专利名称：一种电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法
技术领域：
本发明系关于一种经纬仪确定目标物位置或姿态的测试系统及其使用方法，主要用于林业领域确定可达点与不可达点的位置，同时可用于机器人领域测定机械臂末端执行器的运动精度，以及其它应用到经纬仪的行业与领域。
背景技术：
到目前为止，还未见到经纬仪不经整平即能用于确定目标物位置或位姿的相关报道或文献。水准仪、经纬仪以及全站仪在测试前必须予以整平、对中，野外作业时，受地形及地面地质条件的影响，整平与对中繁琐耗时，且测试过程中可能由于地面松软或其它因素的影响而导致测试仪器坐标系的位姿状态发生变化，不可避免地会影响目标物位置或姿态的测试精度。在林业领域中，对于不可达点的测试，如树高的测量、火灾位置的确定等，通常采用测高器测高；经纬仪与皮尺及标尺配合采用三角高程法进行树高测量；采用全站仪无棱镜测法；经验估测法等。其缺陷在于采用测高器，必须首先知道测高器到被测物的水平距离，或贴近树干处竖一定长 (一般2或3米)的标竿等，在环境复杂的林区难于甚至根本无法实施，不利于工作效率的提尚；①借助经纬仪、皮尺及标尺配合，应用三角高程法进行测量时，由于野外环境复杂，经纬仪之间的相对位置难于精确确定，限制了该方法的使用；②采用全站仪无棱镜测法，影响其测量精度的因素有被测物的表面性质、目标与背景之间的反差小、目标附近其它物体表面、视准线附近的带色光或反射物、测量光束与反射面的角度等，尤其是在视野不开阔地段和植被茂密区域，该种方法的应用受到极大限制；③经验估测法，误差较大且无相应的校正方法。公开号为CN 101021416A专利名为“全站仪量测树高方法”的专利揭示一种量测树高的方法，该方法系采用在同一铅垂面两次安置全站仪和全站仪交汇的方法实现树高的实时测量。实施该方法的前提是要使两次安置的全站仪必须保持在同一铅垂面内，具体实施较为困难，同时需要两次整平全站仪，在复杂的野外环境无法提高工作效率。公开号为CN101776446A专利名为“一种无定向导线杆配合全站仪测定不可达点三维坐标方法”的专利揭示一种测定不可达点三维坐标的方法，该方法系在任意三个点分别安置无定向导线杆并指向不可达点，三条空间直线的交点即为不可达点，以此确定该点坐标。该方法存在的问题在于无定向导线杆很难精确对准不可达点，三杆的位姿误差会直接影响不可达点坐标值的量测精度，最终导致无法精确确定不可点的位置，同时因需重复三次确定无定向杆所确定的直线，工作效率有待提高。在机器人的末端执行器的运动精度测试或类似测量中，主要还是采用经纬仪交汇系统，全站仪极坐标系统，经纬仪交汇系统存在的问题在于多个经纬仪之间的相对位置关系通过互瞄或光束法平差来完成，而全站仪测距精度较低，影响系统的精度。现在类似的测量也采用六维激光跟踪仪，三维激光扫描系统，测量臂系统等，这几种测量系统尽管能提供非常准确的动态和静态坐标以及角度测量，但价格极为昂贵，同时很难应用到林业领域。因此，如何提高量测精度，降低设备和测量成本，更好适应复杂环境，提高量测的自动化水平，减少工作量，成为一亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种无需对经纬仪进行整平与对中即可对被测目标物的位置与姿态进行确定的量测系统及其使用方法。本发明的目标之一系提供一种辅助坐标装置，该装置的特点在于其可以形成一个三维坐标系，该坐标系因该系统的结构使然，不管将该装置置于何处，其中的两条坐标轴始终形成一个水平面，而另一坐标轴则始终处于铅垂状态。该辅助坐标系在量测过程中用作经纬仪的参考坐标系。该辅助坐标装置主要包括一个支撑框架；三根轴；两个个连接件； 五个顶尖。本发明的另一目标系提供一种利用单经纬仪确定可达目标物位置或姿态的方法。 该量测方法可分为两种模式，即经纬仪处于调平状态与处于非调平状态两种模式。本发明的另一目标系提供一种利用单经纬仪确定不可达目标物位置或姿态的方法。该量测方法适合于经纬仪处于调平状态与处于非调平状态两种模式。本发明的另一目标系提供一种利用双经纬仪确定可达与不可达目标物位置或姿态的方法。该量测方法适合于经纬仪处于调平状态与处于非调平状态两种模式。该量测系统中的经纬仪通过数据线与计算机相连，所测数据通过数据线传递给计算机，并储存于其中，相关计算都通过计算机已有算法程序实施解算，从而确定被测目标物的位置或姿态。
四
图1为一种辅助坐标装置的结构示意图；图2为经纬仪测量位姿原理图，其旨在确定经纬仪坐标系与辅助装置坐标系之间的转换关系；图3为经纬仪对准目标物与辅助装置图，为利用单经纬仪或双经纬仪确定被测目标物上点位置，从而确定目标物位置与姿态的测试示意图。
