转轴的中心轴线的水平距离；
建立每个测点到待测点O的距离和方位向量的关系方程，得到：
Figure BDA0002933579520000034
Figure BDA0002933579520000035
Figure BDA0002933579520000036
Figure BDA0002933579520000037
其中，xa为A测点的x方位向量，ya为A测点的y方位向量，za为A测点的z方位向量，S′AO为A测点与待测点O的距离；xb为B测点的x方位向量，yb为B测点的y方位向量，zb为B测点的z方位向量，S′BO为B测点与待测点O的距离；xc为C测点的x方位向量，yc为C测点的y方位向量，zc为C测点的z方位向量，S′CO为C测点与待测点O的距离；xd为D测点的x方位向量，yd为D测点的y方位向量，zd为D测点的z方位向量，S′DO为D测点与待测点O的距离；xo为待测点O的x方位向量，yo为待测点O的y方位向量，zo为待测点O的z方位向量；
将公式(5)～(8)求偏导后得：
Figure BDA0002933579520000041
其中，Xo、Yo和Zo为待测点O的三维坐标；
令
Figure BDA0002933579520000042
简化后得：
L＝A·X； (10)
其中，L为实测数据向量，A为量化矩阵，X为未知参数向量；
步骤S5、解算未知参数向量X，得出待测点O的三维坐标Xo、Yo和Zo。
本发明实施例的有益效果是：
1、通过三维坐标间接快速测量装置测量出待测点与选取的测点A、B、C、D之间的距离，三维坐标间接快速测量装置能直接弥补现有测量装置不具备测量过程所有功能的不足之处；然后通过组合方程数学分析计算出三维坐标，通过基于总体最小二乘法的平差处理方法精确数据，并通过加入补偿系数的方式消除测量误差，有效保证所求待测点坐标精度，可以解决墙角、树荫等GPS信号观测条件不好等实际测量中现有测量方法所求待测点坐标精度低的问题；
2、相对于现有技术而言，本发明实施例的平差方法为基于总体最小二乘法算法，考虑到要实现高精度的定位测量，现有测量装置本身定位误差不可忽略，通过平差计算过程解决了这一问题，缩小现有测量装置本身定位误差；同时考虑到现有技术只考虑到原始数据本身的偶然误差，并未考虑原始数据进行数学分析时的误差值，本发明实施例通过原始数据进行数学分析时的误差值进行补偿，通过在计算中加入补偿系数的方式，显著提高待测点的测量精度；
3、相对于现有技术而言，本发明实施例通过RTK测量仪、平衡块和横梁构成上部构造，通过上部构造整体在轴杆上的转动来选择、测量多个测点的坐标，将测量的多个测点来获取未知点的坐标的过程由需要移动测量装置位置简化为不需要移动测量装置，避免测量过程中需多次移动测量装置，使测量任务更简洁快速。
4、相对于现有技术而言，本发明实施例不需要分别通过多种仪器测量多种数据，每个观测点只需通过三维坐标间接快速测量装置进行一次测量，所以只需进行一次校准水平操作；而现有技术中测量过程中都需要分别对RTK测量仪、经纬仪、水准仪、全站仪等仪器都进行校准水平，本发明装置使测量操作、测量过程更加方便快捷；
5、以往的测量装置如RTK测量仪、经纬仪、水准仪、全站仪等，在安装过程中都是通过螺孔螺旋连接，需要现场人工进行组装，当两测量点之间需要进行距离移动时，考虑到对测量装置的保护，测量装置的安装与拆卸频率更大，会严重影响测量过程。本发明装置在轴杆与底座之间使用电磁铁部件连接，通过电磁铁代替螺丝螺旋连接，方便安装与拆卸，减轻操作人员的测量任务，有效解决现有测量装置测量过程繁琐、测量进度缓慢的问题。
6、现有测量技术一般分为内业和外业两个部分，由外业进行踩点测量，由内业进行数据处理并出图，此过程经由两人的过程中难免会出现信息沟通不准、不及时的情况。本发明利用三维快速测量装置与平板之间的蓝牙连接，将测量数据传输到平板上，再由平板上的软件自动处理数据和，整个测量任务只需一人即可完成，不仅大大加快测量效率，同时也减轻团队的成员结构，给企业减少劳务支出和管理需求。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种三维坐标间接快速测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例的激光测距装置的正向示意图。
图3是本发明实施例的激光测距装置的侧向示意图。
图4是本发明实施例的上部构造的正向示意图。
图5是本发明实施例选择的A、B、C、D四个测点的位置示意图。
图6是本发明实施例的数据处理流程图。
图7是本发明实施例的A测点和B测点分别与待测点O的距离示意图。
