CN203772276U

CN203772276U - 自主测绘机

Info

Publication number: CN203772276U
Application number: CN201420137137.7U
Authority: CN
Inventors: 许凯华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2024-03-25

Abstract

一种自主测绘机，包括测量机和姿态测控机，测量机包括中央处理器(28)、红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、精密测距单元(24)、远程测距单元(25)、高频测距单元(26)、偏心轮单元(27)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、测量机电源单元(29)、人机交互单元(30)、存储单元(35)、全球定位单元(36)、通信单元(37)、光敏电阻(75)；姿态测控机包括姿态测控处理器(40)、仰俯姿态单元(41)、水平姿态单元(56)、航向姿态单元(59)和姿态测控机电源单元(74)。本实用新型具有高性价比、低成本、便携的特点，适于野外使用。

Description

自主测绘机

技术领域

本实用新型属于地理信息技术领域，特别是涉及一种自主测绘机。

背景技术

市场需求：地理信息产业有成千上万的应用源于4个核心需求

1)获取目标物的三维大地坐标；

2)获取三维大地坐标下的地形地物图；

3)获取三维大地坐标下的物方三维影像；

4)获取大地坐标系下基于三维影像的三维导航图。

技术现状：多组人员使用种类繁多的多组仪器设备以不同方式分段获取上述某一核心需求，形成各种应用。存在的局限是效率低服务耗时、费用昂贵、工作受限(如：具有当前国际领先水平的车载道路摄影测量系统只能用于道路及两侧的近景摄影测量，600-800万元/套)等等。

目前市场上有4类用于野外测绘的相关产品：常规测绘仪器、“精密测量机器人”、用于近景道路摄影测量数据采集的设备集成系统、三维激光扫描仪。

1、常规测绘仪器：

如测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、全站仪(测距仪+经纬仪)、GPS定位仪以及配套使用的数传电台/GPRS/3G通信设备、超站仪(全站仪+GPS定位仪)等。全球、我国均有多家公司生产销售。常规测绘仪器均无摄影测量功能。常规测绘仪器存在的局限是：

1)传统设备：测距仪、水准仪、平板仪、倾斜仪、沉降仪、经纬仪、标杆、棱镜等传统设备均属单一功能仪器，通过测角、测高、测距、测水准等手段的综合使用来获取测站与被测目标之间在自定义坐标下的的相对关系数据。传统设备依靠人工操作，人为误差和分段引入大地坐标的误差均大且无有效的误差改正方法。传统设备效率很低，获取一个低精度的物方三维大地坐标常常需要一队专业技术人员工作很长时间。大量耗费人力和时间，实际工作成本高。

2)GPS定位仪：须将仪器架设在被测目标上观测，这首先需要被测目标具有架设仪器的条件，在此前提下还需投入较大的人力、物力和较长的时间，而需要测量的目标点常常并不具备架设仪器的条件。

3)全站仪：只能在自定义坐标系内测角和测距；完全依靠人工操作，人为误差较大且无有效的误差改正方法；测量物方三维坐标时需要同时具备两个以上的已知控制点；确定正北方向须购买当地GPS控制网(如果当地存在这样的网)数据，或借助陀螺仪；引入大地坐标须借助GPS定位仪。

4)超站仪：除测角、测距之外还能够测定自身的三维大地坐标(日本拓扑康超站仪单价60万元人民币)。超站仪存在与全站仪类似的问题。

2、“精密测量机器人”(全站仪+伺服系统，无摄影功能)：

“精密测量机器人”是新型全站仪，与常规全站仪的唯一区别是具有“ATR功能(棱镜瞄准功能)”：人工瞄准棱镜目标后，按照常规全站仪方法获取并存储这些棱镜在自定义坐标下的三维坐标数据和自身的姿态数据。人工启动伺服系统后，机器参照上次测量获取的坐标数据和姿态数据重新自动瞄准棱镜并再次获取自定义坐标下的三维坐标数据，据此扩展出一个以棱镜为观测目标的可用于形变监测的功能。

精密测量机器人是瑞士徕卡公司的独家产品，其航向角和仰俯角的测量精度达到0.5角秒，代表了全站仪的当今全球最高水平；价格适中：当需要扫描的棱镜个数小于10时，单台售价45万元人民币；棱镜个数大于10时另作系统方案，按系统方案另外加价。

