测量机器人单点测量精度试验研究

黄 建 学

(江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

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测量机器人单点测量精度试验研究

黄 建 学

(江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

以TCA2003为例，从测量原理和现场试验两个方面分析了反射器、距离等因素对点位变化特征的影响，提出了提高精度的方法，分析测量结果表明：当平距达到400 m时，理论结果和试验结论的精度都可控制在2.5 mm以内，达到了测量精度要求。

TCA2003，单点测量，精度

与国外比较,对大型工程建筑物变形监测手段仍显落后,自动化、实时采集监测信息尚未普及。因此，研究运用先进仪器设备进行大型构筑物变形监测数据采集的高精度、智能化和自动化，对解决测量实践过程中出现的一些技术问题具有现实意义[1,2]。文章将高精度的测量设备TCA2003引用到大型建筑物上进行点位的变形监测，供同行借鉴参考。

TCA2003是一种能提高测量精度的测量机器人，该测量机器人带有马达驱动，因此在生产实践中能加快测量速度，减轻测量强度。TCA2003把由程序操控的TPS系统和CCD技术有机地结合起来，通过通讯和激光实现了测量的全自动化，是一个集测距、照准、目标分别识别跟踪、测角、记录等多种功能于一身的综合平台[3]。对TCA2003来说，只要测量对象满足工作条件，黑夜和白天都能工作。文章所用的测量机器人由莱卡公司生产，该仪器测距精度1 mm±1 ppm，测角精度0.5″[4]。

1 TCA2003测量点位精度分析

为达到测量功能的目的，组成TCA2003系统的元素主要包含了测量主机一台、目标点反射器若干、内置计算机和相关的数据处理分析软件[5,6]。TCA2003使用极坐标原理进行设计开发，并实现了测量功能。在生产实践中，需要把主体机器安置在以测站点O作为原点，铅垂方向指向Z轴方向，水平面处于X轴、Y轴组成的平面的右手系空间直角坐标系下(见图1)。然后，再根据极坐标定位原理获得目标待测点P的X，Y，Z三个空间坐标分量。

(1)

其中，s为斜距，m；β，α分别为垂直角、水平角，(°)；R为地球曲率半径值，km；k为大气折光系数；Z中的第二项为球气差的影响值，而当距离较短，此项可以选择忽略不计。

对式(1)通过误差传播定律进行处理，得到：

(2)

其中，ms为测距误差，mm；mβ和mα均为测角误差，s；ρ为角度化弧度的常数值，取206 265；mk为大气折光误差参数，mm[7]。以TCA2003为例，测距精度1 mm±1 ppm，测角精度0.5″。此时对球气差改正数影响可以忽略，并且在变形监测中，主要关注高差值的变化，并且不加入目标高、仪器高等量取误差值，此时将不同的距离、垂直角代入到式(2)中，可以得到测量的高程中误差。

2 不同棱镜、平距下TCA2003测量点位精度分析评定

2.1 不同种类反射棱镜条件下测量结果的分析

选用圆棱镜和360°棱镜，并对两种反射器均可识别到的天气情况和距离范围下的测量精度进行对比分析试验。相比于圆棱镜，360°棱镜具有能从不同角度进行测量观测的优势，而且棱镜的空间点位测量精度与垂直方向、水平方向测量精度不存在依赖关系。

实验过程如下：

将TCA2003架设在试验A处，将两种棱镜(圆棱镜即为M1，360°棱镜即为M2)架设在试验B，C处。使用TCA2003的自动目标识别功能，采集到了21个测回的观测数据，使用测量办公室软件将测量数据从TCA2003传导到计算机中[8]，用Excel处理、分析。

得到分析、处理结果如下：

M1，M2平距值是236.742 m和257.583 m，两棱镜不同测回的所有观测结果的点位中误差为2.44 mm和1.72 mm；而采用每个测回观测值求均值后再求中误差结果是0.63 mm和0.44 mm。得到的结论是圆棱镜的精度略高一些，但360°棱镜可以接受不同方向的观测而不会对观测结果产生影响，360°棱镜的使用会在变形监测中得到更广泛的推广使用。

2.2 不同平距条件下TCA2003高程测量误差的分析

平距不同的条件下研究高程误差，其中最大的影响因素为垂直角，其次的影响因素是球气差，而距离的测量值影响更次之。试验方案如下：反射器选用360°棱镜，使用TCA2003自动目标识别功能，每10 min采样一次数据。不同平距下，在某地周边的山上选取7个点进行观测。结果处理如表1所示。

表1 不同平距的试验高差均方根表

图2为不同平距条件下,垂直角为45°时 高差中误差值。试验和理论的中误差结果都是随平距的增大而增大。

对比得出：

1)试验结果的精度值都小于理论值，表明这台测量机器人的精度达到标定要求。

2)当平距增加，试验中误差向理论值靠近，而实际使用该台TCA2003做变形监测测量时，除要关注理论精度值外，还需顾及各个不同机器人的实际使用状况，即在使用之前，必须进行精度评定[5]。

3 结语

1)当通过TCA2003对400 m平距的高程进行测量时，理论、试验结果的精度都在2.5 mm内，即满足测量对精度的使用要求。同时，在实际工程的变形监测过程中，可以通过对多次测量值取平均、差分等等方法来处理获得的测量数据，从而进一步提高测量的精度。

2)由于360°棱镜和圆棱镜特性不同，因此，当距离较远达到500 m时，应使用圆棱镜附加觇牌进行观察，而360°棱镜已不能被测量机器人自动监测到。但考虑到360°棱镜具有从任何角度进行监测的优势，因此，可以将两种棱镜同时按测距条件不同进行配套使用。

3)为了提高测量的精度，需选用精度更高的气象观察设备，增加采样频率，具体可以在一天之内的不同时间段进行测量并求取平均值。同时，要避开如早上、傍晚温差较大的时间段。

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Study of robot single point measurement accuracy

Huang Jianxue

(EastChinaMineralExplorationandDevelopmentBureauforNon-FerrousMetalsinJiangsu,Nanjing210007,China)

This paper takes TCA2003(survey robot) for example. We start from the polar coordinate measuring principle and field measurement analysis of both reflectors, distance and other factors on the impact of points position, and put forward some methods to improve accuracy. The result shows that the horizontal distance reaches 400 m, both the theoretical analysis and experimental results accuracy can be controlled within 2.5 mm, which meets the accuracy requirement.

TCA2003, single point measurement, accuracy

2015-04-25

黄建学(1974- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)19-0198-02

TU198

A