图中，1.RTK测量仪，2.测距仪，3.轴杆，4.底盘，5.水平器，6.三角撑，7.滑轨，8.动齿轮，9.滑轮，10.旋转测距装置，11.激光测距器，12.上下滑动装置，13.电磁铁，14.第一电机，15.第二电机，16.驱动齿轮，17.锥齿轮，18.永磁体，19.储电系统，20.导线，21.蓝牙系统，22.带齿轨道，23.平衡块，24.旋转轴，25.旋转轴预留孔，26.水平圆盘，27.第三电机，28.横梁，29.旋变式角度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种三维坐标间接快速测量装置，如图1～4所示，包括RTK测量仪1、测距仪2、轴杆3、底盘4、三角撑6，所述RTK测量仪1位于轴杆3顶端并与轴杆3可拆卸连接，底盘4位于轴杆3底端并与轴杆3可拆卸连接，底盘4底部连接三角撑6，且底盘4上设置有水平器5；测距仪2设置在轴杆3上并可沿轴杆3上下移动。
具体的，所述轴杆3顶端设置有横梁28，RTK测量仪1与横梁28一端可拆卸连接，横梁28远离RTK测量仪1一端设置有平衡块23，平衡块23与横梁28可拆卸连接，以便对RTK测量仪1进行位置平衡。具体的，所述RTK测量仪1和平衡块23均与横梁28螺纹连接实现可拆卸连接，且RTK测量仪1通过固定在其底端的水平圆盘26与横梁28螺纹连接。
更具体的，所述轴杆3内设置有竖直的旋转轴24，旋转轴24与轴杆3转动连接；所述横梁28中心处开设有旋转轴预留孔25，旋转轴24的顶端贯穿轴杆3并与横梁28上的旋转轴预留孔25螺纹连接，旋转轴24转动可带动横梁28转动。
更具体的，所述底盘4顶端内部固定有永磁体18，所述轴杆3的底端固定有电磁铁13，底盘4通过其上的永磁体18以及轴杆3底端的电磁铁13与轴杆3可拆卸连接。
具体的，所述旋转轴24自带控制电机带动其旋转，且其控制电机由储电系统19提供动力，即储电系统19的输出端与旋转轴24的控制电机电性连接。
更具体的，电磁铁13由储电系统19通过导线20供电，储电系统19可采用可拆卸充电电池。通过储电系统19的开关来控制电磁铁13是否具有磁性，电磁铁13通电，其与永磁体18磁性连接，电磁铁13断电，其与永磁体18断开连接，分别通过控制两个电磁铁13的通、断电，控制RTK测量仪1和底盘4与轴杆3的拆卸与连接。
如图2～3所示，所述测距仪2包括旋转测距装置10、上下滑动装置12和激光测距器11，上下滑动装置12套接在轴杆3上且可沿轴杆3上下移动，旋转测距装置10设置于上下滑动装置12的侧面，且旋转测距装置10与上下滑动装置12活动连接使旋转测距装置10可沿上下滑动装置12的侧壁移动，所述旋转测距装置10最外部固定有激光头向外的激光测距器11。上下滑动装置12沿轴杆3上下滑动时，带动旋转测距装置10上下移动，旋转测距装置10绕上下滑动装置12中心的轴杆3旋转移动时，带动激光测距器11移动，对激光测距器11的位置进行调整。
具体的，所述轴杆3的侧壁上均匀固定有至少两条竖直设置的带齿轨道22，所述上下滑动装置12内部设置有与带齿轨道22一一对应啮合的第一驱动部，第一驱动部工作带动上下滑动装置12沿带齿轨道22上下移动，进而带动旋转测距装置10以及其上的激光测距器11沿轴杆3上下移动，对激光测距器11的高度进行调节。所述上下滑动装置12的上表面设置有以轴杆3为中心轴的环形的滑轨7，所述旋转测距装置10上固定有滑轮9，所述旋转测距装置10内部设置有第二驱动部，滑轮9设置于滑轨7中并可在第二驱动部的驱动下沿滑轨7移动，滑轮9沿滑轨7移动带动旋转测距装置10沿滑轨7旋转移动，也即沿上下滑动装置12的侧壁移动，进而带动激光测距器11绕轴杆3旋转，对激光测距器11的位置进行调节。
更具体的，所述第一驱动部包括第一电机14、驱动齿轮16和至少两组动齿轮8，每组动齿轮8包含两个上下分布的动齿轮8，至少两组动齿轮8均匀分布在轴杆3的外侧并分别与轴杆3上的带齿轨道22一一对应啮合；第一电机14固定在上下滑动装置12内部，其输出轴与驱动齿轮16连接，第一电机14工作带动驱动齿轮16与其同步转动；驱动齿轮16与一组动齿轮8啮合；第一电机14工作带动驱动齿轮16转动，驱动齿轮16带动与其啮合的一组动齿轮8沿带齿轨道22上下移动，进而带动上下滑动装置12沿带齿轨道22上下移动；第一电机14停止工作时，所有动齿轮8均停在带齿轨道22上并与轴杆3形成嵌入结构，对上下滑动装置12进行固定。所述上下滑动装置12通过动齿轮8在带齿轨道22上的移动来实现上下滑动，启动第一电机14后，电机带动驱动齿轮16转动，驱动齿轮16的转动带动动齿轮8的转动；通过改变第一电机14的电流方向来实现正反转，进而实现动齿轮8在带齿轨道22上的上下移动。
