精密摄影测量机器人的制作方法
【专利摘要】一种精密摄影测量机器人，包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，遥感遥测系统包括精密测距单元(1)、红外激光光源(2)、成像单元(3)、图像处理单元(4)和光敏电阻(17)；三维姿态系统包括仰俯姿态单元(5)、水平姿态单元(6)、航向姿态单元(7)、横轴(8)和竖轴(9)，中央控制与定位通信系统包括中央处理器(10)、人机交互单元(11)、存储单元(12)、全球定位单元(13)、通信单元(14)、图像识别单元(15)和电源单元(16)。本实用新型具有单人便携、高精度、高效率、高可靠性、高性价比、低成本的特征。
【专利说明】精密摄影测量机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型属于测量【技术领域】，特别是涉及一种精密摄影测量机器人。
【背景技术】
[0002]目前市场上有2类相关产品: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。
[0003]1、常规测绘仪器:
[0004]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问题是:
[0005](I)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。
[0006](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。
[0007](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。
[0008](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。
[0009]2、“精密测量机器人”(全站仪+伺服系统，无摄影功能):
[0010]“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，据此扩展出一个可用于形变监测的功能。
[0011]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。
[0012]精密测量机器人无摄影测量功能且存在与全站仪类似的问题。实用新型内容
[0013]本实用新型的目的在于提供一种全新产品，实现高性价比、低成本的精密摄影测量机器人。
[0014]本实用新型提供的精密摄影测量机器人包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统，
[0015]遥感遥测系统包括精密测距单元1、红外激光光源2、成像单元3、图像处理单元4和光敏电阻17 ；
[0016]三维姿态系统包括仰俯姿态单元5、水平姿态单元6、航向姿态单元7、横轴8和竖轴9 ;横轴8的中轴线与竖轴9的中轴线相互正交且交于空间点O ;
[0017]中央控制与定位通信系统包括中央处理器10、人机交互单元11、存储单元12、全球定位单元13、通信单元14、图像识别单元15和电源单元16，中央处理器10与精密测距单元1、红外激光光源2、成像单元3、图像处理单元4、仰俯姿态单元5、水平姿态单元6、航向姿态单元7、人机交互单元11、存储单元12、全球定位单元13、通信单元14、图像识别单元15、电源单元16、光敏电阻17分别连接，成像单元3连接图像处理单元4。
[0018]而且，所述三维姿态系统中，
[0019]所述仰俯姿态单元5包括第一离合器5.1、第一同步带放大器5.2、第一编码器5.3、第一蜗轮5.4、第一同步带轮5.5、第一蜗杆5.6、第一弹性机构5.7、第二蜗轮5.8、第二弹性机构5.9、第二蜗杆5.10和第一电机与驱动5.11，第一电机与驱动5.11连接第二蜗杆
5.10，第二蜗轮5.8和第二蜗杆5.10经第二弹性机构5.9啮合，第二蜗轮5.8和第一蜗杆
5.6经第一弹性机构5.7啮合，第一蜗轮5.4和第一蜗杆5.6之间经第一同步带轮5.5传动，第一蜗轮5.4和第一编码器5.3之间经第一同步带放大器5.2传动，第一蜗轮5.4连接第一离合器5.1,第一离合器5.1闭合时连接横轴8,中央处理器10和第一离合器5.1、第一同步带放大器5.2、第一编码器5.3、第一电机与驱动5.11分别连接；
