基于测量机器人的控制网作业和数据处理资料.docx
《基于测量机器人的控制网作业和数据处理资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于测量机器人的控制网作业和数据处理资料.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于测量机器人的控制网作业和数据处理资料
远程与继续教育学院
本科毕业论文
基于测量机器人的控制网作业和数据处理
自动化应用研究应用
函授站点：
湖南函授站
学号：
043K28121010
姓名：
孙丽武
专业：
测绘工程
指导教师：
唐保华
2014年2月22日
论文原创性声明
本人郑重声明：
本人所呈交的本科毕业论文《基于测量机器人的控制网作业和数据处理自动化应用研究应用》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。
论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。
本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。
论文作者（签字）：
日期：
2014年2月22日
摘要
20世纪下半叶是测绘科学与技术迅猛发展的时期,促进这一时期飞跃前进的主要因素之一就是测量仪器的惊人发展,，有代表性的当属测量机器人的出现和使用。
测量机器人由光电测距仪、电子经纬仪和微型计算机组合而成，不仅可以自动测距、测角、自动记录和计算，而且精度高、速度快、操作简便，既节省了人力又减轻了繁重的外业工作，因此深受广大测绘工作者的欢迎和青睐。
关键词：
测量机器人、TCA2003、控制网
一、绪论1
（一）研究测量机器人的目的和意义1
（二）研究的主要内容2
二、测量机器人概述2
（一）测量机器人的组成及测量原理2
（二）测量机器人的发展3
（三）测量机器人的应用范围3
（四）测量机器人与其它测量技术比较4
三、TCA2003简介5
（一）TCA2003性能介绍5
（二）TCA2003的精度6
（三）TCA2003中的新技术6
四、测量机器人施测控制网的作业过程7
五、测量机器人自动化测量软件说明12
六、结论16
参考文献16
一、绪论
21世纪，世界将进入以科学技术不断创新为基础的知识经济时代，科学技术将成为经济发展的最重要的资源和首要的推动力。
测绘业作为一个基础产业,它是经济的排头兵，各项经济建设都离不开测绘业的参与。
随着测绘技术的飞跃发展，测绘仪器也在不断的更新，测量仪器经过手工到机械化到自动化几个阶段的发展已成为种类繁多的测量仪器大家庭.测量的自动化程度越来越高，传统的测绘仪器已经不能满足当今的要求。
应用光学与精密机械的各种技术知识和工艺手段来研究并解决仪器设计制造中的各种问题已经成为一门学科。
最新一代的仪器不仅依靠光电技术，还应用自动化和电子计算机技术，使光、机、电三者结合，形成了仪器发展的新技术。
由于电子工业的飞速发展，半导体和集成电路的推广，出现了野外作业仪器向光电化和自动化发展的趋势。
在读数系统方面,采用了编码度盘。
而全自动测量全站仪则是近年来测量仪器研究技术的新成果,全自动测量全站仪又称测量机器人。
（一）研究测量机器人的目的和意义
测量机器人的产生是时代进步的要求，是生产力发展的要求，科学技术的飞速发展也引起测绘业的革命。
测量工程技术人员在生产作业过程中常常会遇到测量地区作业条件差，测区环境不稳定，由于不可预测的野外环境和时间的紧迫，加上重复测量人的眼睛容易疲劳，我们的测量工作常常因此受到很大的影响。
在这种情况下,测量工程技术人员很难保质保量，高质量地完成任务，为了解决面临的棘手问题一种新型的测量仪器TCA全自动全站仪诞生了.全自动全站仪又称测量机器人.它以其独有的智能化、自动化、人性化能让用户自如应付以上情况。
测量机器人诞生使得测绘业产生了质的飞跃。
这是未来发展方向。
测量机器人能对施测物体实施全天候的观测。
能实现自动照准，在ART模式下，当全站仪发送红外线光束被反射镜反回，并被全站仪内置的CCD相机判别接收后，马达就驱动全站仪自动转向棱镜，并自动精确测定，记录移动目标的轨迹，实行全自动观测。
测量人员不需要精确照准和调焦。
一旦粗略瞄准后，全站仪就可自动搜寻到目标并精确照准。
比人工照准更快，更轻松。
全站仪可利用ART功能在1000米范围内有效识别目标、自动精确地锁定目标，即使经验不足者也可达到同样的结果。
测量机器人还具有锁定跟踪的能力。
一般传统的观测手法是对某固目标进行观测，而测量机器人在LOCK模式下对目标棱镜观测一次后，全站仪自动锁定被观测的反射棱镜，即使棱镜的移动速度在一定范围内也不会中断。
