测量机器人的ATR测量重复性试验新技术*

景　琦

(中国地震局第一监测中心,天津 300180)



测量机器人的ATR测量重复性试验新技术*

景琦

(中国地震局第一监测中心,天津 300180)

摘要：测量机器人采用自动目标识别技术(Automatic Target Recognition，ATR)实现了普通棱镜长距离精确照准。应用测量全站仪ATR的功能特点，选用徕卡TS30为测量仪器，做了大量的室内和野外重复性测量试验。通过对测量结果的统计学分析，评估ATR的测角和测距重复性，进而分析了ATR测量的可靠性。试验表明，ATR的测量重复性受观测距离影响较大，随测量距离的增大逐渐离散，且测距重复性要优于测角重复性。重点研究了ATR测量的重复性，无需组网，试验设计相对简单，能快速、准确地评估ATR的测量性能，并提供更多的试验数据，给ATR性能研究提供了一个新的视角。

关键词：ATR；测量重复性；测量机器人TS30；螺旋式搜索

自动目标识别技术(Automatic Target Recognition，ATR)是高性能全站仪所具有的一种先进测量技术。目前，对ATR测量性能的研究主要有2种方法：一种是从测量方法上比较ATR照准精度与人工瞄准精度[1]，该方法虽然可以评定ATR的测量精度，但需要组建多边形观测网，试验方法较繁杂，而且受环境和试验条件影响，人工瞄准存在不确定的瞄准误差，用它评估同样不确定的ATR照准精度有失偏颇；另一种也是基于ATR测量原理，从图像处理角度分析ATR测量性能[2]，该方法主要分析ATR在不同测量光照环境的表现，没有量化ATR的测量性能。本文从试验的角度着重研究ATR的测量重复性，无需组建观测控制网，只需利用现有基线场的测线即可达到测量重复性的条件，通过对实测数据的统计分析，以及同样的测量方法互相比较，可以更精确地评估ATR测量的可靠性。

1测量机器人ATR工作原理

ATR功能照准棱镜主要通过螺旋式搜索实现。具体过程是粗瞄→螺旋式搜索→照准→锁定→测量(见图1)，即先人工手动调整测量机器人的望远镜，对目标棱镜的大致方向粗略瞄准，然后开启测量功能。安置在望远镜头中的ATR部件带动望远镜头自动搜索自定义窗口内的目标棱镜，自定义搜索窗口可以通过仪器设置选项的ATR窗口来设置。TS30默认的搜索窗口大小为水平方向搜索4°，垂直方向搜索4°[3]。自定义的窗口范围越大，螺旋式搜索的时间越长。如果望远镜探测不到棱镜，将从头继续搜索过程，即望远镜进行螺旋式的连续运动(见图2)。ATR部件一旦探测到棱镜，照准部内部的电动机就驱动望远镜头转向棱镜，锁定目标，开始测量，并根据回光信号，计算出十字丝中心与棱镜中心的偏移值[4]，给出改正后的水平和垂直角度读数，不再需要操作人员精确照准和调焦。

图1　ATR测量过程

图2　ATR的螺旋式搜素

由于望远镜筒的初始位置不固定，每次用ATR进行测量时，望远镜头所走过的搜索路径都不尽相同。虽然高精度测量机器人ATR的测量精度设计很小，但每次测量结果之间仍旧有差异，对测量结果和真值之间的偏离还应考虑ATR测量重复性的影响。

2测量重复性试验

2.1重复性试验条件

本次重复性试验采用的测量仪器是经法定计量检定机构检定合格的测量机器人徕卡TS30，其主要参数为：测距标准差为0.5+0.5 ppm[5]；标称测角标准差为0.5″；ATR模式的测角标准差为1″；ATR的照准精度为200 m内优于1 mm，1 000 m内优于2 mm，工作范围为1.5～1 000 m。采用的是标准棱镜，相对于徕卡系列的棱镜常数是-34.4 mm。由笔者进行观测，保证了相同的测量程序、相同操作者和相同测量系统。

2.2室内短基线试验

由于本文的研究对象是ATR的测量重复性，故不需要组观测网，仅需在一定距离的两端分别架设测量机器人TS30和棱镜即可进行观测。本试验是利用实验室内全长24 m的全站仪短基线检定台上进行测量，将仪器和标准棱镜分别架设在台子两端，精确整平对中[6-7]，除去工件尺寸，两者之间的距离约为23.853 m。为方便比较，初始水平角置零，采用30个测回测量仪器与棱镜之间的平距、水平角值和垂直角值。为保证每次测量ATR都是重新搜索路径，应在每次测量前把望远镜头稍微调偏一点。测量数据见表1。

2.3野外长基线试验

野外试验在天津海河比长基线场进行。该基线场建成于2011年，地形开阔，通视良好且各段测线长度经溯源均为已知。选择天气晴朗且风力<2级的天气，开展野外试验测量。选定6、7、8、9和11号强制对中观测墩(距离分别为47.990 6、144.007 3、264.005 1、455.999 5和960.012 6 m)作为镜站观测点，重复室内试验过程，连续测30个测回，记录仪器在各段距离上测得的平距、水平角值和垂直角值，测量数据此处略。