精密测量机器人无摄影功能且存在与全站仪类似的局限。

3、用于道路摄影测量数据采集的设备集成系统：

目前市场上的道路摄影测量数据采集系统均为设备集成系统。美国谷歌、日本拓扑康的车载道路摄影测量系统是代表。其硬件特征是将位置测量设备(GPS)、姿态测量设备、定位补偿设备(INS或航位推算系统)、视频设备(CCD系统)、激光测距扫描仪、车载计算机系统设备连接在一起，安装在汽车上，在车辆的行进之中采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中；软件特征是基于GPS、RS、GIS、数据的3S集成，将外业采集回来的数据进行事后编辑处理，形成各种有用的专题数据成果，如导航电子地图等等。它的显著特点是：a.针对道路及临近两侧的独立的测成图系统。无需借助任何底图，即可独立完成路网图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，空间坐标数据与包含丰富属性信息的道路及临近两侧之立体影像同时获得，外业与内业紧密衔接，避免了人工方式下的人为误差；b.针对道路的实景三维可视化的数据成果。它以面状的方式快速采集道路及道路临近周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像；c.道路及道路临近周边信息与卫片/航片无缝链接，形成针对道路及临近周边地物的“天地一体化”新一代地理信息系统。

存在的局限是：

1)工作范围限于道路，无法进行野外作业：移动道路测量系统(道路摄影测量数据采集系统)是将GPS(全球定位系统)、姿态测量系统、CCD(视频系统)、INS(惯性导航系统或航位推算系统)、三维激光扫描系统、车载计算机系统等先进的传感器和设备装配在汽车上，这就意味着它只能用于道路及其临近两侧的摄影测量，无法进行野外环境的摄影测量。

2)近景：不带望远镜，广角摄影。能够对道路两侧200m内的景物进行近景摄影测量数据采集。物方三维大地坐标的解算精度为1米左右。

3)移动与操作：组成系统的各设备体积大、重量大，系统结构松散，须固定于汽车等大型载体上，多人操作。

4)外业数据采集内业事后处理的工作方式导致重复性外业劳动不可避免。

5)需要道路沿途有GPS控制网的支持。

6)价格昂贵：移动道路测量系统的全部组件均系外购，这些高端设备的昂贵价格使得“移动道路测量系统”的成本居高不下，无激光测距扫描仪的移动道路测量系统(无测距功能的数据采集系统)产品的价格为400万元人民币/套；有激光扫描测距设备的国外产品价格高于600万元人民币/套。

4、三维激光扫描仪

三维激光扫描仪可在自定义坐标下提供近景三维影像：用高速激光扫描测距方式获得大量的近程目标点距离数据并同步记录测距姿态数据，从而得到目标点三维坐标；用数码相机摄取目标景物影像；将两者叠加，获得近景三维影像。

三维激光扫描仪可广泛应用于室内灯光环境和室外晴朗天气的白昼环境下的近景目标。瑞典、美国、日本、中国均有数家公司生产销售。瑞典Rigle公司的野外三维激光扫描仪处于国际领先地位：好天气、良好能见度条件下测距可达2公里。三维激光扫描仪单台售价为60万元人民币—400万元人民币不等。

实用新型内容

本实用新型提供一种革命性产品，用基于底层结构的多系统一体化，将地理信息产业的核心需求和全部应用所需单元融为一体，获得低成本、高性价比的产品。

本实用新型提供的一种自主测绘机，包括测量机和姿态测控机，

测量机包括中央处理器28和分别与中央处理器28连接的红外激光光源1、多光成像单元9、精密测距单元24、远程测距单元25、高频测距单元26、偏心轮单元27、图像识别单元19、图像处理单元20、测量机电源单元29、人机交互单元30、存储单元35、全球定位单元36、通信单元37、光敏电阻75，多光成像单元9与图像处理单元20连接；

姿态测控机包括姿态测控处理器40，以及分别与姿态测控处理器40连接的仰俯姿态单元41、水平姿态单元56、航向姿态单元59和姿态测控机电源单元74，中央处理器28与姿态测控处理器40连接；

测量机与姿态测控机通过竖轴60、第一横轴42、第二横轴76、第三横轴80连接。

而且，所述三维姿态系统中，

所述仰俯姿态单元41包括第一离合器43、第一机组44、第一编码器53、第一电机54和第一驱动电路55，所述第一机组44包括第一同步带放大器45、第二蜗轮46、第一同步带轮47、第二蜗杆48、第二弹性机构49、第一蜗轮50、第一弹性机构51、第一蜗杆52，第一驱动电路55、第一电机54、第一蜗杆52依次连接，第一蜗轮50和第一蜗杆52经第一弹性机构51啮合，第一蜗轮50和第二蜗杆48经第二弹性机构49啮合，第二蜗轮46和第二蜗杆48之间经第一同步带轮47传动，第二蜗轮46和第一编码器53之间经第一同步带放大器45传动，第二蜗轮46连接第一离合器43，第一离合器43闭合时连接第一横轴42，姿态测控处理器40和第一离合器43、第一编码器53、第一驱动电路55分别连接；