如果配上RCS遥控系统仪器及360度棱镜，该仪器可实现测站无人操作。
由扶镜杆者遥控仪器，自助放样，测碎部点变得十分方便。
该功能特别适合观测动态目标。
利用跟踪测量模式能实时测得动态数据。
由于测量机器人的自动监测能够代替人的观测。
所以其应用前景十分广泛。
（二）研究的主要内容
用测量机器人TAC2003进行测量控制网的一体化自动化作业和数据处理试验，学习整个过程特别是观测自动化，外业数据采集，检测，传输和内业数据处理的流程，主要途径以及技术路线：
观测一个大地四边形网，分别用人工观测和全自动化两种模式进行比较，掌握全自动化观测的作业步骤，掌握数据采集，通讯和处理的自动化流程，完成二维网平差的全边角网，测边网，测角网成果。
对不同的测回数的精度进行分析、对全边角网和测角、测边网作精度分析、对三维网作数据处理。
重点放在数据处理自动化流程上，数据处理与成果分析上。
采用COSA系统软件进行数据处理。
编写机载和在便携机上进行的测量控制网自动化观测使用手册，建立帮助文件，提出自己的见解。
二、测量机器人概述
测量机器人（MeasurementRobol,georobol）是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。
它是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而形成的。
（一）测量机器人的组成及测量原理
测量机器人的技术组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获和集成传感器等八大部分。
坐标系统采用球面坐标系统，能在水平面360°和在竖面180°范围内寻找目标；操纵器主要是控制转动；换能器将电能转化为机械能驱动步进马达运动；计算机和控制器是用来按设计开始和终止操纵系统、存储观测数据并与其它系统接口，其控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统；闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器，以进行跟踪测量和精密定位；决定制作主要用于发现目标，如采用模拟人识别图像的方法（试探分析）或对目标局部特征分析的方法（句法分析）进行影像匹配；目标获取在于精确地照准目标，常采用开窗法、阈值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等；集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。
由影像传感器构成的视频成像系统通过影像生成、影像获取和影像处理，在计算机和控制器的操纵下实现自动跟踪和精确照准目标。
一般来讲测量人员在接受了某一项测量任务之后，首先是基于已掌握的测量基本知识，根据任务与使用的仪器，作出操作计划，然后用感觉器官对环境、目标进行识别与理解，操作仪器，按计划实施以完成测量任务。
而测量机器人则通过CCD影像传感器和其它传感器对现实测量世界中的“目标”进行识别，迅速作出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。
测量机器人再与能够制订测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的软件系统相接合，完全可以代替人完成许多测量任务，同时还具有全自动、遥测、实时、动态、精确、快速等诸多优点。
（二）测量机器人的发展
测量机器人的发展可分三个阶段：
第一阶段需在被测物体上设置标志，主要是以反射棱镜为合作目标，称为被动式三角测量或极坐标法测量；第二阶段是以结构光作为照准标志，即用结构光形成的点、线、栅格扫描被测物体，通过空间前方角度交会法来确定被测点的坐标，称为主动式三角测量，由两台带步进马达和CCD传感器的视频电子经纬仪和计算机组成；第三阶段即目前正在进行研制的测量机器人亦不需合作目标，根据物体的特征点、轮廓线和纹理，用影像处理的方法自动识别、匹配和照准目标，仍采用空间前方交会的原理获取物体的三维坐标及形状。
（三）测量机器人的应用范围
随着测量机器人进一步发展，再加上质量可靠的自动测量系统软件，这一崭新的测量手段具有着广泛的应用前景。
由计算机控制的自动测量系统无须人工操作职守，只要开机运行，即可连续不间断重复观测，测量数据也由计算机自动记录、自动计算、自动显示。
测量机器人不仅在于节省人工，在某些特殊场合（例如：
测站空间狭窄、危险等）将发挥着积极作用。
因此自动测量系统可广泛地应用地形测量、工业测量、自动引导测量、变形监测等工作中。
