一种自动化基线测量系统的制作方法

本发明属于信息控制技术领域，具体涉及一种自动化基线测量系统。

背景技术：

基线测量，是指精确测量地理坐标系下两点之间的绝对位置信息，在这里，绝对位置信息是指地理坐标系下某一点相对确定点的方位角、高低角、距离以及所确定点的经纬度、高程等信息的总和。精确的测量基线是实现信息精确控制以及信息融合的关键。

目前，现有技术中较为先进的基线测量的技术为：gps或bds基线测量，其原理是：利用gps或bds定位装置测量得到两点的地理坐标；计算出地心直角坐标系下，两点在地心系中的坐标；以确定点为原点建立本地直角坐标系，然后再通过选择使用球极投影法、地理坐标变换法或坐标平移法等，计算获得待测点与确定点之间的绝对位置信息。

这种方法的缺点在于：

(1)此测量方法是利用测量得到的地理坐标，通过采用坐标变换法计算获得两点位置关系信息，虽然利用高阶近似提高了精度，但引入的系统误差较大，很难满足信息融合或信息控制的精度要求。特别是当两点的距离较近(比如两点相距500m)时，其误差更难以满足精确控制的要求。

(2)基线数据的获取需经过第三方软件的解算。

(3)此种测量方案是利用测量加解算的方式获取基线信息，效率低，耗时间。

(4)此种测量方案没有信息输出接口，获取的位置信息不能作为信息源直接被第三方使用。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种自动化基线测量系统，实现自动化定位、测角和测距，提高基线测量的自动化程度和精度。

为解决上述技术问题，本发明的自动化基线测量系统采用的技术方案是包括机壳、设置在所述机壳内部的数据处理及控制模块及与所述数据处理及控制模块电连接的定位模块，所述自动化基线测量系统还包括与所述数据处理及控制模块电连接的光学测距模块、角度测量模块、测量数据显示模块和/或测量数据接口模块。

所述光学测距模块为红外测距模块，包括设置在所述机壳内的距离传感器和与所述距离传感器配合使用的角反射器，所述距离传感器包括红外发射机、红外接收机、红外光学组件、信号处理器。

所述红外光学组件包括设置在所述机壳前端的红外收发光学镜头。

所述机壳上端设置有瞄准所述角反射器的白光观瞄装置。

所述机壳下端设置有吸盘。

所述机壳上还设置有启动所述定位模块、所述红外测距模块、所述角度测量模块进行测量的工作按键。

所述工作按键是同步启动所述定位模块、所述红外测距模块、所述角度测量模块开始测量的单一按键。

所述机壳内部同时设置有测量数据显示模块和测量数据接口模块时，所述机壳上设置有与所述测量数据显示模块电连接的lcd显示屏，以及与所述测量数据接口模块电连接的对外数据接口插座。

所述定位模块为gps和北斗卫星定位模块，所述机壳上设置有与所述gps和北斗卫星定位模块电连接的gps天线和北斗天线。

所述数据处理及控制模块采用微控制器stm32f100r1，所述角度测量模块采用10轴mpu9250陀螺仪卡尔曼角度测量模块。

本发明的有益效果是：本发明提供的自动化基线测量系统，定位模块、光学测距模块、角度测量模块同时工作，定位模块将获取的经纬度等信息传输给数据处理及控制模块，光学测距模块测量待测点与基点之间的距离，并将距离数据传输给数据处理及控制模块。角度测量模块测量待测点在地理坐标下的姿态值，比如方位角和俯仰角等，并将姿态值传输给数据处理及控制模块，数据处理及控制模块分别对输入的经纬度、姿态值及距离数据等信息进行平滑滤波并输出，获得高精度的上述信息。本发明实现自动化定位、测角和测距，提高基线测量的自动化程度和精度，并且将经纬度、姿态值及距离数据进行数据融合，测量效率高、误差小。