所述航向姿态单元59包括第二离合器61、第二机组62、第二编码器73、第二电机71和第二驱动电路72，所述第二机组62包括第二同步带放大器64、第四蜗轮63、第二同步带轮65、第四蜗杆66、第四弹性机构67、第三蜗轮68、第三弹性机构69、第三蜗杆70，第二驱动电路72、第二电机71、第三蜗杆70依次连接，第三蜗轮68和第三蜗杆70经第三弹性机构69啮合，第三蜗轮68和第四蜗杆66经第四弹性机构67啮合，第四蜗轮63和第四蜗杆66之间经第二同步带轮65传动，第四蜗轮63和第二编码器73之间经第二同步带放大器64传动，第四蜗轮63连接第二离合器61，第二离合器61闭合时连接竖轴60，姿态测控处理器40和第二离合器61、第二编码器73、第二驱动电路72分别连接；

而且，所述竖轴60的中心轴线l₁与基准第一横轴42的中心轴线l₂、第二横轴76的中心轴线l₃、第三横轴80的中心轴线l₄的几何关系为，中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄平行，中心轴线l₁和中心轴线l₂构成的平面内，中心轴线l₁垂直于中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄；

姿态测控机通过竖轴60与测量机连接，由精密测距单元24和远程测距单元25构成的组件通过第一横轴42与姿态测控机连接，姿态测控机设有音叉，由红外激光光源1和多光成像单元9构成的组件通过第三横轴80与姿态测控机的音叉连接，高频测距单元26通过第二横轴76与姿态测控机的音叉连接，

使用高频测距单元26对点状目标测量距离时，第三横轴80与高频测距单元26之间采用同步连杆联动，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器81、第三离合器82、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21，中央处理器28、第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和第三离合器82依次连接，第三离合器82闭合时连接第三横轴80，第三横轴80、第七编码器81、中央处理器28依次连接；

使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，此时同步连杆刹车，第三横轴80与高频测距单元26脱离联动，高频测距单元26在偏心轮单元27的带动下独立在第二横轴76上高频摆动，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器78、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79，中央处理器28、第一电机与驱动电路79、第一蜗轮蜗杆组77依次连接，第二横轴76、第六编码器78、中央处理器28依次连接。

而且，所述测量机中，

红外激光光源1包括红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5、第三电机7、第三驱动电路8和第三编码器6，红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5依次连接，第三电机7与红外激光调焦镜3、第三驱动电路8、第三编码器6分别连接，中央处理器28和泵浦电源5、第五驱动电路11、第三编码器6分别连接；

多光成像单元9包括第五编码器10、第五驱动电路11、第六蜗轮12、第六蜗杆13、第四电机14、物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18、第五蜗轮23、第五蜗杆31、第四编码器34、第五电机32和第四驱动电路33，物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18依次连接，第五驱动电路11、第四电机14、第六蜗杆13、第五编码器10依次连接，第六蜗杆13与第六蜗轮12啮合，第六蜗轮12连接调焦镜16，第四驱动电路33、第五电机32、第五蜗杆31、第四编码器34依次连接，第五蜗杆31与第五蜗轮23啮合，第五蜗轮23连接变焦镜组22，中央处理器28和第五驱动电路11、第五编码器10、第四编码器34、第四驱动电路33、双滤光片结构CCD模块18分别连接。

本实用新型提供的自主测绘机是一种自主测绘型地理信息机器人，四重优点：一机覆盖地理信息产业的多种应用所需设备，具有涌现性，可广泛应用于摄影测量、工程测量、大地测量中的全部作业，对泥石流、雪崩、岩崩、山体位移各类地质灾害的形变监测，对建筑物/大坝/闸门/桥梁/尾矿的形变、裂隙等各类工程灾害的监测，大范围快速测图、精确瞄准定位、远程目标识别、远程精确跟踪等各种地理信息产业类应用及其外延应用；二是低成本、高性价比；三是使用时不同于传统工作模式，可获得高测量精度、大幅提高工效、降低劳动强度和成本；四是可针对用户需求进行个性化的简化、强化和延伸，演变出全新的产品系列。

附图说明

图1为本实用新型实施例自主测绘机的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的自主测绘机轴系示意图；

图3为本实用新型实施例的通信原理图；

图4为本实用新型实施例的电路原理框图；

图5为本实用新型实施例的装配示意图。

具体实施方式

本实用新型是一种便携式野外工作站。为叙述准确，在本实用新型中将“道路”定义为：适于汽车行驶的地球陆地表面。将“野外”定义为：包含道路在内的地球陆地表面。

以下结合附图和实施例详细说明本实用新型技术方案。

参见图1、4，实施例提供的自主测绘机，包括测量机和姿态测控机。

测量机包括中央处理器28和分别与中央处理器28连接的红外激光光源1、多光成像单元9、精密测距单元24、远程测距单元25、高频测距单元26、偏心轮单元27、图像识别单元19、图像处理单元20、测量机电源单元29、人机交互单元30、存储单元35、全球定位单元36、通信单元37、光敏电阻75；