更具体的，所述第二驱动部包括第二电机15和两个锥齿轮17，第二电机15和两个锥齿轮17均设置于旋转测距装置10的内部，第二电机15的输出轴竖直设置，一个锥齿轮固定套设在第二电机15的输出轴上；所述上下滑动装置12上表面的滑轨7内的滑轮9与水平轴固定连接，另一个锥齿轮固定套设在水平轴上，两个锥齿轮17相互啮合，第二电机15工作经两个锥齿轮17驱动该滑轮9沿上下滑动装置12上表面的滑轨7移动。
更具体的，为了保证旋转的稳定性，所述上下滑动装置12的侧面设置有滑轨7，以便与位于旋转测距装置10背面(靠近上下滑动装置12的侧面)固定的滑轮9配合进行导向。该滑轨7内的滑轮9与旋转测距装置10靠近上下滑动装置12的侧壁固定连接或与第三驱动部连接。所述第三驱动部包括第四电机和两个传动齿轮，第四电机和两个传动齿轮均设置于旋转测距装置10的内部，第四电机的输出轴竖直设置，一个传动齿轮固定套设在第四电机的输出轴上；所述上下滑动装置12侧面的滑轨7内的滑轮9和另一个传动齿轮均固定套接在一个竖直轴上，两个传动齿轮相互啮合，第四电机工作经两个传动齿轮驱动该滑轮9沿上下滑动装置12侧面的滑轨7移动。
更具体的，所述第二电机15和第四电机，可以替换为一个输出轴竖直设置的双轴电机，该双轴电机的一个输出轴作为第二电机15的输出轴，其另一个输出轴作为第四电机的输出轴。
具体的，所述RTK测量仪1上设置有旋变式角度传感器29，且RTK测量仪1和旋转测距装置10上均设置有蓝牙系统21；所述RTK测量仪1上的蓝牙系统21与RTK测量仪1以及旋变式角度传感器29连接，所述旋转测距装置10上的蓝牙系统21与激光测距器11连接，RTK测量仪1、旋变式角度传感器29、旋转测距装置10上的激光测距器11分别通过对应的蓝牙系统21与具备蓝牙传输功能的移动设备(如平板、手机、计算机等)连接。所述移动设备，用于与RTK测量仪1、旋变式角度传感器29、激光测距器11进行蓝牙连接，在蓝牙连接成功后接收RTK测量仪1、旋变式角度传感器29、激光测距器11测量的数据，并利用接收的数据计算待测点的坐标。RTK测量仪1、旋变式角度传感器29、旋转测量装置10上的激光测距器11测得的数据存储到对应的蓝牙系统21，蓝牙系统21与所述的平板、手机、计算机建立连接后，将测量数据传输至平板、手机、计算机等。
实施例2
本实施例提供一种三维坐标间接快速测量方法，采用如上所述的一种三维坐标间接快速测量装置，具体按照如下步骤进行：
步骤S1、将RTK测量仪1固定在横梁28上，将横梁28与轴杆3内部的旋转轴24固定连接，然后打开储电系统19的开关，使三维坐标间接快速测量装置的电磁铁13通电，使得轴杆3与底座4磁性连接；
步骤S2、使RTK测量仪1、旋变式角度传感器29和激光测距器11分别通过与其对应的蓝牙系统21与具备蓝牙传输功能的移动设备蓝牙连接，使得RTK测量仪1、旋变式角度传感器29和激光测距器11的测量数据能够通过对应的蓝牙系统21传输至该具备蓝牙传输功能的移动设备上；
步骤S3、将RTK测量仪1和测距仪2调至启动状态，使旋转轴24自带的控制电机工作，带动横梁28、RTK测量仪1、平衡块23以及旋变式角度传感器29以横梁28和旋转轴24的连接点(旋转轴预留孔25)为中心转动，并在RTK测量仪1转动的轨迹上选择四个测点A、B、C、D，且选取的任意两个测点不能与待测点O在同一条直线上，如图5所示，采用RTK测量仪1分别在选定的每个测点处测量该测点的方位向量，采用测距仪2测量其与待测点O之间的水平距离SO，并采用旋变式角度传感器29测量每个测点基于待测点O与测距仪2之间的连线的旋转角度，然后RTK测量仪1、旋变式角度传感器29和激光测距器11的测量数据通过对应的蓝牙系统21传输至与其连接的具备蓝牙传输功能的移动设备上。本实施在选定的A、B、C、D四个测点处测得：A测点的方位向量为xa、ya、za，xa为A测点的x方位向量，ya为A测点的y方位向量，za为A测点的z方位向量，A测点基于待测点O与测距仪2之间连线旋转角度为α，如图7所示；B测点的方位向量为xb、yb、zb，xb为B测点的x方位向量，yb为B测点的y方位向量，zb为B测点的z方位向量，B测点基于A测点O与测距仪之间连线的旋转角度为β；C测点的方位向量为xc、yc、zc，xc为C测点的x方位向量，yc为C测点的y方位向量，zc为C测点的z方位向量，C测点基于待测点O与测距仪之间连线旋转角度为γ；D测点的方位向量为xd、yd、zd，xd为D测点的x方位向量，yd为D测点的y方位向量，zd为D测点的z方位向量，D测点基于待测点O与测距仪之间连线旋转角度为Ψ。
具体的，所述步骤S3按照如下步骤操作：
