CN111721262A - 一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法 - Google Patents

一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法。采用全站仪跟踪与航向角计算综合分析方法实现测量车辆的自动定位与行驶引导。避免采用GPS定位，减少天气与建筑物遮挡卫星的影响，降低了使用成本，可实现连续自动化的移动式测量，为工程巡测机器人应用提供了技术方法基础。由于该方法采用了分段式的全站仪定位和场地测量，高程测量精度可以达到1mm，实现了高精度的工程质量评估。

Description

一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法
技术领域
本发明属于工程测量领域，更具体涉及一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，适用于各类地表工程场地的高程观测与质量检测。
背景技术
交通基础建设中需要对施工后的工程场地，比如铁路道床、公路路基、机场地基等的高程进行精确的测量复核，以评估工程建设的质量，并为下一步的施工提供准确的修正数据。标高的测量一般采用固定抽检的方式，在路面上每隔一定距离设定一个检测断面，每个断面上有多个固定的测量点。目前普遍应用的水准仪观测方式，每一步骤都需要人工完成，效率低，大大影响检测进度，甚至会由于工作量大而导致偷工减料，严重降低评估工作的可信度。
由于GPS的高程测量精度较低，而且即使是水平精度要达到厘米级别，也需要较长时间的静态观测才能完成，因此该技术在对需要动态高效率的场地高程测量方面并不适用。为此，需要一种基于全站仪的局部高精度光学测量手段，对工程场地抽样点的实际工程进行自动化的快速观测。
将全站仪搭载在测量车辆上是一种现实可行的方案。在车辆的行驶方面，目前已经存在较为成熟的自动驾驶技术，控制测量车辆的平面行驶。但是要达到自动化且高精度的场地高程测量，还需要新的技术方法才能实现。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在缺陷，提供一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，有助于工程场地的自动化/智能化测量，提高实际工程中高程测量评估工作的效率。
本发明之目的是通过以下技术方案实现的：
一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，包括以下步骤：
步骤1、建立道路场地坐标系；
步骤2、沿行进道路依次放置各个控制点；
步骤3、沿行进路线依次规划设置各个全站仪测站位置；
步骤4、自动行驶车辆行驶到第一个全站仪测站位置，记第一个全站仪测站位置为预备测站位置TS0，手动操作自动行驶车辆上的全站仪对准附近的三个控制点，采用后方交会方法进行全站仪的自身定位定向，读取航向角作为初始航向角θ0；
步骤5、选择距离全站仪最近的一个控制点，作为当前跟踪的控制点CPn，n为控制点的序号，记当前自动行驶车辆所在的全站仪测站位置为当前全站仪测站位置TSm，m为全站仪测站位置的序号，启动全站仪的跟踪观测功能，对当前跟踪的控制点CPn进行自动跟踪观测，计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，自动行驶车辆根据当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶直至到达下一个全站仪测站位置附近并停车，读取航向角记为θ3，记当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)为(xsp(m+1)，ysp(m+1)，zsp(m+1))；
步骤6、驱动全站仪旋转角度(θ3-θ0)，回到步骤4所确定的水平零位，进行置零操作；
步骤7、计算全站仪相对于三个附近的控制点的水平方位角与垂直天顶角，驱动全站仪实施后方交会进行定位定向，完成后读取航向角作为新的初始航向角θ0，更新当前跟踪的控制点CPn为最近的一个控制点，
步骤8、全站仪实施道路的在当前全站仪测站位置前后不同位置的各个横向扫描线上的各个预设扫描点的高程测量，获得当前全站仪测站位置的道路的横向各预设扫描点的坐标；
步骤9、将步骤5中所述的下一个全站仪测站位置TSm+1作为当前全站仪测站位置TSm并返回步骤5，直到完成所有道路场地预设扫描点的高程测量。
如上所述的计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)包括以下步骤：
在自动行驶车辆向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶过程中，不断读取航向角θ1、全站仪测量水平角θ2、垂直角θv和斜距SD，使用下述公式计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，
xq＝xcpn-SD*sin(θv)*cos(θ1+θ2-θ0)
yq＝ycpn-SD*sin(θv)*sin(θ1+θ2-θ0)
zq＝zcpn-SD*cos(θv)
xcpn,ycpn,zcpn为当前跟踪的控制点CPn的位置坐标。
如上所述的水平方位角和垂直天顶角通过以下公式获得：
水平方位角
Figure BDA0002578276400000031