姿态测控机包括姿态测控处理器40，以及分别与姿态测控处理器40连接的仰俯姿态单元41、水平姿态单元56、航向姿态单元59和姿态测控机电源单元74，中央处理器28与姿态测控处理器40连接。

测量机与姿态测控机通过竖轴60、第一横轴42、第二横轴76、第三横轴80连接，具体实施时可标定为一个多光同轴、多轴同心的整体。

所述多光同轴是指红外激光光源1的光轴、多光成像单元9的光轴、精密测距单元24的光轴、远程测距单元25的光轴、高频测距单元26的光轴，五者标定在同一轴线上。具体实施时，五者可以精密测距单元24的光轴为基准，在轴系标定意义下处于同一轴线上。以天文望远镜成像单元5的光轴为基准，其它4个工作单元的光轴均以此为准进行数据标定，实现整体测量结果上的四光同轴。

所述多轴同心是指竖轴60的中轴线、第一横轴42的中轴线、第二横轴76的中轴线、第三横轴80的中轴线、精密测距单元24的光轴、全球定位单元36天线相位中心点与竖轴60垂直于大地水准面时的中轴线之延长线相交形成的定位轴线，六者标定后相交于同一个空间点。

参见图2，所述竖轴60的中心轴线l₁与基准第一横轴42的中心轴线l₂、第二横轴76的中心轴线l₃、第三横轴80的中心轴线l₄的几何关系：l₁⊥l₂并交于空间点O(0,0,0)，远程测距单元25以精密测距单元24为基准标定在一起时，精密/远程测距单元的光轴与l₂交于空间点O；l₁⊥l₃并交于空间点O₁(0,0,h₁)，l₂//l₃且距离为h₁，高频测距单元26的光轴与l₃交于空间点O₃(x₁,0,h₁)并与O₁同在中心轴线l₃上，O₁与O₃之间的距离为x₁；l₁⊥l₄并交于空间点O₂(0,0,h₁+h₂)，l₃//l₄且距离为h₂，多光成像单元9以红外激光光源1为基准标定在一起时，红外激光/多光成像单元的光轴与l₄交于空间点O₂；

中心轴线l₁、l₂、l₃、l₄和空间点O、O₁、O₂、O₃都在同一个Π₁平面内，Π₁平面由l₁、l₂张成；Π₁平面与Π₂平面正交，Π₂平面是自主测绘机底座平面。

具体实施时，竖轴60的中轴线、第一横轴42的中轴线、第二横轴76的中轴线、第三横轴80的中轴线、精密测距单元24的光轴、全球定位单元36的天线相位中心与竖轴60延长线相交形成的定位轴线、空间点O1、空间点O2、空间点O3可在轴系标定意义下相交于同一个空间点O(0,0,0)：精密测距单元24的质量中心与第一横轴42的中心轴线的交点O(0,0,0)是自主测绘机轴系的中心，所有相关工作单元的中心轴线和交点O1、O2、O3均以此为准进行数据标定，实现整体测量结果上的多轴同心。

自主测绘机实现了基于紧密物理结构的系统硬件一体化，具体实施时，可根据应用在自主测绘机的所有资源中选择相应资源进行工作。

1.测量机

精密测距单元24系指测距精度为mm级的便携式小型激光测距装置。目前此类产品的最高水平是：无合作目标条件下的最大测程为1000米，使用反射棱镜合作目标条件下的最大测程为3000米—4000米；测距精度2-3mm+2ppm；

远程测距单元25系指测程超过10公里的便携式小型激光测距装置。一般的脉冲激光测距机可测量数十甚至数万公里的距离，精度通常为0.5m-5m。已知的当前最高水平为：测程40，000米、测距精度5分米、测距频率15Hz；

高频测距单元26系指测距频率超过1000Hz的便携式小型激光测距装置，采用相位式测距。普通的高频测距激光器用于三维激光扫描，多用于几十米—200米距离内的近景激光扫描。以测程为第一指标的前提下，已知的当前最高水平为：最大测程2000米，测距精度厘米级，测距频率500，000Hz。

所述红外激光光源1包括红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5、第三电机7、第三驱动电路8和第三编码器6，红外激光镜头2、红外激光调焦镜3、红外激光发生器4、泵浦电源5依次连接，第三电机7与红外激光调焦镜3、第三驱动电路8、第三编码器6分别连接，中央处理器28和泵浦电源5、第五驱动电路11、第三编码器6分别连接。