[0020]所述航向姿态单元7包括第二离合器7.1、第二同步带放大器7.2、第二编码器7.3、第三蜗轮7.4、第二同步带轮7.5、第三蜗杆7.6、第三弹性机构7.7、第四蜗轮7.8、第四弹性机构7.9、第四蜗杆7.10、第二电机与驱动7.11，第二电机与驱动7.11连接第四蜗杆
7.10，第四蜗轮7.8和第四蜗杆7.10经第四弹性机构7.9啮合，第四蜗轮7.8和第三蜗杆
7.6经第三弹性机构7.7啮合，第三蜗轮7.4和第三蜗杆7.6之间经第二同步带轮7.5传动，第三蜗轮7.4和第二编码器7.3之间经第二同步带放大器7.2传动，第三蜗轮7.4连接第二离合器7.1，第二离合器7.1闭合时连接竖轴9，中央处理器10和第二离合器7.1、第二同步带放大器7.2、第二编码器7.3、第二电机与驱动7.11分别连接。
[0021]而且，所述红外激光光源2包括红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4、第一电机2.5、第一驱动电路2.6和第三编码器2.7，红外激光镜头2.1、红外激光调焦镜2.2、红外激光发生器2.3、泵浦电源2.4依次连接，第一电机2.5与红外激光调焦镜2.2、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接，中央处理器10和泵浦电源2.4、第一驱动电路2.6、第三编码器2.7分别连接；
[0022]所述成像单元3包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第五蜗轮3.3、第五蜗杆3.4、第四编码器3.5、物镜3.6、变焦镜组3.7、调焦镜3.8、成像镜组3.9、双滤光片结构CXD模块3.10、第六蜗轮3.11、第六蜗杆3.12、第五编码器3.13、第三电机3.14和第三驱动电路3.15，物镜3.6、变焦镜组3.7、调焦镜3.8、成像镜组3.9、双滤光片结构CXD模块3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第五蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第五蜗杆3.4与第五蜗轮3.3啮合，第五蜗轮3.3连接调焦镜3.8，第三驱动电路3.15、第三电机
3.14、第六蜗杆3.12、第五编码器3.13依次连接,第六蜗杆3.12与第六蜗轮3.11啮合,第六蜗轮3.11连接变焦镜组3.7，中央处理器10和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第五编码器3.13、第三驱动电路3.15、双滤光片结构CXD模块3.10分别连接。
[0023]本实用新型提供的摄影测量机器人具有单人便携、高性价比、低成本等特征，可在工程测量、大地测量、摄影测量、形变监测、裂隙监测等各种测量工作中广泛使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型实施例的结构示意图；
[0025]图2是本实用新型实施例的通信原理图；
[0026]图3是本实用新型实施例的电路原理框图；
[0027]图4是本实用新型实施例的装配示意图；
[0028]图5是本实用新型实施例的轴系示意图。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]以下结合附图和实施例详细说明本实用新型技术方案。
[0031]参见图1，精密摄影测量机器人由遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统构成。其中:
[0032]遥感遥测系统由精密测距单元1、红外激光光源2、成像单元3、图像处理单元4、光敏电阻17组成；精密测距单元I的光轴、红外激光光源2的光轴、成像单元3的光轴可标定在同一轴线L上,称为三光同轴。
[0033]三维姿态系统由仰俯姿态单元5、水平姿态单元6、航向姿态单元7、横轴8、竖轴9组成；横轴8的中轴线与竖轴9的中轴线相互正交且交于空间点0，横轴8的中轴线与竖轴9的中轴线构成的平面一般垂直于精密摄影测量机器人的底座平面；轴线L过空间点O与横轴8的中轴线正交。