xcpe≠xsp(m+1)
垂直天顶角
Figure BDA0002578276400000032
xcpe≠xsp(m+1)
其中，xcpe，ycpe，zcpe为三个附近的控制点中的其中一个控制点的坐标。
如上所述的场地坐标系的X轴的正轴指向正东方，Y轴的正轴指向正北方、Z轴的正轴指向垂直向上方向。
如上所述的控制点交替出现在行进道路的两侧。
本发明相对于现有技术，具有以下的优点和效果：
避免采用GPS定位，减少天气与建筑物遮挡卫星的影响，降低了使用成本，可实现连续自动化的移动式测量，为工程巡测机器人应用提供了技术方法基础。由于该方法采用了分段式的全站仪定位和场地测量，高程测量精度可以达到1mm，实现了高精度的工程质量评估。
附图说明
图1为工程场地的行进道路的控制点、全站仪测站位置和预设扫描点的空间关系示意图；
图2为全站仪自身水平位置计算示意图；
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施时，计算机采用具备USB口的便携机或台式机，作为自动行驶车辆上的主控计算机。全站仪采用高端伺服型全站仪，具备受控旋转、自动照准和跟踪测量功能，例如拓普康全站仪MS05，测角精度为0.5秒，测距精度为1mm，且可以达到10Hz的跟踪测量速度。实际测量时，全站仪测站位置TSi(i＝1,...,n)与最近控制点CPi(i＝1,...,n)距离一般不超过100米，跟踪引导误差不超过10cm；全站仪测站位置TSi(i＝1,...,n)与待测点的距离在20米以内，高程测量精度优于0.5mm。航向仪采用可测量水平方向角的装置，比如慧联的动态倾角仪HIS系列，航向角动态测量精度可达0.05°，100米横向偏移误差约为8cm，也就是说采用全站仪跟踪引导的方法行驶到的引导点位置误差不超过10cm，达到全站仪自动照准的要求。
自动行驶车辆定义为：可自动按照设定坐标目的地行走的车辆，其上固定安置了伺服型全站仪与航向角测量传感器，伺服型全站仪与航向角测量传感器的几何关系始终不变。航向仪用于测量仪器本身与北方向的夹角。
这为场地高程的高精度自动化测量，包括道路路面高程的测量，提供了可行的方案，具体的实施步骤如下：
步骤1、建立道路场地坐标系，其中，场地坐标系的X轴的正轴指向正东方，Y轴的正轴指向正北方、Z轴的正轴指向垂直向上方向。所有下面使用到的坐标数据都是在这个坐标系下的数值；
步骤2、沿行进道路依次放置各个控制点，如图1所示中的CP1、CP2和CP3，均设置为已知坐标的固定点，一般交替出现在行进道路的两侧；
步骤3、沿行进路线依次规划设置各个全站仪测站位置，如TS0、TS1、TS2...用于大致规定搭载全站仪的自动行驶车辆每一站停车的位置，便于全站仪开展高精度的高程测量工作；
步骤4、自动行驶车辆行驶到第一个全站仪测站位置，记第一个全站仪测站位置为预备测站位置TS0，预备测站位置TS0的坐标为xTS0,yTS0,zTS0，手动操作自动行驶车辆上的全站仪对准附近的三个控制点，采用后方交会方法进行全站仪的自身定位定向，定向即为并将全站仪基准方向设定为场地坐标系y方向，并读取航向角作为初始航向角θ0。
步骤5、选择距离全站仪最近的一个控制点，作为当前跟踪的控制点CPn，n为控制点的序号，n为大于等于1的自然数，例如1，2，3...，记当前自动行驶车辆所在的全站仪测站位置为当前全站仪测站位置TSm，m为全站仪测站位置的序号，m＝0,1,2,3...；启动全站仪的跟踪观测功能，对当前跟踪的控制点CPn进行自动跟踪观测。在自动行驶车辆向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶过程中，不断读取航向角θ1、全站仪测量水平角θ2、垂直角θv和斜距SD，使用下述公式计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)：
xq＝xcpn-SD*sin(θv)*cos(θ1+θ2-θ0)
yq＝ycpn-SD*sin(θv)*sin(θ1+θ2-θ0)
zq＝zcpn-SD*cos(θv)
xcpn,ycpn,zcpn为当前跟踪的控制点CPn的位置坐标，
每次读取数据计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)后，将当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)传给自动行驶车辆，自动行驶车辆根据当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶直至到达下一个全站仪测站位置附近并停车，读取航向角记为θ3。
根据当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，自动行驶车辆从当前全站仪测站位置TSm到达下一个全站仪测站位置TSm+1附近停下时，记当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)为(xsp(m+1)，ysp(m+1)，zsp(m+1))，此时(xsp(m+1)，ysp(m+1)，zsp(m+1))不会与下一个全站仪测站位置TSm+1的坐标完全重合，因为全站仪测角和测距以及航向角测量会有一定的误差，车辆自动驾驶也会导致一定的偏差。
步骤6、在计算机控制下，驱动全站仪旋转角度(θ3-θ0)，回到步骤4所确定的水平零位，进行置零操作。