表1　室内试验测量数据

2.4ATR测量重复性评定

对测量重复性的统计学分析采用比较极差和测量标准偏差的方法进行，即：先计算每一组观测数据的均值，再与每个观测值计算互差，得出每条测线上测量结果的极差，然后计算测量结果的标准偏差，进而表征各测量对象(即水平角、竖直角及距离)的重复性精度。

均值计算公式为：

式中，取n=30。

计算每个待测量30个测回之间测量结果的极差，即最大差值，其公式如下：

Δmax=maxnx1-minnxi

最后用单次测量结果的试验标准偏差表征测量标准偏差[8]，即：综合30个测回的测量结果，用贝塞尔公式计算如下：

ATR测量重复性的评估可以通过统计学上的极差和标准差来表征[9]。经计算，测量结果的试验标准差与极差见表2。

表2　测量结果的试验标准差与极差

ATR测量重复性和极差与测量距离的关系曲线分别如图3和图4所示。

图3　用试验标准偏差评定测量重复性

图4　用极差评定测量重复性

由观测数据可以分析得出如下结论。

1)由于ATR测量重复性受气象因素的影响[10]，室内测量数据稳定性更好。在室内无风、无大气扰动的测量环境下，对于测量机器人Leica TS30来说，ATR功能测量的重复性较好，距离测量重复性很高，最大距离差仅为0.12 mm，可以忽略不计。

2)从图3和图4可以看出，ATR测量重复性受距离影响较大，观测距离越长，ATR测量重复性越低。对于TS30来说，当≤200 m时，ATR测量重复性很高；当>200 m时，测量值逐渐离散；当接近1 000 m时，测量值重复性偏差大幅增大。这也正好跟TS30的ATR标称精度和测程相符合。说明ATR测量重复性与ATR测量精度也有一定的关系。

3)测量结果的试验标准偏差和极差均可表征ATR的测量重复性，且它们对重复性的表征趋势一致，均反映了测量重复性与测量距离的关系。

4)通过标准偏差的表征可看出，ATR测距的重复性远远好于测角重复性。

3结语

利用ATR功能进行测量，既缩短了工作时间，又降低了劳动强度，并且测量的重复性很高。但随着测量距离的增加，ATR重复性精度逐渐变差，尤其是在最大测程附近。由于实际使用中，测量机器人的ATR功能大多是在标称的精确测程内使用，如TS30一般均在200 m测程内工作，故测量重复性很高，可用于精密测量，可靠性高。

参考文献

[1] 邓标，黄腾，陈建华，等.智能全站仪ATR实测三维精度分析[J].水电自动化与大坝监测,2006,30(6)：57-60.

[2] 郭腾龙，岳建平.测量机器人ATR性能分析与测试[J].测绘通报,2012(6)：92-94.

[3] 景琦,程增杰,刘承宇，等.测量机器人的ATR测量原理及重复性实验分析[J].科技创新导报， 2012(35)：8-10.

[4] 朱顺平，薛英．ATR的工作原理、校准及检测[J]. 北京测绘，2005(3)：26-29.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.JJF 1001—2011通用计量术语及定义[S].北京：中国计量出版社，2011．

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. JJF 703—2003光电测距仪检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2003．

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 16818—2008中、短程光电测距规范[S].北京：中国标准出版社，2008．

[8] 国家质量监督检验检疫总局. JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示[S]. 北京:中国计量出版社，2012.

[9] 石照耀，费业泰. 基于均值平移的动态测量重复性的评定方法研究[J]. 光学精密工程，2003(11)：363-367.

[10] 黄腾，陈光保，张书丰. 自动识别系统ATR的测角精度研究[J]. 水电自动化与大坝监测, 2004(28)：37-40.

* 公益性地震行业科研专项(201308009)

责任编辑郑练

The New Technology of Experimental Study on the Measuring Repeatability of Automatic Target Recognition based on Survey Robots

JING Qi

(First Monitoring Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China)

Abstract：Survey robots use the technique of automatic target recognition (ATR) to achieve long-distant precise aiming. Describe the function characteristic of ATR systems which are set in survey robots. Using Leica TS30 as represented, this research does lots of experiments both indoors and outdoors. By statistical analysis of the measuring data, repeatability of ATR to measure angle and distance are evaluated. The experiments show that the reliability of ATR is greatly influenced by observation distance. While the distance increases the measuring results disperses apparently. Besides, distance measuring repeatability is better than angular repeatability. Unlike research on aiming accuracy, this paper focuses on the ATR measuring repeatability which means this experiment is easier to operate and the observation net is not needed. Besides, measuring repeatability can also assess the performance of ATR meanwhile record more experiment data. This research offers a new view to study ATR technology.

Key words:Automatic Target Recognition (ATR), repeatability, survey robot TS30, spiral search

收稿日期：2015-08-21

作者简介：景琦(1983-)，女，工程师，硕士，主要从事测绘仪器的计量检定等方面的研究。

中图分类号：TP 242

文献标志码:A