进一步优选地，光学测距模块为红外测距模块，利用获取发射信号与接收信号之间的相位差值作为距离换算的依据，经多次检相，然后求平均值，滤波运算后得到距离数据，进一步保证了测量的距离数据精确。

进一步优选地，设置的吸盘，既可以将本发明吸附于其它伺服瞄准机构上，也可以作为独立的装置，比如置于摇动式三脚架上。

进一步优选地，本发明的启动采用一键式设计，方便对本发明的操作，进一步提高了本发明测量的效率。

进一步优选地，本发明还设置有测量数据接口模块，该测量数据接口模块能够将经纬度、姿态值及距离数据进行有效输出，供第三方使用。

附图说明

图1是本发明自动化基线测量系统的实施例的模块结构示意图；

图2是本发明自动化基线测量系统的实施例的模块之间的信号连接关系图；

图3是图1的自动化基线测量系统的实施例中的光学测距模块组成关系图；

图4是本发明自动化基线测量系统的实施例的结构示意图；

图5是本发明自动化基线测量系统的实施例中的gps/bds定位模块测量流程图；

图6是本发明自动化基线测量系统的实施例中的光学测距模块测量流程图；

图7是本发明自动化基线测量系统的实施例中的角度测量模块测量流程图；

图8是本发明自动化基线测量系统的实施例的测量示意图；

图9是本发明自动化基线测量系统的实施例中的测量数据显示模块显示示例。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面对本发明的自动化基线测量系统的实施方式进行详细的描述。

如图1～9所示，本实施例的自动化基线测量系统包括机壳9，设置在机壳9内部的数据处理及控制模块1及与数据处理及控制模块1电连接的定位模块5，定位模块5由gps和北斗卫星定位模块(北斗卫星定位模块也叫做bds定位模块)共同组成。本实施例的自动化基线测量系统还包括分别与数据处理及控制模块1电连接的光学测距模块2、角度测量模块3、测量数据显示模块4和测量数据接口模块6。

定位模块5采用gps/bds定位模块，主要用于获取地理坐标信息，包括经度、纬度和高程。光学测距模块2主要用于两点之间的距离测量。角度测量模块3主要用于自动寻北，并能自动测量出待测点的方位角、俯仰角值，即地理坐标系下的姿态值。测量数据显示模块4上用于显示经度、纬度、高程、方位角、俯仰角、距离数据等信息。测量数据接口模块6用于输出经度、纬度、方位角、俯仰角和距离数据等信息，供第三方使用。

如图2所示，上述的数据处理及控制模块1、gps/bds定位模块5、光学测距模块2、角度测量模块3、测量数据显示模块4和测量数据接口模块6之间的信号连接关系，gps/bds定位模块5将获得的经度、纬度和高程信息传输给数据处理及控制模块1，角度测量模块3将测量出的方位角、俯仰角传输给数据处理及控制模块1，光学测距模块2将测量出的距离数据传输给数据处理及控制模块1，数据处理及控制模块1将接收到的经度、纬度、高程信息、距离数据传输给测量数据显示模块4，测量数据显示模块4将这些数据进行显示，数据处理及控制模块1将接收到的经度、纬度、高程信息、距离数据传输给测量数据接口模块6，测量数据接口模块6将这些数据提供给第三方使用。

机壳9上还设置有工作按键15，该工作按键15是同步启动gps/bds定位模块5、光学测距模块2、角度测量模块3开始测量的单一按键。工作按键15的工作模式为启动、关闭和自检三种工作模式，当关机状态下长按工作按键15时，比如按住工作按键15的时间大于5s钟时，本实施例开机自检，确认gps/bds定位模块5、光学测距模块2、角度测量模块3、数据处理及控制模块1、测量数据显示模块4等正常加电工作。当点按工作按键15，本实施例的gps/bds定位模块5、光学测距模块2、角度测量模块3同时开始进行相关数据的测量工作。在开机状态下，长按工作按键15将gps/bds定位模块5、光学测距模块2、角度测量模块3关闭。