[0034]中央控制与定位通信系统由中央处理器10、人机交互单元11、存储单元12、全球定位单元13、通信单元14、图像识别单元15和电源单元16组成。
[0035]参见图3，中央处理器10与精密测距单元1、红外激光光源2、成像单元3、图像处理单元4、仰俯姿态单元5、水平姿态单元6、航向姿态单元7、人机交互单元11、存储单元
12、全球定位单元13、通信单元14、图像识别单元15、电源单元16、光敏电阻17分别连接。
[0036]为便于实施参考起见，实施例进一步提出:
[0037]所述精密测距单元I可采用测距精度为mm级的便携式激光测距装置。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米一4000米；测距精度2-3mm+2ppm。[0038]所述搜索成像单元3可包括第二电机3.1、第二驱动电路3.2、第五蜗轮3.3、第五蜗杆3.4、第四编码器3.5、物镜3.6、变焦镜组3.7、调焦镜3.8、成像镜组3.9、双滤光片结构CXD模块3.10、第六蜗轮3.11、第六蜗杆3.12、第五编码器3.13、第三电机3.14和第三驱动电路3.15，物镜3.6、变焦镜组3.7、调焦镜3.8、成像镜组3.9、双滤光片结构CXD模块
3.10依次连接，第二驱动电路3.2、第二电机3.1、第五蜗杆3.4、第四编码器3.5依次连接，第五蜗杆3.4与第五蜗轮3.3啮合，第五蜗轮3.3连接调焦镜3.8，第三驱动电路3.15、第三电机3.14、第六蜗杆3.12、第五编码器3.13依次连接，第六蜗杆3.12与第六蜗轮3.11啮合，第六蜗轮3.11连接变焦镜组3.7，中央处理器10和第二驱动电路3.2、第四编码器3.5、第五编码器3.13、第三驱动电路3.15、双滤光片结构CXD模块3.10分别连接。
[0039]所述图像处理单元4与成像单元3、中央处理器10分别连接，用于判断成像所得图像是否清晰，可采用一个DSP，运行现有图像清晰判断算法。
[0040]全球定位单元13的模块和天线是北斗、GPS、GL0NASS、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14支持3G、4G、自组网通信，可包括3G/4G模块14.1和电台模块14.2，中央处理器10和3G/4G模块14.1、电台模块14.2分别连接。人机交互单元11 一般包括键盘、触摸屏、鼠标，电源单元16 —般包括锂电池和充电电路。
[0041]图像识别单元15可采用一个DSP，运行现有识别算法。
[0042]本实用新型实施例的精密摄影测量机器人的通信原理如图2所示，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，包含美国的GPS、中国的北斗、欧盟的伽利略、俄罗斯的GL0NASS等可用资源。例如，GPS用于全球定位的卫星群含有26颗卫星(2颗备份，24颗运行)，分6条轨道等。这26颗卫星就构成了 GPS天网。同理表述北斗天网、伽利略天网和GL0NASS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:包括本实用新型所提供精密摄影测量机器人，标有“自组网”字样的位于中间的闪电形符号表示机器人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机器人的地面遥感功能；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B/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。