步骤7、根据下述公式，计算全站仪相对于三个附近的控制点的水平方位角与垂直天顶角，驱动全站仪依次转向、搜索照准三个附近的控制点的棱镜(搜索照准是高端全站仪自带标准功能)，实施后方交会进行定位定向，完成后读取航向角作为新的初始航向角θ0。更新当前跟踪的控制点CPn为最近的一个控制点。
全站仪旋转角度公式：
水平方位角
Figure BDA0002578276400000061
xcpe≠xsp(m+1)
垂直天顶角
Figure BDA0002578276400000062
xcpe≠xsp(m+1)
其中，xcpe，ycpe，zcpe为三个附近的控制点中的其中一个控制点的坐标；
步骤8、在自动行驶车辆上与全站仪连接的计算机控制下，全站仪实施道路的在当前全站仪测站位置前后不同位置的各个横向扫描线上的各个预设扫描点的高程测量，获得当前全站仪测站位置的道路的横向各预设扫描点的坐标。如图1所示，全站仪测站位置TS1附近的预设扫描点为M1_1，M1_2，M1_3，M1_4，全站仪测站位置TS2附近的预设扫描点为M2_1，M2_2，M2_3，M2_4，预设扫描点的数量和平面坐标预先设定好，全站仪到达TS1后顺序测量其高程，记录即可。
步骤9、将步骤5中所述的下一个全站仪测站位置TSm+1作为当前全站仪测站位置TSm并返回步骤5，直到完成所有道路场地预设扫描点的高程测量。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明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，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立道路场地坐标系；
步骤2、沿行进道路依次放置各个控制点；
步骤3、沿行进路线依次规划设置各个全站仪测站位置；
步骤4、自动行驶车辆行驶到第一个全站仪测站位置，记第一个全站仪测站位置为预备测站位置TS0，手动操作自动行驶车辆上的全站仪对准附近的三个控制点，采用后方交会方法进行全站仪的自身定位定向，读取航向角作为初始航向角θ0；
步骤5、选择距离全站仪最近的一个控制点，作为当前跟踪的控制点CPn，n为控制点的序号，记当前自动行驶车辆所在的全站仪测站位置为当前全站仪测站位置TSm，m为全站仪测站位置的序号，启动全站仪的跟踪观测功能，对当前跟踪的控制点CPn进行自动跟踪观测，计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，自动行驶车辆根据当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶直至到达下一个全站仪测站位置附近并停车，读取航向角记为θ3，记当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)为(xsp(m+1)，ysp(m+1)，zsp(m+1))；
步骤6、驱动全站仪旋转角度(θ3-θ0)，回到步骤4所确定的水平零位，进行置零操作；
步骤7、计算全站仪相对于三个附近的控制点的水平方位角与垂直天顶角，驱动全站仪实施后方交会进行定位定向，完成后读取航向角作为新的初始航向角θ0，更新当前跟踪的控制点CPn为最近的一个控制点，
步骤8、全站仪实施道路的在当前全站仪测站位置前后不同位置的各个横向扫描线上的各个预设扫描点的高程测量，获得当前全站仪测站位置的道路的横向各预设扫描点的坐标；
步骤9、将步骤5中所述的下一个全站仪测站位置TSm+1作为当前全站仪测站位置TSm并返回步骤5，直到完成所有道路场地预设扫描点的高程测量。
2.根据权利要求1所述的一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，其特征在于，所述的计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)包括以下步骤：
在自动行驶车辆向下一个全站仪测站位置TSm+1行驶过程中，不断读取航向角θ1、全站仪测量水平角θ2、垂直角θv和斜距SD，使用下述公式计算当前全站仪测量坐标(xq,yq,zq)，
xq＝xcpn-SD*sin(θv)*cos(θ1+θ2-θ0)
yq＝ycpn-SD*sin(θv)*sin(θ1+θ2-θ0)
zq＝zcpn-SD*cos(θv)
xcpn,ycpn,zcpn为当前跟踪的控制点CPn的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，其特征在于，所述的水平方位角和垂直天顶角通过以下公式获得：
水平方位角
Figure FDA0002578276390000021
xcpe≠xsp(m+1)
垂直天顶角
Figure FDA0002578276390000022
xcpe≠xsp(m+1)
其中，xcpe，ycpe，zcpe为三个附近的控制点中的其中一个控制点的坐标。
4.根据权利要求1所述的一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，其特征在于，所述的场地坐标系的X轴的正轴指向正东方，Y轴的正轴指向正北方、Z轴的正轴指向垂直向上方向。
5.根据权利要求1所述的一种场地高程测量中的全站仪跟踪自动引导方法，其特征在于，所述的控制点交替出现在行进道路的两侧。
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