随着我国北斗二代卫星导航系统的建设，北斗定位的精度与gps精度已经非常接近。普通民用gps定位精度在20m左右。从进一步提高本实施例的可靠性和精度两个方面考虑，本实施例的定位模块5采用gps/bds双系统定位技术方案。gps/bds定位模块5的gps/bds双模接收机可采用atgm332d芯片，该芯片的高灵敏度高，gps/bds双模接收机两个频段分别为1575.42mhz和1561.098mhz，灵敏度高达-160dbm，包含32个跟踪通道，可以同时接收所有gps和bds可见卫星。支持bds、gps的单系统定位和双系统联合定位，仅gps单系统定位时定位精度为3m，仅bds单系统定位时定位精度为5m，当采用gps和bds双系统联合定位时定位精度2.5m，定位更新率1～10hz，冷启动首次定位时间＜32s，热启动定位时间＜1s。

如图5所示，gps/bds定位模块5的定位测量流程包括如下步骤：

步骤51：长按工作按键15，本实施例的自动化基线测量系统开始自检。

步骤52：点按工作按键15，启动gps/bds定位模块5。

步骤53：获得地理坐标信息，gps/bds双模接收机对地理坐标信息数据进行滤波平滑。

步骤54：对定位精度进行判断，当定位精度≤2.5m时，依次执行步骤55、步骤56；当定位精度＞2.5m时，依次执行步骤57、步骤58。

步骤55：由数据处理及控制模块1将地理坐标信息传输给测量数据显示模块4和测量数据接口模块6，由测量数据显示模块4对地理坐标信息进行显示，由测量数据接口模块6对地理坐标信息进行传输。

步骤56：开机状态下长按工作按键15，关闭gps/bds定位模块5。

步骤57：数据处理及控制模块1控制测量数据显示模块4显示定位错误信息，如“locaterr”。

步骤58：点按工作按键15，将gps/bds定位模块5进行复位重启，返回步骤53。

如图3所示，本实施例的光学测距模块2优选为红外测距模块，包括设置在机壳9内的距离传感器7和与距离传感器7配合使用的角反射器8，距离传感器7包括红外发射机71、红外接收机72、红外光学组件73、信号处理器74。

本实施例的距离传感器7采用主动式红外相位测距技术，以砷化镓发光二极管为光源，具有体积小，结构简单，功耗小，可靠性高，精度高，对人体没有伤害等优点。

本实施例进一步优选地，红外光学组件73包括设置在机壳9前端的红外收发光学镜头75。红外收发光学镜头75采用多镜组共光路设计，减小模块体积，并使发射光束更加准直、能量集中，接收光束尽可能接收光能，提高接收信号的信噪比。

红外发射机71主要由gaas发光管(波长为0.72-0.94μm)、调制驱动器、滤波电路等组成，在精测(或粗测)时，调制驱动器以1mhz(125khz)的频率以电流调制方式对gaas发光管进行调制，而产生并发射红外相位测距用的红外调制光波。

红外接收机72由光电转换电路、放大器等组成，实现光电转换、放大、输入阻抗匹配，自动增益控制等功能。

信号处理器74由测量信号通道、基准信号通道及本振、主振频率产生器、计数器、2π计数器等部分组成，用于获取发射信号与接收信号之间的相位差值，作为距离换算的依据，经多次检相，然后求平均值，滤波运算后得到距离数据。

角反射器8置于待测点，用于将红外发射机71发射的红外光束反射到红外接收机72上。角反射器8的质量直接影响测距精度和测距工作效率。优选地，角发射器8为直角棱镜，其入射光按原方向返回，即具有自准直特性。它具有反光效率高、对光方便、轻小灵便的优点。

