Leica型测量机器人自动观测技术研究

【摘 要】利用Leica型测量机器人的GeoCom接口，二次开发可实现自动化观测，为重复、高频次的变形观测提供解决方案。辅以GPRS模块，实现远程对数据采集。通过对采集数据进行测量平差和差分，数据结果稳定可靠，在很大程度上提高了传统测量工作的效率，在生产实践工作中有十分重要的意义。

【关键词】变形观测；GeoCom；自动化观测

0 概述

随着电子技术和计算机技术的发展，全站仪的自动目标识别（Automatic Target Recognition）技术应运而生。全站仪发送的红外光被反射棱镜返回，经仪器内置的CCD相机接受并判断后，马达驱动全站仪自动转向棱镜，自动精确确定棱镜中心的位置，代替大量人工照准目标枯燥、繁琐的调焦和精确照准工作。

瑞士徕卡公司生产的TPS系列测量机器人提供了GeoCOM接口技术，可以对测量机器人进行二次开发，实现用户对测量程序的定制。

GeoCOM接口是一个函数包，其封装了用户与徕卡全站仪进行通讯交互时调用仪器上的子系统所需的客户端调用接口：例如控制全站仪进行动作，计算地理数据等。这些接口类似于全站仪内部的机载程序，用户通过全站仪COM口向全站仪发送一系列可识别的ASC码指令，全站仪响应后，再把执行结果通过COM口发还给用户。

1 技术流程

本系统使用的是TS30全自动全站仪，该仪器测角精度为0.5″，测距精度为lmm±1ppm*D（D为所测距离），转速为180°/秒，正倒镜的转换只需2.9秒，非常有利于进行自动化观测。本系统利用C#，开发机载观测程序，测量思路如下：

（1）工程配置：设定工程的2C差、2C互差、归零差、测回互差、测距误差等限差；

（2）测站配置：输入测站名、 仪器高以及测站的三维坐标；

（3）学习点配置：输入观测点名称、 棱镜高， 确认后测量，得到学习点的三维坐标；

（4）重复步骤3，完成所有学习点的测量；

（5）设定测回数，开始测量，仪器按照全圆观测法，对所有待测点进行指定测回数的测量， 测量完成后自动保存数据；

（6）若发生观测误差超限的情况， 仪器自动重测；（重测规则：①对上半测回归零差超限以及其它原因未测完的测回，都可以立即重测。②若零方向的2C互差超限或下半测回的归零差超限，则应重测整个测回。C.某一测回距离互差超限，应重测该整个测回。）

（7）对测量结果进行平差处理，导入数据库中；

（8）导出数据结果，保存为Excel2003格式。

2 通讯方案

变形监测任务中往往会遇到操作人员无法直接碰触仪器的场景，同时任务又要求数据能够实时的更新与获取。全站仪自身提供的Rs232电缆线可用距离非常短（1.5m），无法将观测数据及时、有效的送达到远程的操作人员。当有新的测量任务或测量目标更改时，远程操作人员无法将指令及时下达至全站仪。本文采用的技术路线：

（1）全站仪通过RS232电缆与蓝牙适配器连接；

（2）蓝牙适配器与前端工业级PDA通过蓝牙连接；

（3）工业级PDA采用GPRA与监控计算机连接。

以上连接均能实现数据、指令的双向通讯，通讯路线如下图：

图1 测量机器人开发通讯解决方案

为保证观测系统可靠性，测量指令采用配置文件的形式保存在前端工业PDA内，PDA测量模块有微电脑功能和GPRS通讯功能。测量模块与全站仪连接，按预定时间点驱动全站仪观测，并实现与远程控制端的通讯。远程控制端也可把修改的配置信息发往测量模块，或指挥测量模块即时开始测量。