所述多光成像单元9包括第五编码器10、第五驱动电路11、第六蜗轮12、第六蜗杆13、第四电机14、物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18、第五蜗轮23、第五蜗杆31、第四编码器34、第五电机32和第四驱动电路33，物镜15、变焦镜组22、调焦镜16、成像镜组17、双滤光片结构CCD模块18依次连接，第五驱动电路11、第四电机14、第六蜗杆13、第五编码器10依次连接，第六蜗杆13与第六蜗轮12啮合，第六蜗轮12连接调焦镜16，第四驱动电路33、第五电机32、第五蜗杆31、第四编码器34依次连接，第五蜗杆31与第五蜗轮23啮合，第五蜗轮23连接变焦镜组22，中央处理器28和第五驱动电路11、第五编码器10、第四编码器34、第四驱动电路33、双滤光片结构CCD模块18分别连接。

所述图像处理单元20用于判断成像所得图像是否清晰，图像处理单元20与中央处理器28、多光成像单元9分别连接。图像处理单元20是一个DSP，基于现有图像清晰判断技术实现处理。

全球定位单元36的模块和天线是北斗、GPS、GLONASS、伽利略4系统一体化的定位装置，可同时利用4个天网定位；通信单元37支持3G、4G、自组网通信，包括3G/4G模块38和电台模块39，中央处理器28和3G/4G模块38、电台模块39分别连接。图像识别单元19可采用一个DSP实现，可参考现有图像识别技术。人机交互单元30一般包括键盘、触摸屏、鼠标，测量机电源单元29一般包括锂电池和充电电路、电源管理芯片。

中央处理器28可通过外设接口进一步扩展连接其他单元。

2.姿态测控机

姿态测控机由仰俯姿态单元41、航向姿态单元59、水平姿态单元56和姿态测控处理器40构成。水平姿态单元56、航向姿态单元59、姿态测控机电源单元74和姿态测控处理器40分别与姿态测控处理器40连接，中央处理器28与姿态测控处理器40连接。姿态测控机电源单元74一般包括锂电池和充电电路、电源管理芯片。

1)仰俯姿态单元41的工作系统构成：

仰俯姿态单元41由第一离合器43、第一机组44、第一编码器53、第一电机54、第一驱动电路55构成。

第一机组44由第一同步带放大器45、第二蜗轮46、第一同步带轮47、第二蜗杆48、第二弹性机构49、第一蜗轮50、第一弹性机构51、第一蜗杆52构成。

第一驱动电路55、第一电机54、第一蜗杆52依次连接，第一蜗轮50和第一蜗杆52经第一弹性机构51啮合，第一蜗轮50和第二蜗杆48经第二弹性机构49啮合，第二蜗轮46和第二蜗杆48之间经第一同步带轮47传动，第二蜗轮46和第一编码器53之间经第一同步带放大器45传动，第二蜗轮46连接第一离合器43，第一离合器43闭合时连接第一横轴42，姿态测控处理器40和第一离合器43、第一编码器53、第一驱动电路55分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第一驱动电路55输出指令到第一电机54，第一电机54输出经第一机组44进行仰俯运动传动后所产生的运动结果依次经第二蜗轮46、第一同步带放大器45、第一编码器53、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取第一横轴42实际的位置到达数据。

使用可微调的第二弹性机构49使第一蜗轮50和第二蜗杆48在运行中始终全面啮合，令第一蜗轮50和第二蜗杆48构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

使用可微调的第一弹性机构51使第一蜗轮50和第一蜗杆52在运行中始终全面啮合，令第一蜗轮50和第一蜗杆52构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。

2)航向姿态单元59的工作系统构成：

航向姿态单元59由第二离合器61、第二机组62、第二编码器73、第二电机71、第二驱动电路72构成。

第二机组62由第二同步带放大器64、第四蜗轮63、第二同步带轮65、第四蜗杆66、第四弹性机构67、第三蜗轮68、第三弹性机构69、第三蜗杆70构成。

第二驱动电路72、第二电机71、第三蜗杆70依次连接，第三蜗轮68和第三蜗杆70经第三弹性机构69啮合，第三蜗轮68和第四蜗杆66经第四弹性机构67啮合，第四蜗轮63和第四蜗杆66之间经第二同步带轮65传动，第四蜗轮63和第二编码器73之间经第二同步带放大器64传动，第四蜗轮63连接第二离合器61，第二离合器61闭合时连接竖轴60，姿态测控处理器40和第二离合器61、第二编码器73、第二驱动电路72分别连接；中央处理器28经姿态测控处理器40、第二驱动电路72输出指令到第二电机71，第二电机71输出经第二机组62进行航向运动传动后所产生的运动结果依次经第四蜗轮63、第二同步带放大器64、第二编码器73、姿态测控处理器40上传到中央处理器28，中央处理器28获取竖轴60实际的位置到达数据。