角反射器8所在的位置为待测点，本实施例所在的位置为基点。机壳9上端设置有瞄准角反射器8的白光观瞄装置14，先利用白光观瞄装置14使红外收发光学镜头75对准放置在待测点的角发射器8的中心位置，红外发射机71发射红外调制光波，红外调制光波穿过机壳9前端的红外收发光学镜头75射入到角发射器8上，角发射器8将红外调制光波反射到红外接收机72上，信号处理器74接收红外调制光波的发射信号和反射信号，计算求得待测点与基点之间的距离数据。

如图6所示，光学测距模块2的距离测量流程包括如下步骤：

步骤61：长按工作按键15，本实施例的自动化基线测量系统开始自检。

步骤62：点按工作按键15，启动光学测距模块2。

步骤63：判断光学测距模块2在80s内距离数据是否有输出，当光学测距模块2在80s内距离数据有输出时，依次执行步骤64、步骤65；当光学测距模块2在80s内距离数据没有输出时，依次执行步骤66、步骤67。

步骤64：由数据处理及控制模块1将距离数据传输给测量数据显示模块4和测量数据接口模块6，由测量数据显示模块4对距离数据进行显示，由测量数据接口模块6对距离数据进行传输。

步骤65：开机状态下长按工作按键15，关闭光学测距模块2。

步骤66：数据处理及控制模块1控制测量数据显示模块4显示测距错误信息，如显示“rangeerr”。

步骤67：点按工作按键15，将光学测距模块2进行复位重启，返回步骤63。

本实施例进一步优选地，角度测量模块3设计采用10轴mpu9250陀螺仪卡尔曼角度测量模块。本实施例的角度测量模块3集成高精度的陀螺仪、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出角度测量模块3当前的实时运动姿态。角度测量模块3采用先进的数字滤波技术，能够有效降低测量噪声，提高测量精度。角度测量模块3内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01°，稳定度极高。数据输出速率为0.1hz～200hz；数据接口为uart串口(ttl电平，波特率支持2400～921600bps可调)；角度测量模块3内部自带电压稳定电路，工作电压3～6v，引脚电平兼容3.3v/5v的嵌入式系统，连接方便。

如图7所示，角度测量模块3的角度测量流程包括如下步骤：

步骤91：长按工作按键15，本实施例的自动化基线测量系统开始自检。

步骤92：点按工作按键15，启动角度测量模块3。

步骤93：获得角度测量模块3的姿态信息，姿态信息包括方位角、俯仰角，角度测量模块3并对姿态信息进行滤波平滑。

步骤94：对姿态信息的角度精度进行判断，当姿态信息的角度精度≤0.01°时，依次执行步骤95、步骤96；当姿态信息的角度精度＞0.01°时，依次执行步骤97、步骤98。

步骤95：数据处理及控制模块1将姿态信息传输给测量数据显示模块4和测量数据接口模块6，由测量数据显示模块4对姿态信息进行显示，由测量数据接口模块6对姿态信息进行传输。

步骤96：开机状态下长按工作按键15，关闭角度测量模块3。

步骤97：数据处理及控制模块1控制测量数据显示模块4显示角度错误信息，比如显示“angelerr”。

步骤98：点按工作按键15，将角度测量模块3进行复位重启，返回步骤93。

本实施例进一步优选地，数据处理及控制模块1采用st公司推出基于arm的32位微控制器stm32f100r1。该微控制器采用armcortexm3芯片，拥有lcd、timer、spi、iic、can、adc、dac、rtc、dma等众多外设及功能，具有很高的集成度；84个中断、16级可编程优先级，并且所有的引脚尽可作为中断输入；成本低、功耗低。

本实施例进一步优选地，测量数据显示模块4采用alientek的2.4寸lcd显示屏13，且与测量数据显示模块4电连接。lcd显示屏13上显示的内容有，当本实施例在自检状态时，显示自检信息，比如，“正在自检”、“自检完成”、“正常”等信息；当本实施例处于工作状态时，显示经度、纬度、高程、方位角、俯仰角、距离等信息。