先将三维坐标间接快速测量装置移动至待测点O外周，打开三角撑6并调整三角撑6各个脚撑与地面的角度，使底盘4上的水平器5维持为水准状态；然后控制第一电机14工作，通过上下滑动装置12将测距仪2移动到对应高度，再控制第二电机15工作，通过旋转测距装置10将激光测距器11旋转到其测头指向待测点O；然后控制旋转轴24自带的控制电机工作，带动横梁28、RTK测量仪1以及旋变式角度传感器29转动，使得旋变式角度传感器29位于激光测距器11与待测点O之间的连线上；接着将三维坐标间接快速测量装置上的RTK测量仪1和测距仪2调至启动状态，使用测距仪2测量其与待测点O的水平距离SO，并再次使旋转轴24自带的控制电机工作，带动横梁28、RTK测量仪1以及旋变式角度传感器29转动，在RTK测量仪1转动的轨迹上分别选择测点A、B、C、D，在每个测点上使用RTK测量仪1测量该测点的x、y、z方位向量，并使用旋变式角度传感器29测量每个测点基于待测点O与测距仪2之间的连线的旋转角度，在使用旋变式角度传感器29测量完第一个测点基于待测点O与测距仪2之间的连线的旋转角度后，将旋变式角度传感器29的位置复位，并将RTK测量仪1和旋变式角度传感器29的数据归0，然后再重复上述使旋转轴24自带的控制电机工作至将RTK测量仪1和旋变式角度传感器29的数据归0的步骤，直至完成对所有测点的测量；然后RTK测量仪1、旋变式角度传感器29和激光测距器11的测量数据通过对应的蓝牙系统21传输至与其连接的具备蓝牙传输功能的移动设备上。如图6所示，平板等具备蓝牙传输功能的移动设备上的程序1接收三维坐标间接快速测量装置(RTK测量仪1、旋变式角度传感器29和激光测距器11)传输来的数据，程序2根据预先设置好的程序进行计算步骤S4～S6，程序3显示当前测量的结构物轮廓，以便对其每一个点进行查看坐标的操作(房地一体测量工程)。
步骤S4、具备蓝牙传输功能的移动设备接收到RTK测量仪1和激光测距器11的测量数据后，按照下述公式计算得到测点A、B、C、D分别与待测点O的距离：
Figure BDA0002933579520000101
Figure BDA0002933579520000102
Figure BDA0002933579520000103
Figure BDA0002933579520000104
其中，SAO为A测点与待测点O的水平距离，SBO为B测点与待测点O的水平距离，SCO为C测点与待测点O的水平距离，SDO为D测点与待测点O的水平距离；R为横梁28与旋转轴24的连接处中心点(旋转轴预留孔25)到RTK测量仪1的距离，r为测距仪2的测量端(激光测距器11)到旋转轴24的中心轴的水平距离。
然后根据测点之间的几何条件(任意两个测点不能与待测点O在同一条直线上)，建立每个测点到待测点的距离和方位向量的关系方程，则得到：
Figure BDA0002933579520000111
Figure BDA0002933579520000112
Figure BDA0002933579520000113
Figure BDA0002933579520000114
其中，S′AO为A测点与待测点O的距离，S′BO为B测点与待测点O的距离，S′CO为C测点与待测点O的距离，S′DO为D测点与待测点O的距离；xo为待测点O的x方位向量，yo为待测点O的y方位向量，zo为待测点O的z方位向量。
将公式(5)～(8)求偏导后得：
Figure BDA0002933579520000115
其中，Xo、Yo和Zo为待测点O的三维坐标；
令
Figure BDA0002933579520000121
简化后得：
L＝A·X； (10)
其中，L为实测数据向量，A为量化矩阵，X为未知参数向量；
步骤S5、解算未知参数向量X，得出待测点O的三维坐标Xo、Yo和Zo。
考虑到A、B、C、D四个测点所测的坐标也存在偏差，所以不仅仅是实测数据向量L存在偏差ΔL，量化矩阵A也存在偏差ΔA，因此进一步对公式(10)进行误差补偿得到：
L+ΔL＝(A+ΔA)·X； (11)
其中，实测数据向量L的偏差ΔL和量化矩阵A的偏差ΔA满足F范数(所有元素平方和开根号)最小，ΔL绝对值的范围为0-1m，ΔA中每一个元素绝对值的范围为0-0.1(仅数值，无单位)；
然后通过矩阵运算解算公式(11)中的未知参数向量X，得出待测点O的三维坐标Xo、Yo和Zo，具体解算过程如下：
令扩增矩阵C＝[A L]，即令
Figure BDA0002933579520000122
系数分解后C＝U·∑·VT，A为N*M的矩阵，L为N*1的矩阵，N＝4，M＝3；
1)计算矩阵
Figure BDA0002933579520000123