3)水平姿态单元：

水平姿态单元56由机械整平模块57和电子补偿模块58构成，姿态测控处理器40和电子补偿模块58连接。调整好机械整平模块57后，电子补偿模块58自动将水平姿态补偿到1角秒的精度并向姿态测控处理器40上传补偿后的水平姿态数据。机械整平模块57和电子补偿模块58可采用现有芯片。

4)整体轴系运动及装配

在姿态测控机中设置第三横轴80相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器81、第三离合器82、第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21，中央处理器28、第二电机与驱动电路21、第二蜗轮蜗杆组83和第三离合器82依次连接，第三离合器82闭合时连接第三横轴80，第三横轴80、第七编码器81、中央处理器28依次连接；

在姿态测控机中设置第二横轴76相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器78、第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79，中央处理器28、第一电机与驱动电路79、第一蜗轮蜗杆组77依次连接，第二横轴76、第六编码器78、中央处理器28依次连接。

姿态测控机设有音叉，参见图5音叉转动部分。中央处理器及其外围电路可另外集成设置，而机械部分各轴装配如下：

1)竖轴60主航向运动

姿态测控机通过竖轴60与测量机连接，测量机及其所属单元的航向运动均由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

2)第一横轴42与精密测距单元24的质量中心的交点是轴系的中心

精密测距单元24的质量中心与第一横轴42的中心轴线的交点是自主测绘机轴系的中心：所有相关工作单元的中心轴线和轴线与轴线的交点均以此为准进行标定，实现多轴同心。

由精密测距单元24和远程测距单元25构成的组件通过第一横轴42与姿态测控机连接。该组件的仰俯运动由第一横轴42的转动产生，仰俯运动精度经由仰俯姿态单元41测控；该组件的航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

3)第二横轴76与高频摆动

第二横轴76用于支持轴上的高频摆动。高频测距单元26通过第二横轴76与姿态测控机的音叉连接。在图1所示的测量机实施例中：

使用高频测距单元26对点状目标测量距离(获取厘米级精度的距离数据)时，高频测距单元26的仰俯运动由第三横轴80的转动产生【第三横轴80通过同步连杆带动高频测距单元26运动】，仰俯运动精度经由第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81测控。其航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控；

使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，第二横轴76支持偏心轮单元27沿仰俯方向的高频摆动。高频测距单元26的仰俯运动由偏心轮单元27控制，仰俯运动精度由第一蜗轮蜗杆组77、第一电机与驱动电路79、第六编码器78测控。航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度由航向姿态单元59测控。

4)第三横轴80与大质量组件的姿态运动

第三横轴80用于支持大质量组件的姿态运动。在图1所示的测量机实施例中，红外激光光源1和多光成像单元9是大质量部件(当测量距离超过25公里时远程测距单元25往往成为测量机中质量最大的部件)，两者构成的组件通过第三横轴80与姿态测控机音叉连接。该组件的仰俯运动由第三横轴80的转动产生，仰俯运动精度经由第二蜗轮蜗杆组83、第二电机与驱动电路21、第七编码器81测控。其航向运动由竖轴60的转动产生，航向运动精度经由航向姿态单元59测控。

5)同步连杆

第三横轴80与高频测距单元26之间有一同步连杆：使用高频测距单元26对点状目标测距时，红外激光光源1、多光成像单元9和高频测距单元26通过同步连杆实现在仰俯角方向的同步联动。此时偏心轮单元27处于停止工作状态；使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时偏心轮单元27处于工作状态，此时同步连杆刹车，第三横轴80与高频测距单元26脱离联动，高频测距单元26在偏心轮单元27的带动下独立在第二横轴76上高频摆动。