可对隧道、桥梁、大坝、边坡、地铁的、超高层建筑进行大范围无人值守全天候、全方位自动监测；地籍测量、数字化成图、GIS数据库等。
如果再加上一台野外电脑及成图软件，测量机器人也可用于GIS数据采集、及时注记代码，在现场绘图，修正差错等等。
（四）测量机器人与其它测量技术比较
1、测量机器人与经纬仪的比较
经纬仪是传统的地面测量仪器，它在工程测量和大地测量工作中发挥了重要的作用，广泛地用于各种测量工作。
经纬仪的发展经历了金属度盘经纬仪（第一代）、光学度盘经纬仪（第二代）、电子度盘经纬仪或测角、集成在一起的电子测速仪（第三代）。
第一代经纬仪的特征是采用金属度盘，采用游标方法读取度盘读数，仪器重且精度底，操作不方便；工作效率底。
第二代经纬仪用光学度盘取代金属度盘，增加了光学系统，通过目镜读数窗进行读数，精度相对于第一代提高了，重量也明显减轻、体积减小、高精度仪器的水平方向和垂直角的读数精度达到了1"甚至0.2"。
可以说这样的仪器精度相当高，但外界因素（如大气折光）和测量员的观测技能（如对中、照准）对方向值的影响已成为重要的误差来源，所有的操作都由测量员手工完成，其操作技能是通过长期的实践获得的，因而测量精度与观测员的技能有很大的关系；第三代仪器实现了测角、测距的数字化，测角部分采用了电子编码度盘和光栅度盘，测距部分和测角部分合为一个整体，方向和距离以数字形式显示在仪器的屏幕上，而配上电子记录手簿和相应的软件即可实现数据记录和数据处理内外业一体化，这是从全手工操作的光学仪器到数字化仪器的一次飞跃，但由于不具备视觉系统和马达伺服机构，不能自动搜索目标和自动观测，可实现测站无人观测，这就是第四代地面测量仪器，其特征是在电子速测仪的基础上进一步配备CCD摄象机、图形分析软件、精密马达、可实现从观测、记录、数据传输到数据分析的自动化，可实现无人监测空间点位的变动。
测量机器人相比传统的经纬仪其突出的优点表现在：
（1）望远镜瞄准目标不必太精确，只须大概就行，有经验的测量员甚至不用瞄准对准目标，就可测点，因为没有人工照准误差所以观测精度更高。
（2）在有雾的天气，肉眼无法看到目标，而测量机器人在EDM的红外光对云雾有一定的穿透作用，使用时启动自动目标识别功能ATR即可搜索到目标，其他类型的仪器则无法测量。
（3）夜间观测时气象条件较稳定，效果比白天好，但目标照明是件麻烦事，而测量机器人则不需要灯光照明和砧板，只要大概照准目标就可完成测量。
（4）若采用传统的测绘仪器，长时间、单调乏味的观测工作，用人工测容易疲劳，一时疏忽难免出错，而自动观测仪器配合配套的应用软件会毫无差错地工作。
2、测量机器人与GPS的比较
测量机器人是高自动化的地面测量仪器，它要求仪器与目标之间通视，采用极坐标或方向交会进行定位，可观测多个目标点，目标点可以是特殊的标志，如棱镜、微棱镜片双微棱镜片测杆、照准标志等，也可以是自然特征点，如建筑物边缘线、圆点等。
GPS是基于空间卫星的定位系统，在大范围内获取空间位置的效率高，GPS把测量从地面基准拓展到空间卫星基准，不再要求地面点之间相互通视，但是要求天线与空中卫星之间无障碍阻挡。
测量机器人在大范围的开阔地区作业时效率不如GPS，但它在城市建筑密集区进行碎步测量和工程放样时，则有明显的优势，两者都可以用于全自动变形监测，测量机器人可对无接触的大型工业构件进行高精度的外形测量。
三、TCA2003简介
1923年heintich，wild为了改变使用仪器的费时的状态，制造出第一台光学经纬仪Th1（以后称T2），以徕卡TCA2003为代表的现代全站仪内部相当复杂。
合金取代了钢，电子角度探测器取代了光学测微器。
重量减轻，尺寸减小，价格降低，功能却增加了。
（一）TCA2003性能介绍
TCA2003的机身：
侧面用光纤增强塑料制成。
检测部门曾经做过这样的实验，将用铝合金和增强塑料制成的同样的仪器外壳用同样重量的机器重锤击打，击打后的结果证明，塑料外壳较轻，且易于成型。
仪器内部采用特殊铝合金制造，以减轻仪器重量（T2用钢，坚固但很重）。
另外，铝合金的热传导性良好，可减轻仪器内部温度不均匀产生的不良影响。
现代全站仪的轴系保持了T2轴系的良好稳定性，而机械调整则做得非常严密，使其符合制造要求的标准。
仪器制造时要经受从-4F至+122F的检校，确保符合规定的规格。
仪器的防水性能与T2相同，即：
在每小时30英里的大风和每小时3英寸降雨量的情况下可持续工作15分钟。
这种设计是为大风的条件下，给测量员留出足够的时间收仪器。
仪器的工作：
使TCA自动型全站仪具有自动照准、锁定跟踪、联机控制等功能，它是用马达驱动进行自动搜索照准目标（ATR）然后就是用LOCK琐定目标，做连续自动跟踪测量。