本实施例进一步优选地，本实施例的测量数据接口模块6采用上述的微控制器stm32f100r1自带的usb接口控制器，将有效数据输出。

本实施例进一步优选地，如图4所示的本实施例的自动化基线测量系统的结构示意图，红外收发光学镜头75设置在机壳9的前端，白光观瞄装置14设置在机壳9的上端，lcd显示屏13设置在机壳9的前外表面，工作按键15设置在机壳9的前外表面的下方。机壳9上设置有分别与gps和北斗卫星定位模块分别对应电连接的gps天线11和北斗天线12。机壳9上还设置有与测量数据接口模块6电连接的对外数据接口插座16。机壳9下端设置有吸盘10。本实施例的自动化基线测量系统采用吸盘式设计，使本实施例既可以作为附件，吸附于其它伺服瞄准机构上，亦可作为独立装置，置于支架上，比如具有方位、俯仰可调的摇动式三脚架上。

本实施例的自动化基线测量系统还设置有电源模块，该电源模块采用芯片max761和max765对电池提供的7.2v电压进行dc—dc变换，为本实施例提供高效、稳定、大功率的电源。电源模块有四种输出电压+12v、-12v、7.2v、5v。

本实施例能够达到的技术指标如下:

一、距离测量

测量的距离范围：5～1500m；

测距精度：0.5m。

二、角度测量

方位角范围：无限制；

俯仰角范围：-3°～87°；

测角精度：0.01°。

三、信息显示

显示信息：经度、纬度、高程、方位角、俯仰角、距离。

四、可靠性指标

平均故障间隔时间：mtbf≥300h；

平均故障修复时间：mttr≤20min；

连续工作时间：≥8h。

五、环境适应性

工作温度：-20～40℃(相对湿度20―80％)；

储藏温度:-20～60℃；

振动冲击：民用级；

电磁兼容：工业级。

六、供电方式

锂电池7.2v供电。

下面以本实施例的自动化基线测量系统作为独立装置为第三方提供基线信息为例，测量待测点相对于基点的基线数据，来说明本实施例的工作过程：

如图8所示，连接本实施例的机壳9上的bds天线12和gps天线11，并将本实施例置于基点o处，角反射器8置于待测点m。长按机壳9上的工作按键15，本实施例开机自检，显示自检完成后，显示本实施例正常。然后通过本实施例的机壳9上的白光观瞄装置14精确瞄准角发射器8的中心位置，然后点按机壳9上的工作按键15，gps/bds定位模块5获取点o的地理坐标信息，包括经度λ、纬度φ和高程h，并将经度λ、纬度φ和高程h传送给微控制器stm32f100r1。光学测距模块2测量点o到点m的距离d，并将距离d传送给微控制器stm32f100r1。角度测量模块3测量点m的姿态信息，包括方位角β、俯仰角ε，并将方位角β、俯仰角ε传送给微控制器stm32f100r1。微控制器stm32f100r1分别对输入的经度λ、纬度φ、高程h、距离d、方位角β、俯仰角ε进行数字滤波解算，获取精确信息并送往测量数据显示模块4。从点按工作按键15到测量数据显示模块4接收到精确的数据信息，整个过程大约80s。在80s后，如图9所示，lcd显示屏13上将经度λ、纬度φ、高程h、距离d、方位角β、俯仰角ε的数值信息进行显示，图中经度λ值为113.630197，纬度φ值为34.755238，高程h值为79，距离d为471.0m，方位角β值为252.16°，俯仰角ε值为5.16°。同时微控制器stm32f100r1将输入的经度λ、纬度φ、高程h、距离d、方位角β、俯仰角ε传送给测量数据接口模块6，并由对外数据接口插座将这些信息传送给第三方使用。

本发明的实施例实现自动化定位、测角和测距，提高基线测量的自动化程度和精度，测量效率高，并配置测量数据接口，方便第三方使用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。