3.自主测绘机的通信：

图3是自主测绘机的通信原理图，以下用从上往下分层的方式诠释。第一层：左边标示“全球定位卫星”的云朵表示用于全球定位的卫星群构成的天网，包含中国的北斗、美国的GPS、欧盟的伽利略、俄罗斯的GLONASS等可用资源。例如，GPS用于全球定位的卫星群含有26-30颗卫星(24颗运行、其它备份)，分6条轨道等。这24颗工作卫星就构成了GPS天网。同理表述北斗天网、伽利略天网和GLONASS天网。右边标示“遥感卫星”的云朵表示由各国、各种用于观测地球资源的RS卫星的可用资源(如航天遥感影像等)；第二层：左边为本专利技术的自主测绘机，右边为基准站。标有“自组网”字样的位于中间的闪电形符号表示自主测绘机之间通过自组网进行的无线通信，标有“地面RS数据”字样的位于两边的闪电形符号表示自主测绘机的地面遥感功能；第三层：地面通信网络。左边标有“有线/无线电话网”字样的云朵表示用于地面通话的电话网，其终端包含手机和座机。中间标有“无线Internet(2.5G/3G/4G)”字样的云朵表示无线数据网。右边标有“地面站”字样的云朵表示遥感卫星的地面站网络；第四层：地面通信网络的数据平台。标有“2.5G平台”、“3G平台”、“4G平台”、“RS数据平台”的方框分别表示2.5G无线数据通信平台、3G无线数据通信平台、4G无线数据通信平台和与各地面站连接的遥感数据平台；第五层：标有“有线Internet”字样的云朵表示通用的因特网，左边标有B/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以B/S方式收发信息的计算机服务器，右边标有C/S后方数据中心字样的图标表示连接在因特网上的以C/S方式收发信息的计算机服务器；各层之间的通信符号：闪电形符号表示无线通信方式的数据链接，直线相连表示有线通信方式的数据链接。

自主测绘机可方便地与用户的便携终端或远程云端连接。

4.自主测绘机使用方式说明

自主测绘机在物理上是光机电一体化的系统，本实用新型仅提供并要求物理硬件设计保护。在具体实施时，用户可自行根据需要和现有地理测绘方法使用自主测绘机。例如，利用光敏电阻75选择关闭或打开泵浦电源5，在白光光源或红外激光光源下成像；使用高频测距单元26对三维面状目标进行扫描式测距时，可通过航向姿态单元59、偏心轮单元27、高频测距单元26同步工作，完成高频测距单元26在多光成像单元9视场内的扫描式自动测距，获得距离数据点阵云以及与每个距离数据相对应的三维姿态数据，生成三维野外实景影像；根据距离使用远程测距单元25、高频测距单元26或精密测距单元24进行测距，根据现有解算技术自动解算得到被测目标的三维大地坐标；通过图像识别单元19采用现有识别技术从野外实景影像中识别特定目标，并通过仰俯姿态单元41和航向姿态单元59跟踪特定目标；选择形变测量对象中任意多个需要监测的目标地物为被测目标，对各被测目标持续监测，包括在多个时间点获取被测目标的影像、瞄准被测目标时的姿态数据、测站至被测目标的距离数据、被测目标的三维坐标，得到形变测量对象的形变数据。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种自主测绘机，其特征在于：包括测量机和姿态测控机，

测量机包括中央处理器(28)和分别与中央处理器(28)连接的红外激光光源(1)、多光成像单元(9)、精密测距单元(24)、远程测距单元(25)、高频测距单元(26)、偏心轮单元(27)、图像识别单元(19)、图像处理单元(20)、测量机电源单元(29)、人机交互单元(30)、存储单元(35)、全球定位单元(36)、通信单元(37)、光敏电阻(75)，多光成像单元(9)与图像处理单元(20)连接；

姿态测控机包括姿态测控处理器(40)，以及分别与姿态测控处理器(40)连接的仰俯姿态单元(41)、水平姿态单元(56)、航向姿态单元(59)和姿态测控机电源单元(74)，中央处理器(28)与姿态测控处理器(40)连接；

测量机与姿态测控机通过竖轴(60)、第一横轴(42)、第二横轴(76)、第三横轴(80)连接。

2.根据权利要求1所述的自主测绘机，其特征在于：三维姿态系统中，

所述仰俯姿态单元(41)包括第一离合器(43)、第一机组(44)、第一编码器(53)、第一电机(54)和第一驱动电路(55)，所述第一机组(44)包括第一同步带放大器(45)、第二蜗轮(46)、第一同步带轮(47)、第二蜗杆(48)、第二弹性机构(49)、第一蜗轮(50)、第一弹性机构(51)、第一蜗杆(52)，第一驱动电路(55)、第一电机(54)、第一蜗杆(52)依次连接，第一蜗轮(50)和第一蜗杆(52)经第一弹性机构(51)啮合，第一蜗轮(50)和第二蜗杆(48)经第二弹性机构(49)啮合，第二蜗轮(46)和第二蜗杆(48)之间经第一同步带轮(47)传动，第二蜗轮(46)和第一编码器(53)之间经第一同步带放大器(45)传动，第二蜗轮(46)连接第一离合器(43)，第一离合器(43)闭合时连接第一横轴(42)，姿态测控处理器(40)和第一离合器(43)、第一编码器(53)、第一驱动电路(55)分别连接；