用TCA2003测量时，无须精确照准和调焦，测量员只要按ALL键、测距、测角、记录便会自动在2至3秒钟内完成。
按SHIFT+F4，仪器会自动纵转望远镜并照准目标，再按ALL键，仪器又进入自动测量状态。
用ATR功能，仪器可自动搜索目标。
用LOCK功能，仪器可锁定目标；目标移动时，仪器可自动跟踪目标。
这些功能可使TCA2003可以实现单人测图，放样等工作。
在能见度较低，人眼不能寻找目标时，仪器仍能进行测量。
如果该仪器配上APSWin软件，则可实现无人值守自动监测。
仪器工作原理：
电动原理：
伺服马达及减速齿轮系统为TCA2003测量机器人的传动和定位机构。
它能保证仪器迅速、轻巧地以亚毫米的精度定位。
仪器上有微螺旋，可以用ATR功能或螺旋来精确照准目标。
当转动微动螺旋照准时，实际上是在转动一个编码器发动信号使马达转动。
自动辨认和照准目标原理：
TCA2003的视线，EDM和ATR同轴，操作非常方便，跟踪目标是圆棱镜或360度棱镜，测量时棱镜不需电源。
（二）TCA2003的精度
TCA2003全站仪是当今世界上测量精度最高的全站仪之一
测角精度：
以TCA2003的前身T2000与T3做比较，两种仪器都具有优良的光学性能，0.5"的测角精度，精细的结构材料和结构方法，双角度读数器以及绿色的外壳。
不同的是：
TCA2003整体度盘取代了镍、铜和玻璃度盘；4厘米直径的旋转玻璃片组成的动态测角系统将测角分辩率提高到0.1"；显示的测角结果是512独立值的平均值。
测距精度：
TCA2003的测距精度达1mm+1ppm。
这是仪器出厂前在50米基线上用激光干涉鉴定的，保持如此高的精度的奥秘在于，其晶体振荡器的精度和稳定。
振荡器年频率漂移为1ppm。
仪器在2至150米的范围内，测距精度为0.5毫米。
自动目标识别精度：
有实验表明：
有经验的测量员在良好照明和良好目标的情况下，自动照准达到的精度在0.75"—1"之间，而本仪器自动照准的精度为0.5"。
（三）TCA2003中的新技术
ATR的主要部件是定焦CCD（电荷偶合元件）视频设备作用将光能换成电能，大小如同拇指甲，共有500*500=25000象元。
TCA2003中CCD连续采样并将图象送至特别的处理电路，是仪器在一秒之内多次分析和测量棱镜中心。
采用了90度分布的编码度盘上分布着四个相距90度的读书探测器，取代了光学测微器。
它可以减少与度盘相关的误差。
四个探测器加上专门的装配方法和固体电路，使仪器一次测量可获得小于秒的测角精度。
世界上第一个激光对中点器，采用激光对点取代了光学对点器，使仪器的安置和整平更快。
测量速度提高体现在TCA2003可以每秒测量8至10次，这大大增加了TCA2003的用途。
四、测量机器人施测控制网的作业过程
本次试验采用徕卡公司TCA2003测量机器人+自动监测软件在测区进行了数据采集工作。
测站图如下：
0403
0102
图4-1测站示意图
观测方案
此次实验是观测一个大地四边形网。
分别用人工观测和全自动观测，比较两种模式。
用全自动采取边角分开测量，盘左、盘右测水平角,分别测12个测回，每次照准读数两次，盘左测边长，每条边测三测回，每次照准读数四次。
注意事项
使用前必须熟悉操作程序，测量之前必须充电；每一站架设仪器必须严格对中，整平。
架设测量机器人要求具有良好的通视条件，一般应选择在牢固稳定的不动处，特殊情况下也应选在相对稳定处，以保证仪器安全。
观测步骤
（1）在仪器主菜单（mainmenu）内查找Automeas（一般为第7项）程序项。
按回车（）键进入自动测量程序，将显示9项菜单。
（2）measjobmanagement（工作管理项）回车进入SelectJob
功能菜单项说明：
back——回到上一级菜单
NewJ——建立新的工作文件，按“F3”键进入下一个界面，输入新的工作文件名，注意必须有（.ini）后缀，按Cont“F3”键确认
Cont——选取已有工作文件，进入到该工作文件中
（3）Tolerance（限差设置）回车进入
限差设置包括两次读数差、半测回归零差、2C互差、测回差，若不需更改限差，则按Back“F1”返回上一级菜单，若更改限差，则改完后，按Save“F4”保存并返回上一级菜单。
（4）InitObservation初始观测（即学习测量），若初始观测文件中无初始值，则按此按钮Newo“F5”进入新的初始值观测界面中。
JobName——工作文件名
JargetName——目标名，此值需要手工输入
TargetID——顺序号、自动增加
此界面中应注意先按Sear“F3”精确照准坐标，再按Meas“F4”测出水平角及竖直角，再按Save“F5”保存该初始值，保存后，TargetID号自动加1，其余值清空，可再照准下一目标，重复上述步骤，直到最后一个目标。