的M+1个本征值λi：
令|λE-CTC|＝0，求解本征值λ1≥λ2≥λ3≥λr≥λr+1≥…≥λM+1，其中r为矩阵CTC的秩，E为单位矩阵；
2)计算每个本征值对应的本征向量ξi，然后将每个本征值对应的本征向量正交化，最后采用正交化后的所有本征向量组成正交矩阵V，具体的，根据本征值的性质可知，(CTC-λiE)·ξi＝0，求得各个本征值对应的本征向量；
3)将正交矩阵V进行分块，
Figure BDA0002933579520000131
其中，V11为M*M矩阵，V12为M*1矩阵，V21为1*M矩阵，V22为1*1矩阵；
4)同时根据步骤1)～3)求得矩阵A·AT+L·LT的N个本征向量组成的正交矩阵U＝[U11 U12 U2]，其中，U11为N*M矩阵，U12为N*1矩阵，U2为N*(N-M+1)矩阵；
5)
Figure BDA0002933579520000132
σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,…,σM+1分别是C的转秩矩阵乘以C矩阵的特征值的非负平方根，其按照降序排列为：σ1≥σ2≥σ3≥σ4≥σ5≥…≥σM+1，∑1＝diag(σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,…,σM)，∑2＝diag(σM+1)；
观测值和计算值的差
Figure BDA0002933579520000133
为：
Figure BDA0002933579520000134
其中，观测值指实际测量的待测点O到测点A、B、C、D的距离SAO、SBO、SCO、SDO；计算值是未知参数向量X的解与量化矩阵A的乘积，计算值与观测值的差值越小，说明解算精度越高。
未知参数向量X的估计值
Figure BDA0002933579520000135
为：
Figure BDA0002933579520000136
进一步可以计算到：
Figure BDA0002933579520000137
Figure BDA0002933579520000138
Figure BDA0002933579520000139
其中，
Figure BDA00029335795200001310
是残差矩阵，
Figure BDA00029335795200001311
是
Figure BDA00029335795200001312
矩阵的迹，
Figure BDA00029335795200001313
是单位权中误差；
Figure BDA00029335795200001314
是未知参数的估计值
Figure BDA00029335795200001315
的方差协方差矩阵，IM是指M*M的单位矩阵。
公式(13)～(15)是对平差结果的精度评定，平差结果是指未知参数向量X的解即待求点坐标。根据步骤5)～8)中计算的矩阵代入公式(13)～(15)即可计算方差协方差矩阵
Figure BDA0002933579520000141
该矩阵的对角线上的元素的非负平方根即为待测点xyz三个方向上的精度，其中精度越低其值的准确性越高，结果越可靠。精度评定的目的是获取待测点坐标的准确性和可靠性，精度评定后就知道待测点坐标的准确性和可靠性，根据误差传播定律推导得到。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，包括RTK测量仪(1)、测距仪(2)、轴杆(3)、底盘(4)和三角撑(6)，RTK测量仪(1)位于轴杆(3)顶端并与轴杆(3)可拆卸连接，底盘(4)位于轴杆(3)底端并与轴杆(3)可拆卸连接，底盘(4)底部连接三角撑(6)，且底盘(4)上设置有水平器(5)；测距仪(2)设置在轴杆(3)上并可沿轴杆(3)上下移动；
所述测距仪(2)包括旋转测距装置(10)、上下滑动装置(12)和激光测距器(11)，上下滑动装置(12)套接在轴杆(3)上且可沿轴杆(3)上下移动，旋转测距装置(10)设置于上下滑动装置(12)的侧面，且旋转测距装置(10)与上下滑动装置(12)活动连接使旋转测距装置(10)可沿上下滑动装置(12)的侧壁移动，所述旋转测距装置(10)最外部固定有激光头向外的激光测距器(11)；
所述轴杆(3)的侧壁上均匀固定有至少两条竖直设置的带齿轨道(22)，所述上下滑动装置(12)内部设置有与带齿轨道(22)一一对应啮合的第一驱动部，第一驱动部工作带动上下滑动装置(12)沿带齿轨道(22)上下移动；
