測量機器人單點測量精度試驗研究

黃 建 學(xué)

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

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測量機器人單點測量精度試驗研究

黃 建 學(xué)

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

以TCA2003為例，從測量原理和現(xiàn)場試驗兩個方面分析了反射器、距離等因素對點位變化特征的影響，提出了提高精度的方法，分析測量結(jié)果表明：當(dāng)平距達(dá)到400 m時，理論結(jié)果和試驗結(jié)論的精度都可控制在2.5 mm以內(nèi)，達(dá)到了測量精度要求。

TCA2003，單點測量，精度

與國外比較,對大型工程建筑物變形監(jiān)測手段仍顯落后,自動化、實時采集監(jiān)測信息尚未普及。因此，研究運用先進(jìn)儀器設(shè)備進(jìn)行大型構(gòu)筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的高精度、智能化和自動化，對解決測量實踐過程中出現(xiàn)的一些技術(shù)問題具有現(xiàn)實意義[1,2]。文章將高精度的測量設(shè)備TCA2003引用到大型建筑物上進(jìn)行點位的變形監(jiān)測，供同行借鑒參考。

TCA2003是一種能提高測量精度的測量機器人，該測量機器人帶有馬達(dá)驅(qū)動，因此在生產(chǎn)實踐中能加快測量速度，減輕測量強度。TCA2003把由程序操控的TPS系統(tǒng)和CCD技術(shù)有機地結(jié)合起來，通過通訊和激光實現(xiàn)了測量的全自動化，是一個集測距、照準(zhǔn)、目標(biāo)分別識別跟蹤、測角、記錄等多種功能于一身的綜合平臺[3]。對TCA2003來說，只要測量對象滿足工作條件，黑夜和白天都能工作。文章所用的測量機器人由萊卡公司生產(chǎn)，該儀器測距精度1 mm±1 ppm，測角精度0.5″[4]。

1 TCA2003測量點位精度分析

為達(dá)到測量功能的目的，組成TCA2003系統(tǒng)的元素主要包含了測量主機一臺、目標(biāo)點反射器若干、內(nèi)置計算機和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理分析軟件[5,6]。TCA2003使用極坐標(biāo)原理進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，并實現(xiàn)了測量功能。在生產(chǎn)實踐中，需要把主體機器安置在以測站點O作為原點，鉛垂方向指向Z軸方向，水平面處于X軸、Y軸組成的平面的右手系空間直角坐標(biāo)系下(見圖1)。然后，再根據(jù)極坐標(biāo)定位原理獲得目標(biāo)待測點P的X，Y，Z三個空間坐標(biāo)分量。

(1)

其中，s為斜距，m；β，α分別為垂直角、水平角，(°)；R為地球曲率半徑值，km；k為大氣折光系數(shù)；Z中的第二項為球氣差的影響值，而當(dāng)距離較短，此項可以選擇忽略不計。

對式(1)通過誤差傳播定律進(jìn)行處理，得到：

(2)

其中，ms為測距誤差，mm；mβ和mα均為測角誤差，s；ρ為角度化弧度的常數(shù)值，取206 265；mk為大氣折光誤差參數(shù)，mm[7]。以TCA2003為例，測距精度1 mm±1 ppm，測角精度0.5″。此時對球氣差改正數(shù)影響可以忽略，并且在變形監(jiān)測中，主要關(guān)注高差值的變化，并且不加入目標(biāo)高、儀器高等量取誤差值，此時將不同的距離、垂直角代入到式(2)中，可以得到測量的高程中誤差。

2 不同棱鏡、平距下TCA2003測量點位精度分析評定

2.1 不同種類反射棱鏡條件下測量結(jié)果的分析

選用圓棱鏡和360°棱鏡，并對兩種反射器均可識別到的天氣情況和距離范圍下的測量精度進(jìn)行對比分析試驗。相比于圓棱鏡，360°棱鏡具有能從不同角度進(jìn)行測量觀測的優(yōu)勢，而且棱鏡的空間點位測量精度與垂直方向、水平方向測量精度不存在依賴關(guān)系。