五具体实施例方式下面将参照附图详细描述本发明的实施例。进行具体说明之前，本领域相关人士应了解，本说明与权利要求书中所用到的术语不能局限于一般含义或字典含义，而应根据发明技术相对应的含义与内容进行解释。因此，该说明书中所作说明及附图中所示辅助坐标装置结构之目的仅在于描述本发明的实施例，并不局限于所示结构，可对其进行变更或等效替换而不会偏离本发明的精神与范围。图1为一种辅助坐标装置，该辅助坐标装置包括一个支撑框架1，该框架可直接放置于地面上，也可与其它装置如三角架相连；水平轴2，该旋转轴两端固定于框架1上；一个第一连接件10，该连接件10与轴2之间安装有轴承，连接件10在重力作用下可绕水平轴 2自由转动；一横轴11，其穿过连接件10)上的两个同轴孔，并与连接件10固联；一个第二连接件3，该连接件3侧面有一个供横轴11穿过的孔，其下部具有一螺孔，连接件3与横轴 11之间安装有轴承，连接件3可绕横轴11自由转动；竖直轴4，该竖直轴4的两端攻有外螺纹，该竖直轴4上部的螺纹部分与连接件3下部中的螺孔螺纹连接；一个三轴连接件12， 该三轴连接件12具有六个光滑平面，其中上下两个表面为水平面，其余四个侧面为铅垂平面，每个表面中央加工有螺孔，其上表面螺孔供竖直轴4下部的螺纹部分旋入；顶尖5-9，5 个顶尖端部攻有外螺纹，与三轴连接件12螺纹联接，该等顶尖可用于微调使三轴连接件的上、下表面始终处于水平状态，同时该等顶尖5-9的轴线相交于一点，顶尖5-8上的尖点B-E 形成一平面，顶尖9的轴线与顶尖5-8上尖点B-E所形成的平面垂直。参照图1可知，将该辅助系统的框架放置于任何位置尖点B-E所形成的平面始终为一水平面，而顶尖9的轴线则始终为一条竖直轴，同时三轴连接件的上表面始终为一水平面，如此就可利用顶尖上的尖点形成一个始终具有水平面与竖直轴的辅助坐标装置，该等尖点之间的位置关系为已知。或如图3所示，在三轴连接的上表面确定位置关系已知的三点而形成一个辅助坐标装置。(一 )第一种实施方式单经纬仪确定可达目标物位置或姿态①量测时经纬仪处于整平状态如图2所示，在目标物处放置一其上确定有三点0 ‘、A、B三点的“丄”形标尺，其中0' A丄0' B, 0' A与0' B的长度已知。将0'点与第i个被测点(目标物)重合。 如图2所示，令&与0' 1，81与0'之间的距离分别为l、m、n，且已知。在图2 中，hAi、h。i、hBi分别为Ai, o' i与Bi到经纬仪坐标系中水平面xoy的垂直距离，为未知量。 将经纬仪对准ο' ^&与^三点，θ、α表示经纬仪对准其中一点时的水平角与竖直角，则该三点在经纬仪坐标系中的坐标如下
权利要求
1.一种电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法。该系统包括电子经纬仪、辅助坐标装置及数据处理算法，其中电子经纬仪用于确定测试目标物角度，辅助坐标装置用作经纬仪的参考坐标系，所测角度信息通过数据线传递至计算机，由计算机中的数据处理算法自动进行解算。其特征在于，测试过程中电子经纬仪无需整平，辅助坐标装置所形成坐标系中的X轴和y轴始终水平而Z轴始终竖直，可实现利用单经纬仪对可达与不可达目标物的位置、位姿进行快速确定。
2.根据权利要求1所述的电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统，其特征在于利用一个独立于经纬仪的辅助坐标装置确定经纬仪坐标系在辅助坐标系中的位置与姿态关系，通过经纬仪测定目标物/目标点在经纬仪坐标系中的水平角与竖直角，从而实现对目标物的位置与姿态的确定。
3.根据权利要求2所述的利用电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统，其特征在于量测过程中可不整平经纬仪，无需量测经纬仪到目标物/目标点及辅助坐标系统装置之间的距离，无需量测位于不同测站的同一经纬仪或不同经纬仪之间的距离。