所述上下滑动装置(12)的上表面设置有以轴杆(3)为中心轴的环形的滑轨(7)，所述旋转测距装置(10)上固定有滑轮(9)，所述旋转测距装置(10)内部设置有第二驱动部，滑轮(9)设置于滑轨(7)中并可在第二驱动部的驱动下沿滑轨(7)移动，滑轮(9)沿滑轨(7)移动带动旋转测距装置(10)沿滑轨(7)绕轴杆(3)旋转移动，也即沿上下滑动装置(12)的侧壁移动。
2.根据权利要求1所述的一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，所述第一驱动部包括第一电机(14)、驱动齿轮(16)和至少两组动齿轮(8)，每组动齿轮(8)包含两个上下分布的动齿轮(8)，至少两组动齿轮(8)均匀分布在轴杆(3)的外侧并分别与轴杆(3)上的带齿轨道(22)一一对应啮合；第一电机(14)固定在上下滑动装置(12)内部，其输出轴与驱动齿轮(16)连接，第一电机(14)工作带动驱动齿轮(16)与其同步转动；驱动齿轮(16)与一组动齿轮(8)啮合；第一电机(14)工作带动驱动齿轮(16)转动，驱动齿轮(16)带动与其啮合的一组动齿轮(8)沿带齿轨道(22)上下移动，进而带动上下滑动装置(12)沿带齿轨道(22)上下移动；第一电机(14)停止工作时，所有动齿轮(8)均停在带齿轨道(22)上并与轴杆(3)形成嵌入结构，对上下滑动装置(12)进行固定；
所述第二驱动部包括第二电机(15)和两个锥齿轮(17)，第二电机(15)和两个锥齿轮(17)均设置于旋转测距装置(10)的内部，第二电机(15)的输出轴竖直设置，一个锥齿轮固定套设在第二电机(15)的输出轴上；所述上下滑动装置(12)上表面的滑轨(7)内的滑轮(9)与水平轴固定连接，另一个锥齿轮固定套设在水平轴上，两个锥齿轮(17)相互啮合，第二电机(15)工作经两个锥齿轮(17)驱动该滑轮(9)沿上下滑动装置(12)上表面的滑轨(7)移动。
3.根据权利要求2所述的一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，所述上下滑动装置(12)的侧面设置有滑轨(7)，该滑轨(7)内的滑轮(9)与旋转测距装置(10)外壁连接或与第三驱动部连接；
所述第三驱动部包括第四电机和两个传动齿轮，第四电机和两个传动齿轮均设置于旋转测距装置(10)的内部；第四电机的输出轴竖直设置，一个传动齿轮固定套设在第四电机的输出轴上，另一个传动齿轮和所述上下滑动装置(12)侧面的滑轨(7)内的滑轮(9)均固定套接在一个竖直轴上，两个传动齿轮相互啮合，第四电机工作经两个传动齿轮驱动该滑轮(9)沿上下滑动装置(12)侧面的滑轨(7)移动。
4.根据权利要求3所述的一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，所述第二电机(15)和第四电机，替换为一个双轴电机。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，所述轴杆(3)顶端设置有横梁(28)，所述RTK测量仪(1)与横梁(28)可拆卸连接；
所述轴杆(3)内设置有竖直的旋转轴(24)，所述旋转轴(24)自带控制电机带动其旋转，旋转轴(24)与轴杆(3)转动连接，旋转轴(24)的顶端贯穿轴杆(3)并与横梁(28)可拆卸连接，旋转轴(24)转动可带动横梁(28)及其上的RTK测量仪(1)转动。
6.根据权利要求1～4任一项所述的一种三维坐标间接快速测量装置，其特征在于，所述RTK测量仪(1)上设置有旋变式角度传感器(29)，且RTK测量仪(1)和旋转测距装置(10)上均设置有蓝牙系统(21)；所述RTK测量仪(1)上的蓝牙系统(21)与RTK测量仪(1)以及旋变式角度传感器(29)连接，所述旋转测距装置(10)上的蓝牙系统(21)与激光测距器(11)连接，RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)、旋转测距装置(10)上的激光测距器(11)分别通过对应的蓝牙系统(21)与具备蓝牙传输功能的移动设备连接，
所述移动设备，用于与RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)、激光测距器(11)进行蓝牙连接，在蓝牙连接成功后接收RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)、激光测距器(11)测量的数据，并利用接收的数据计算待测点的坐标；
所述底盘(4)上固定有永磁体(18)，所述轴杆(3)的底端固定有电磁铁(13)，底盘(4)通过其上的永磁体(18)以及轴杆(3)底端的电磁铁(13)与轴杆(3)可拆卸连接。