3 工程案例及数据处理

3.1 项目介绍

本系统成功应用于某大型基坑监测工程。为仪器通视要求，现场测量机器人架设在6米高的仪器台上，监测现场如图2。

图2 测量机器人自动化观测现场

为评价仪器台的稳定性，在周边的稳定区域设置6个基准点，历次观测前采用后方交会方法实时纠正仪器台的坐标，然后实施对监测点的观测。

根据平差理论，以全站仪的方向，角度，边长为观测值的平面网观测数据，可以用间接平差的函数模型来进行求解，如图3所示：

图3 观测示意图

图中，j为全站仪测站，h、k为已知控制点，则方向jk的角度观测值的误差方程在k为已知点时就可以写为[8]：

？啄？琢■=■■■-■■■

另外，当k为已知点时，jk的测边误差方程可以写为[8]：

v■=■■■-■■■

根据测得的数据建立误差方程，在程序中可写为：

角度方程：

AXi（I，0）=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi（I，1）=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi（I，0）=Azf-CtrPnts（I）.Hz

边长方程：

AXi（I，0）=Dxb/Dstb

AXi（I，1）=Dyb/Dstb

ALi（I，0）=Dstb-BianChang（I）

利用程序对方程进行迭代计算，最终求得测站坐标的改正值（x，y），图4、图5所示。

图4 测站点x坐标变化曲线

图5 测站点y坐标变化曲线

上图选取的是一天之内测站点坐标x，y曲线，由于仪器台是一根6米高的铁柱，如图6所示，热胀冷缩比较严重，图中可以看出，在晴天，测站的坐标跟日照的关系有着很大的相关性：夜间无日照，测站坐标平滑稳定；白天日出，测站坐标开始偏移，并在午间日照最大时达到顶峰，随后逐渐回落，夜间又开始平稳。说明了获取数据后平差处理的必要性。

3.2 数据差分

在利用测量机器人进行观测时，测量过程受到了很多误差因素的干扰，例如大气垂直折光、水平折光、气温、气压变化、仪器内部误差等等，采用差分的方法可以消除或减弱这些误差的影响，以提高测量的精度。而差分技术要求一周期的测量时间不能太长，测量机器人进行自动监测就能够满足这一要求。所以本程序中对监测数据采用差分的方法进行处理。

（1）距离差分

因为测站点和参考点位于非变形区域，可以认为它们之间的距离是不变的[7]，设监测站至某参考点的己知的斜距为dj， 在监测过程中，某一时刻该方向距离的实测值为dj′，两者之间的差异可以认为是由于气象条件变化引起的，则气象改正的比例系数为：

Δd=（dj- dj′）/dj′

为保证气象改正比例系数的可靠性，程序中取所有参考点测定的气象改正系数的平均数△d，来用于对监测点的距离测量数据D进行改正。

（2）角度差分

长期的无人看守自动监测过程中，仪器不可避免的产生水平度盘零方向的变化，对方位角的影响是不可忽略的[6]。在变形监测中，所求变形量均是相对于第一期而言的，所以可把参考点第一次测量的方位角Hzj作为基准方位角，利用参考点观测值和平差后的测站坐标可以计算本次测量的方位角Hzj′与基准方位角相比，有一个差异ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同样，取所有参考点的角度差分平均值ΔHz，对所有监测点的Hz进行改正。图6、7显示了差分后的计算对比，结果是显而易见的。

图6 未差分的计算结果

图7 差分后的计算结果

4 结论

本文利用GeoCOM控制全站仪进行变形观测数据采集，大幅度的提高测量效率，实现24小时的不间断观测，真正意义上实现了无人值守，节省了大量人力，采集的数据结果经过平差和差分后也有较好的可靠性，用户能清晰地看到仪器与电脑通讯过程 ，并及时处理通讯及远程调用时出现的各种情况。并且通过装备蓝牙或者GPRS工业模块，能够实现一台电脑操作几台全站仪，在工程测量当中有着较好的开发前景。

[责任编辑：谢庆云]

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