4.根据权利要求1所述的电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统，其中该辅助坐标装置的结构包括但不局限于一个支撑框架1，该框架可直接放置于地面上，也可与其它装置如三角架相连；一根水平轴2，该旋转轴两端固定于框架1上；一个第一连接件10，该连接件10与轴2之间安装有轴承，连接件10在重力作用下可绕水平轴2自由转动；一根横轴11，其穿过连接件10上的两个同轴孔，并与连接件10固联；一个第二连接件 3，该连接件3侧面有一个供横轴11穿过的孔，其下部具有一螺孔，连接件3与横轴11之间安装有轴承，连接件3可绕横轴11自由转动；一根竖直轴4，该竖直轴4的两端攻有外螺纹，该竖直轴4上部的螺纹部分与连接件3 下部中的螺孔螺纹连接；一个三轴连接件12，该三轴连接件12具有六个光滑平面，其中上下两个表面为水平面，其余四个侧面为铅垂平面，每个表面中央加工有螺孔，其上表面螺孔供竖直轴4下部的螺纹部分旋入；顶尖5-9，5个顶尖端部攻有外螺纹，与三轴连接件12螺纹联接，该等顶尖可用于微调使三轴连接件的上、下表面始终处于水平状态，同时该等顶尖5-9的轴线相交于一点，顶尖 5-8上的尖点B-E形成一平面，顶尖9的轴线与顶尖5-8上尖点B-E所形成的平面垂直，该等顶尖的作用在于可对于进行微调，使得三轴连接件12的上下表面处于水平状态。
5.根据权利要求1所述的电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法，其特征为可利用整平后的单经纬仪确定可达目标物位置或姿态，其具体量测步骤为首先，在目标物处放置一其上具有三点且三点间的相互位置关系已知的“丄”形标尺；其次，整平经纬仪，然后用经纬仪分别对准标尺上的三点，将每个点所对应的水平与竖直角度测出，并将此等角度信息用数据线传递至电脑中；最后，利用数学模型 计算出被
6.根据权利要求1所述的电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法，其特征为可利用未经整平的单经纬仪确定可达目标物位置或姿态，，其具体量测步骤为首先，将辅助坐标系统放置于方便经纬仪观察之处，用经纬仪分别对准其上的三个基准点Op Ar, Bp测得三组水平角与竖直角，将每个点所对应的水平与竖直角度信息用数据线传递至电脑中。采用与权利要求5所述的步骤与数学模型确定辅助坐标系在经纬仪坐标系中的位置与姿态矩阵//T，从而获得经纬仪坐标系在辅助坐标系中的位置和姿态矩阵 其次，按权利要求5所述相同的步骤与方法对i个被测目标物进行量测，确定被测目标物所在坐标系与经纬仪坐标系之间的位置和姿态关系 ^Γ ;最后，确定被测目标物在辅助坐标系中的位置和姿态 '/V^’，确定目标物的位置和姿态。
7.根据权利要求1所述的电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法，其特征为不管经纬仪整平与否，都可利用单经纬仪确定不可达目标物的位置或姿态，其具体量测步骤为首先，将辅助坐标系统装置放置于方便经纬仪观察之处，然后将经纬仪放置于测站A 处，将经纬仪对准辅助坐标系统装置中的三个基准点仏、4、Bp利用权利要求5中所述的数学模型得到测站A处经纬仪坐标系在辅助坐标系中的位姿矩阵^jT，由此可得到测站A处经纬仪坐标系原点Oa在辅助坐标系中的坐标(xA，yA，zA)，将经纬仪对准第i个被测点CyCi点在辅助坐标系中的位置(xei，yei，za)未知，得到角度值(ΘΜ，aAi)，得到直线OaC1在辅助坐标系中的直线方程表达式
8.根据权利要求1所述的利用电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其使用方法，其特征为不管经纬仪整平与否，都可利用双经纬仪确定可达或不可达目标物的位置或姿态，其中除将权利要求7中所述A、B两测站处的同一经纬仪改成成双经纬仪该点之外，其具体量测步骤与数学模型完全与权利要求7中所述的量测步骤与数学模型相同。
全文摘要
本发明公开一种电子经纬仪确定目标物位置与姿态的测试系统及其应用方法。该系统包括电子经纬仪、辅助坐标装置及数据处理算法，其中电子经纬仪用于确定测试目标物角度，辅助坐标装置用作经纬仪的参考坐标系，所测角度信息通过数据线传递至计算机，由计算机中的数据处理算法自动进行解算。本发明的特征在于，测试过程中电子经纬仪无需整平，辅助坐标装置所形成坐标系中的x轴和y轴始终水平而z轴始终竖直，可实现利用单经纬仪对可达与不可达目标物的位置、位姿进行快速确定。本发明可用于机器人运动精度测试，林业领域中树高、树径及树冠幅的测试，及建筑业测试。借助辅助坐标装置，经纬仪无需整平，可除去经纬仪中的整平机构，降低设备成本；数据通过计算机自动存储与解算，提高了测试精度，降低了工作劳动强度，提高了工作效率。
文档编号G01B21/00GK102538726SQ20101058130
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者程朋乐, 肖爱平, 谭月胜 申请人:北京林业大学