7.一种三维坐标间接快速测量方法，其特征在于，采用要求1～4任一项所述的一种三维坐标间接快速测量装置，具体按照如下步骤进行：
步骤S1、将RTK测量仪(1)固定在横梁(28)上，将横梁(28)与轴杆(3)内部的旋转轴(24)固定连接，然后打开控制轴杆(3)底端的电磁铁(13)通电的储电系统(19)的开关，使三维坐标间接快速测量装置的电磁铁(13)通电，使得轴杆(3)与底盘(4)磁性连接；
步骤S2、使RTK测量仪(1)、RTK测量仪(1)上的旋变式角度传感器(29)、旋转测距装置(10)上的激光测距器(11)分别通过与其对应的蓝牙系统(21)与具备蓝牙传输功能的移动设备蓝牙连接，使得RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)和激光测距器(11)的测量数据能够通过对应的蓝牙系统(21)传输至该具备蓝牙传输功能的移动设备上；
步骤S3、将RTK测量仪(1)和测距仪(2)调至启动状态，使旋转轴(24)自带的控制电机工作，带动横梁(28)、RTK测量仪(1)以及旋变式角度传感器(29)以横梁(28)和旋转轴(24)的连接处中心点为中心转动，并在RTK测量仪(1)转动的轨迹上选择四个测点A、B、C、D，且选取的任意两个测点不能与待测点O在同一条直线上；采用测距仪(2)测量其与待测点O之间的水平距离SO，采用RTK测量仪(1)分别在选定的每个测点处测量该测点的方位向量，并采用旋变式角度传感器(29)测量每个测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度；
步骤S4、具备蓝牙传输功能的移动设备接收到RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)和激光测距器(11)的测量数据后，按照下述公式计算得到测点A、B、C、D分别与待测点O的水平距离：
Figure FDA0003624152220000031
Figure FDA0003624152220000032
Figure FDA0003624152220000041
Figure FDA0003624152220000042
其中，SAO为A测点与待测点O的水平距离，SBO为B测点与待测点O的水平距离，SCO为C测点与待测点O的水平距离，SDO为D测点与待测点O的水平距离；α为A测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度；β为B测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度；γ为C测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度；Ψ为D测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度；R为横梁(28)与旋转轴(24)的连接处中心点到RTK测量仪(1)的距离，r为测距仪(2)的测量端到旋转轴(24)的中心轴线的水平距离；
建立每个测点到待测点O的距离和方位向量的关系方程，得到：
Figure FDA0003624152220000043
Figure FDA0003624152220000044
Figure FDA0003624152220000045
Figure FDA0003624152220000046
其中，xa为A测点的x方位向量，ya为A测点的y方位向量，za为A测点的z方位向量，S′AO为A测点与待测点O的距离；xb为B测点的x方位向量，yb为B测点的y方位向量，zb为B测点的z方位向量，S′BO为B测点与待测点O的距离；xc为C测点的x方位向量，yc为C测点的y方位向量，zc为C测点的z方位向量，S′CO为C测点与待测点O的距离；xd为D测点的x方位向量，yd为D测点的y方位向量，zd为D测点的z方位向量，S′DO为D测点与待测点O的距离；xo为待测点O的x方位向量，yo为待测点O的y方位向量，zo为待测点O的z方位向量；
将公式(5)～(8)求偏导后得：
Figure FDA0003624152220000051
其中，Xo、Yo和Zo为待测点O的三维坐标；
令
Figure FDA0003624152220000052
Figure FDA0003624152220000053
Figure FDA0003624152220000054
简化后得：
L＝A·X； (10)
其中，L为实测数据向量，A为量化矩阵，X为未知参数向量；
步骤S5、解算未知参数向量X，得出待测点O的三维坐标Xo、Yo和Zo。