[0043]仰俯姿态单兀5由第一离合器5.1、第一同步带放大器5.2、第一编码器5.3、第一蜗轮5.4、第一同步带轮5.5、第一蜗杆5.6、第一弹性机构5.7、第二蜗轮5.8、第二弹性机构5.9、第二蜗杆5.10、第一电机与驱动5.11构成。第一电机与驱动5.11连接第二蜗杆5.10,第二蜗轮5.8和第二蜗杆5.10经第二弹性机构5.9啮合，第二蜗轮5.8和第一蜗杆5.6经第一弹性机构5.7啮合，第一蜗轮5.4和第一蜗杆5.6之间经第一同步带轮5.5传动，第一蜗轮5.4和第一编码器5.3之间经第一同步带放大器5.2传动，第一蜗轮5.4连接第一离合器5.1,第一离合器5.1闭合时连接横轴8,中央处理器10和第一离合器5.1、第一同步带放大器5.2、第一编码器5.3、第一电机与驱动5.11分别连接。使用可微调的第一弹性机构5.7使第二蜗轮5.8和第一蜗杆5.6在运行中始终全面啮合，令第二蜗轮5.8和第一蜗杆5.6构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；使用可微调的第二弹性机构5.9使第二蜗轮5.8和第二蜗杆5.10在运行中始终全面啮合，令第二蜗轮5.8和第二蜗杆5.10构成的蜗轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。
[0044]航向姿态单元7由竖轴9、第二离合器7.1、第二同步带放大器7.2、第二编码器7.3、第三蜗轮7.4、第二同步带轮7.5、第三蜗杆7.6、第三弹性机构7.7、第四蜗轮7.8、第四弹性机构7.9、第四蜗杆7.10、第二电机与驱动7.11构成。第二电机与驱动7.11连接第四蜗杆7.10，第四蜗轮7.8和第四蜗杆7.10经第四弹性机构7.9啮合，第四蜗轮7.8和第三蜗杆7.6经第三弹性机构7.7啮合，第三蜗轮7.4和第三蜗杆7.6之间经第二同步带轮7.5传动，第三蜗轮7.4和第二编码器7.3之间经第二同步带放大器7.2传动，第三蜗轮7.4连接第二离合器7.1，第二离合器7.1闭合时连接竖轴9，中央处理器10和第二离合器7.1、第二同步带放大器7.2、第二编码器7.3、第二电机与驱动7.11分别连接。使用可微调的第三弹性机构7.7使第四蜗轮7.8和第三蜗杆7.6在运行中始终全面啮合，令第四蜗轮7.8和第三蜗杆7.6构成的涡轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小；使用可微调的第四弹性机构7.9使第四蜗轮7.8和第四蜗杆7.10在运行中始终全面啮合，令第四蜗轮7.8和第四蜗杆7.10构成的涡轮蜗杆机构的正反向旋转间隙达到最小。
[0045]如图5所示，竖轴9的中轴线I1与横轴8的中轴线I2的几何关系。I1丄12，I1与I2交于空间点0(0，O, O)，I1与I2构成的平面II1与跟踪测量机器人底座平面π2正交。精密测距单元I的光轴、红外激光光源2的光轴、成像单元3的光轴分别垂直平面II1，交于横轴8、竖轴9、空间点0(0，O, O)，可都标定在成像单元3的光轴处。
[0046]三维姿态系统一般设有音叉，如图4所示音叉转动部分，由精密测距单元1、红外激光光源2和成像单元3、光敏电阻17构成的组件通过横轴8与姿态测控机的音叉连接，航向姿态单元7通过竖轴9与遥感遥测系统连接，竖轴9的转动产生精密摄影测量机器人的航向运动；仰俯姿态单元5经横轴8与音叉连接，横轴8的转动产生精密摄影测量机器人的航向运动。
[0047]水平姿态单元6 —般由机械整平模块6.2和电子补偿模块6.1构成，具体实现为现有技术。
[0048]精密摄影测量机器人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精密摄影测量机器人。
[0049]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。
【权利要求】
1.一种精密摄影测量机器人，其特征在于:包括遥感遥测系统、三维姿态系统和中央控制与定位通信系统， 遥感遥测系统包括精密测距单元(I)、红外激光光源(2)、成像单元(3)、图像处理单元(4)和光敏电阻(17)； 三维姿态系统包括仰俯姿态单元(5)、水平姿态单元(6)、航向姿态单元(7)、横轴(8)和竖轴(9);横轴(8)的中轴线与竖轴(9)的中轴线相互正交且交于空间点O; 中央控制与定位通信系统包括中央处理器(10)、人机交互单元(11)、存储单元(12)、全球定位单元(13)、通信单元(14)、图像识别单元(15)和电源单元(16)，中央处理器(10)与精密测距单元(I)、红外激光光源(2)、成像单元(3)、图像处理单元(4)、仰俯姿态单元(5)、水平姿态单元(6)、航向姿态单元(7)、人机交互单元(11)、存储单元(12)、全球定位单元(13)、通信单元(14)、图像识别单元(15)、电源单元(16)、光敏电阻(17)分别连接，成像单元⑶连接图像处理单元(4)。