所述航向姿态单元(59)包括第二离合器(61)、第二机组(62)、第二编码器(73)、第二电机(71)和第二驱动电路(72)，所述第二机组(62)包括第二同步带放大器(64)、第四蜗轮(63)、第二同步带轮(65)、第四蜗杆(66)、第四弹性机构(67)、第三蜗轮(68)、第三弹性机构(69)、第三蜗杆(70)，第二驱动电路(72)、第二电机(71)、第三蜗杆(70)依次连接，第三蜗轮(68)和第三蜗杆(70)经第三弹性机构(69)啮合，第三蜗轮(68)和第四蜗杆(66)经第四弹性机构(67)啮合，第四蜗轮(63)和第四蜗杆(66)之间经第二同步带轮(65)传动，第四蜗轮(63)和第二编码器(73)之间经第二同步带放大器(64)传动，第四蜗轮(63)连接第二离合器(61)，第二离合器(61)闭合时连接竖轴(60)，姿态测控处理器(40)和第二离合器(61)、第二编码器(73)、第二驱动电路(72)分别连接。

3.根据权利要求2所述的自主测绘机，其特征在于：所述竖轴(60)的中心轴线l₁与基准第一横轴(42)的中心轴线l₂、第二横轴(76)的中心轴线l₃、第三横轴(80)的中心轴线l₄的几何关系为，中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄平行，中心轴线l₁和中心轴线l₂构成的平面内，中心轴线l₁垂直于中心轴线l₂、中心轴线l₃和中心轴线l₄；

姿态测控机通过竖轴(60)与测量机连接，由精密测距单元(24)和远程测距单元(25)构成的组件通过第一横轴(42)与姿态测控机连接，姿态测控机设有音叉，由红外激光光源(1)和多光成像单元(9)构成的组件通过第三横轴(80)与姿态测控机的音叉连接；高频测距单元(26)通过第二横轴(76)与姿态测控机的音叉连接，

使用高频测距单元(26)对点状目标测量距离时，第三横轴(80)与高频测距单元(26)之间采用同步连杆联动，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第七编码器(81)、第三离合器(82)、第二蜗轮蜗杆组(83)、第二电机与驱动电路(21)，中央处理器(28)、第二电机与驱动电路(21)、第二蜗轮蜗杆组(83)和第三离合器(82)依次连接，第三离合器(82)闭合时连接第三横轴(80)，第三横轴(80)、第七编码器(81)、中央处理器(28)依次连接；

使用高频测距单元(26)对三维面状目标进行扫描式测距时，同步连杆刹车，第三横轴(80)与高频测距单元(26)脱离联动，高频测距单元(26)在偏心轮单元(27)的带动下独立在第二横轴(76)上高频摆动，在姿态测控机中设置相应的仰俯运动控制单元，包括第六编码器(78)、第一蜗轮蜗杆组(77)、第一电机与驱动电路(79)，中央处理器(28)、第一电机与驱动电路(79)、第一蜗轮蜗杆组(77)依次连接，第二横轴(76)、第六编码器(78)、中央处理器(28)依次连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的自主测绘机，其特征在于：所述测量机中，

红外激光光源(1)包括红外激光镜头(2)、红外激光调焦镜(3)、红外激光发生器(4)、泵浦电源(5)、第三电机(7)、第三驱动电路(8)和第三编码器(6)，红外激光镜头(2)、红外激光调焦镜(3)、红外激光发生器(4)、泵浦电源(5)依次连接，第三电机(7)与红外激光调焦镜(3)、第三驱动电路(8)、第三编码器(6)分别连接，中央处理器(28)和泵浦电源(5)、第五驱动电路(11)、第三编码器(6)分别连接；

多光成像单元(9)包括第五编码器(10)、第五驱动电路(11)、第六蜗轮(12)、第六蜗杆(13)、第四电机(14)、物镜(15)、变焦镜组(22)、调焦镜(16)、成像镜组(17)、双滤光片结构CCD模块(18)、第五蜗轮(23)、第五蜗杆(31)、第四编码器(34)、第五电机(32)和第四驱动电路(33)，物镜(15)、变焦镜组(22)、调焦镜(16)、成像镜组(17)、双滤光片结构CCD模块(18)依次连接，第五驱动电路(11)、第四电机(14)、第六蜗杆(13)、第五编码器(10)依次连接，第六蜗杆(13)与第六蜗轮(12)啮合，第六蜗轮(12)连接调焦镜(16)，第四驱动电路(33)、第五电机(32)、第五蜗杆(31)、第四编码器(34)依次连接，第五蜗杆(31)与第五蜗轮(23)啮合，第五蜗轮(23)连接变焦镜组(22)，中央处理器(28)和第五驱动电路(11)、第五编码器(10)、第四编码器(34)、第四驱动电路(33)、双滤光片结构CCD模块(18)分别连接。