實驗過程如下：

將TCA2003架設(shè)在試驗A處，將兩種棱鏡(圓棱鏡即為M1，360°棱鏡即為M2)架設(shè)在試驗B，C處。使用TCA2003的自動目標(biāo)識別功能，采集到了21個測回的觀測數(shù)據(jù)，使用測量辦公室軟件將測量數(shù)據(jù)從TCA2003傳導(dǎo)到計算機中[8]，用Excel處理、分析。

得到分析、處理結(jié)果如下：

M1，M2平距值是236.742 m和257.583 m，兩棱鏡不同測回的所有觀測結(jié)果的點位中誤差為2.44 mm和1.72 mm；而采用每個測回觀測值求均值后再求中誤差結(jié)果是0.63 mm和0.44 mm。得到的結(jié)論是圓棱鏡的精度略高一些，但360°棱鏡可以接受不同方向的觀測而不會對觀測結(jié)果產(chǎn)生影響，360°棱鏡的使用會在變形監(jiān)測中得到更廣泛的推廣使用。

2.2 不同平距條件下TCA2003高程測量誤差的分析

平距不同的條件下研究高程誤差，其中最大的影響因素為垂直角，其次的影響因素是球氣差，而距離的測量值影響更次之。試驗方案如下：反射器選用360°棱鏡，使用TCA2003自動目標(biāo)識別功能，每10 min采樣一次數(shù)據(jù)。不同平距下，在某地周邊的山上選取7個點進(jìn)行觀測。結(jié)果處理如表1所示。

表1 不同平距的試驗高差均方根表

圖2為不同平距條件下,垂直角為45°時 高差中誤差值。試驗和理論的中誤差結(jié)果都是隨平距的增大而增大。

對比得出：

1)試驗結(jié)果的精度值都小于理論值，表明這臺測量機器人的精度達(dá)到標(biāo)定要求。

2)當(dāng)平距增加，試驗中誤差向理論值靠近，而實際使用該臺TCA2003做變形監(jiān)測測量時，除要關(guān)注理論精度值外，還需顧及各個不同機器人的實際使用狀況，即在使用之前，必須進(jìn)行精度評定[5]。

3 結(jié)語

1)當(dāng)通過TCA2003對400 m平距的高程進(jìn)行測量時，理論、試驗結(jié)果的精度都在2.5 mm內(nèi)，即滿足測量對精度的使用要求。同時，在實際工程的變形監(jiān)測過程中，可以通過對多次測量值取平均、差分等等方法來處理獲得的測量數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高測量的精度。

2)由于360°棱鏡和圓棱鏡特性不同，因此，當(dāng)距離較遠(yuǎn)達(dá)到500 m時，應(yīng)使用圓棱鏡附加覘牌進(jìn)行觀察，而360°棱鏡已不能被測量機器人自動監(jiān)測到。但考慮到360°棱鏡具有從任何角度進(jìn)行監(jiān)測的優(yōu)勢，因此，可以將兩種棱鏡同時按測距條件不同進(jìn)行配套使用。

3)為了提高測量的精度，需選用精度更高的氣象觀察設(shè)備，增加采樣頻率，具體可以在一天之內(nèi)的不同時間段進(jìn)行測量并求取平均值。同時，要避開如早上、傍晚溫差較大的時間段。

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Study of robot single point measurement accuracy

Huang Jianxue

(EastChinaMineralExplorationandDevelopmentBureauforNon-FerrousMetalsinJiangsu,Nanjing210007,China)

This paper takes TCA2003(survey robot) for example. We start from the polar coordinate measuring principle and field measurement analysis of both reflectors, distance and other factors on the impact of points position, and put forward some methods to improve accuracy. The result shows that the horizontal distance reaches 400 m, both the theoretical analysis and experimental results accuracy can be controlled within 2.5 mm, which meets the accuracy requirement.

TCA2003, single point measurement, accuracy

2015-04-25

黃建學(xué)(1974- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)19-0198-02

TU198

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