2.根据权利要求1所述的精密摄影测量机器人，其特征在于:所述三维姿态系统中， 所述仰俯姿态单元(5)包括第一离合器(5.1)、第一同步带放大器(5.2)、第一编码器(5.3)、第一蜗轮(5.4)、第一同步带轮(5.5)、第一蜗杆(5.6)、第一弹性机构(5.7)、第二蜗轮(5.8)、第二弹性机构(5.9)、第二蜗杆(5.10)和第一电机与驱动(5.11),第一电机与驱动(5.11)连接第二蜗 杆(5.10)，第二蜗轮(5.8)和第二蜗杆(5.10)经第二弹性机构(5.9)哨合，第二蜗轮(5.8)和第一蜗杆(5.6)经第一弹性机构(5.7)哨合,第一蜗轮(5.4)和第一蜗杆(5.6)之间经第一同步带轮(5.5)传动，第一蜗轮(5.4)和第一编码器(5.3)之间经第一同步带放大器(5.2)传动,第一蜗轮(5.4)连接第一离合器(5.1),第一离合器(5.1)闭合时连接横轴(8),中央处理器(10)和第一离合器(5.1)、第一同步带放大器(5.2)、第一编码器(5.3)、第一电机与驱动(5.11)分别连接； 所述航向姿态单元(7)包括第二离合器(7.1)、第二同步带放大器(7.2)、第二编码器(7.3)、第三蜗轮(7.4)、第二同步带轮(7.5)、第三蜗杆(7.6)、第三弹性机构(7.7)、第四蜗轮(7.8)、第四弹性机构(7.9)、第四蜗杆(7.10)、第二电机与驱动(7.11)，第二电机与驱动(7.11)连接第四蜗杆(7.10)，第四蜗轮(7.8)和第四蜗杆(7.10)经第四弹性机构(7.9)啮合，第四蜗轮(7.8)和第三蜗杆(7.6)经第三弹性机构(7.7)啮合，第三蜗轮(7.4)和第三蜗杆(7.6)之间经第二同步带轮(7.5)传动，第三蜗轮(7.4)和第二编码器(7.3)之间经第二同步带放大器(7.2)传动，第三蜗轮(7.4)连接第二离合器(7.1)，第二离合器(7.1)闭合时连接竖轴(9)，中央处理器(10)和第二离合器(7.1)、第二同步带放大器(7.2)、第二编码器(7.3)、第二电机与驱动(7.11)分别连接。
3.根据权利要求2所述的精密摄影测量机器人，其特征在于:所述红外激光光源(2)包括红外激光镜头(2.1)、红外激光调焦镜(2.2)、红外激光发生器(2.3)、泵浦电源(2.4)、第一电机(2.5)、第一驱动电路(2.6)和第三编码器(2.7),红外激光镜头(2.1)、红外激光调焦镜(2.2)、红外激光发生器(2.3)、泵浦电源(2.4)依次连接，第一电机(2.5)与红外激光调焦镜(2.2)、第一驱动电路(2.6)、第三编码器(2.7)分别连接，中央处理器(10)和泵浦电源(2.4)、第一驱动电路(2.6)、第三编码器(2.7)分别连接； 所述成像单元(3)包括第二电机(3.1)、第二驱动电路(3.2)、第五蜗轮(3.3)、第五蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)、物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、调焦镜(3.8)、成像镜组(3.9)、双滤光片结构CCD模块(3.10)、第六蜗轮(3.11)、第六蜗杆(3.12)、第五编码器(3.13)、第三电机(3.14)和第三驱动电路(3.15)，物镜(3.6)、变焦镜组(3.7)、调焦镜(3.8)、成像镜组(3.9)、双滤光片结构CCD模块(3.10)依次连接，第二驱动电路(3.2)、第二电机(3.1)、第五蜗杆(3.4)、第四编码器(3.5)依次连接，第五蜗杆(3.4)与第五蜗轮(3.3)啮合，第五蜗轮(3.3)连接调焦镜(3.8)，第三驱动电路(3.15)、第三电机(3.14)、第六蜗杆(3.12)、第五编码器(3.13)依次连接,第六蜗杆(3.12)与第六蜗轮(3.11)啮合,第六蜗轮(3.11)连接变焦镜组(3.7)，中央处理器(10)和第二驱动电路(3.2)、第四编码器(3.5)、第五编码器(3.13)、第三 驱动电路(3.15)、双滤光片结构CCD模块(3.10)分别连接。
【文档编号】G01C11/00GK203772272SQ201420138713
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】许凯华 申请人:许凯华