当所有需要观测初始值的目标都测完后按Back“F1”，返回主菜单。
（5）StationSetup测站设置回车进入，
（6）BackSightDirect后视定向回车进入
按Sear精确照准坐标，按Meas精确测定水平角；按OK当HZ:
……项中有后视水平角值后按OK接受，并返回主菜单
（7）AutoMeasureHZ自动测量水平角回车进入
按Start“F4”开始自动观测，界面将显示正在观测的测回数、盘左（右）等目标水平角观测信息，测完后自动返回主菜单。
按Stop观测过程中若要退出按Stop“F1”键。
注意：
自动观测过程中将自动检查两次读数差、半测回归零差、2C互差三项限差，全部合格才进入下一测回的观测，并记录此测回的数据，否则此测回的数据不记。
（8）CheckCycleDHZ检查测回差回车进入
界面显示每测回的方向值、平均值、最大值、最小值等信息
（9）AutoMeasureDist自动距离测量回车进入
Auto“F4”按后进入自动观测状态，自动观测过程中将显示观测的信息
按Manm“F5”将只测选取的目标点距离（手动测距）
（10）DeleteJobFiles项目工作文件，
SetectJob此项中选择要删除的工作
Del“F3”将删除选择的工作文件
数据传输
外业采集的数据将存储在测量机器人自带的记忆卡里面，用数据传输线连接TCA2003的接口与计算机的接口，点击“开始”菜单栏“程序”组项，会出现程序组，单击其中程序项“LeicaSurveyOffice”中的“LeicaSurveyOffice”，进入如下图所示的系统界面，单击“数据交换管理”将初始化GEOCOM，根据缆线连接情况选择标签点击设置中的“波频率”的下拉菜单中的2400将完成通讯设置，然后传输数据。
并将传输的数据文件放入新建的文件夹。
图4-2软件界面示意图
数据输出
经过测量机器人自动化测量软件整理后（详见第六章）以98002.in2文件格式输出如下：
0.5,1,1
01,1000,1000
04,1072.213,1000
01
04,l,0
04,s,72.21276
03,l,43.28101
03,s,103.59986
02,l,88.05417
02,s,87.46376
02
01,l,0
01,s,87.46248
04,l,40.18506
04,s,111.55565
03,l,79.18589
03,s,74.06128
03
02,l,0
02,s,74.0613
01,l,56.03325
01,s,103.59974
04,l,100.1202
04,s,71.33347
04
03,l,0
03,s,71.33327
02,l,40.47586
02,s,111.5547
01,l,92.23334
01,s,72.21343
说明：
0.5是测角精度，1+1是测距精度，设01点坐标为1000，1000；
04点坐标为1072.213,1000。
02、03为未知点，L表示角度；s表示距离。
平面控制网平差成果
平差类型:
约束平差
网型:
大地四边形，测回数：
12
总点数:
4已知点数:
2
观测值总数:
10方向数:
12测边数:
6
条件总数:
0方位角条件:
0边长条件:
0
多余观测值总数:
10
先验单位权中误差:
0.500000
后验单位权中误差:
2.080000
平差后得出近似坐标
NameX（m）Y（m）
011000.0001000.000
041072.2131000.000
021002.9091087.416
031075.1901071.273
方向平差结果
FROMTOTYPEVALUE（dms）M（sec）V（sec）RESULT（dms）Ri
0104L0.0000000.502.970.0002970.33
0103L43.2810100.50-2.0743.2808030.42
0102L88.0541700.50-0.9088.0540800.32
0403L0.0000000.503.120.0003120.33
0402L40.4758600.50-0.6940.4757910.46
0401L92.2333400.50-2.4392.2330970.32
0201L0.0000000.501.370.0001370.39
0204L40.1850600.50-0.1340.1850470.51
0203L79.1858900.50-1.2579.1857650.32
0302L0.0000000.501.840.0001840.30
0301L56.0332500.500.2956.0332
升级会员 