8.根据权利要求7所述的一种三维坐标间接快速测量方法，其特征在于，所述步骤S5结算未知参数向量X前，先对公式(10)进行误差补偿得到：
L+ΔL＝(A+ΔA)·X； (11)
其中，ΔL为实测数据向量L的偏差，ΔA为量化矩阵A的偏差；实测数据向量L的偏差ΔL和量化矩阵A的偏差ΔA满足F范数最小，ΔL绝对值的范围为0-1m，ΔA中每一个元素绝对值的范围为0-0.1；
然后通过矩阵运算解算公式(11)中的未知参数向量X，得出待测点O的坐标三维坐标Xo、Yo和Zo；
所述步骤S3按照如下步骤操作：
先将三维坐标间接快速测量装置移动至待测点O外周，打开三角撑(6)并调整三角撑(6)各个脚撑与地面的角度，使底盘(4)上的水平器(5)维持为水准状态；然后控制第一电机(14)工作，通过上下滑动装置(12)将测距仪(2)移动到对应高度，再控制第二电机(15)工作，通过旋转测距装置(10)将激光测距器(11)旋转到其测头指向待测点O；然后控制旋转轴(24)自带的控制电机工作，带动横梁(28)、RTK测量仪(1)以及RTK测量仪(1)上的旋变式角度传感器(29)转动，使得旋变式角度传感器(29)位于激光测距器(11)与待测点O之间的连线上；接着将三维坐标间接快速测量装置上的RTK测量仪(1)和测距仪(2)调至启动状态，使用测距仪(2)测量其与待测点O的水平距离SO，并再次使旋转轴(24)自带的控制电机工作，带动横梁(28)、RTK测量仪(1)以及旋变式角度传感器(29)转动，在RTK测量仪(1)转动的轨迹上分别选择测点A、B、C、D，在每个测点上使用RTK测量仪(1)测量该测点的x、y、z方位向量，并使用旋变式角度传感器(29)测量每个测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度，在使用旋变式角度传感器(29)测量完第一个测点基于待测点O与测距仪(2)之间的连线的旋转角度后，将旋变式角度传感器(29)的位置复位，并将RTK测量仪(1)和旋变式角度传感器(29)的数据归0，然后再重复上述使旋转轴(24)自带的控制电机工作至将RTK测量仪(1)和旋变式角度传感器(29)的数据归0的步骤，直至完成对所有测点的测量；然后RTK测量仪(1)、旋变式角度传感器(29)和激光测距器(11)的测量数据通过对应的蓝牙系统(21)传输至与其连接的具备蓝牙传输功能的移动设备上；
所述公式(11)中的未知参数向量X按照如下过程解算：
令扩增矩阵C＝[A L]，即令
Figure FDA0003624152220000061
系数分解后C＝U·∑·VT，A为N*M的矩阵，L为N*1的矩阵，N＝4，M＝3；
1)计算矩阵
Figure FDA0003624152220000062
的M+1个本征值λi：
令|λE-CTC|＝0，求解本征值λ1≥λ2≥λ3≥λr≥λr+1≥…≥λM+1，其中r为矩阵CTC的秩，E为单位矩阵；
2)计算每个本征值对应的本征向量ξi，然后将每个本征值对应的本征向量正交化，最后采用正交化后的所有本征向量组成正交矩阵V；
3)将正交矩阵V进行分块，
Figure FDA0003624152220000071
其中，V11为M*M矩阵，V12为M*1矩阵，V21为1*M矩阵，V22为1*1矩阵；
4)根据步骤1)～3)求得矩阵A·AT+L·LT的N个本征向量组成的正交矩阵U＝[U11 U12U2]，其中，U11为N*M矩阵，U12为N*1矩阵，U2为N*(N-M+1)矩阵；
5)
Figure FDA0003624152220000072
σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,…,σM+1分别是C的转秩矩阵乘以C矩阵的特征值的非负平方根，其按照降序排列为：σ1≥σ2≥σ3≥σ4≥σ5≥…≥σM+1，∑1＝diag(σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,…,σM)，∑2＝diag(σM+1)；
观测值和计算值的差
Figure FDA0003624152220000073
为：
Figure FDA0003624152220000074
其中，观测值是指根据SO得到的待测点O到测点A、B、C、D的水平距离SAO、SBO、SCO、SDO，计算值是未知参数向量X的解与量化矩阵A的乘积；
未知参数向量X的估计值
Figure FDA0003624152220000075
为：
Figure FDA0003624152220000076
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