測量機器人的ATR測量原理及重復性實驗分析

景琦 程增杰 劉承宇 成立輝

摘 要：該文簡述了Leica公司的新型測量機器人TS30自動目標識別（ATR）功能的原理，設計了一個一般觀測條件下的實驗，研究ATR測角重復性的情況，并運用數理統計原理加以分析，從而探討了ATR照準精度可靠性。

關鍵詞：測量機器人 TS30 ATR 測量重復性。

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-000-03

TS30是Leica公司2009年推出的第四代超高精度智能全站儀，是目前世界上最先進的測量機器人。如圖1所示，作為TCA2003的替代產品，TS30的能耗低，轉動噪聲較TCA2003減少很多，其標稱測角標準差0.5″，自動目標識別模式（ATR模式）的測角標準差1″，ATR照準精度

200 m內優于1 mm，1000 m優于2 mm，工作范圍1.5～1000 m。

測量機器人（Survey robot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀。其中，自動目標識別（ATR）功能是測量機器人測量準確性的核心和決定性因素，但ATR測量的重復性如何，ATR測量值是否可靠等類似的問題仍困擾著我們。該文通過設計一系列實驗，運用數理統計原理計算了ATR測量重復性即內符合性，從而評估ATR測量的可靠性。

1 ATR的測量原理

測量機器人采用了自動目標識別技術ATR（automatic target recognition），實現了普通棱鏡長距離自動識別與精確照準，其工作原理如圖2所示。

ATR部件安裝在全站儀的望遠鏡上，在使用ATR測量時，CCD光源先自主發射一束紅外激光，按類似自準直的原理通過光學部件同軸地投影在望遠鏡視準軸上，由棱鏡反射回來。望遠鏡里專用分光鏡將反射回來的ATR 光束與可見光、測距光束分離出來，引導ATR光束至CCD陣列上，形成光點，由內置CCD相機接收，其位置以CCD相機的中心作為參考點來精確地確定。CCD陣列將接收到的光信號，轉換成相應的影像，通過圖像處理算法，計算出圖像的中心，即棱鏡的中心。

測量機器人TS30運用ATR功能精密測量的過程就是“粗瞄—搜索—鎖定—照準—測量”的過程。即先手動對目標棱鏡粗略瞄準，然后開啟測量功能，ATR自動搜索自定義窗口內（這個自定義窗口大小可以通過儀器設置選項的ATR窗口設置來自定義，在TS30中，窗口大小默認為水平方向搜索4 °，垂直方向搜索4 °。自定義的窗口范圍越大，則搜索時間越長。）的目標棱鏡，如果它探測不到棱鏡，它將從頭開始搜索過程，即望遠鏡進行螺旋式的連續運動。一旦探測到棱鏡，望遠鏡馬上停止運動，馬達驅使望遠鏡去接近棱鏡的中心，計算出十字絲中心與返回圖像中心的偏移值，給出改正后的水平和垂直角度讀數，得出測量值。

由于望遠鏡筒的位置隨機，ATR完成每次測量都需要重新搜索棱鏡，所走過的路徑都不甚相同，得出的測量值有所不同就不足為奇，但測量結果到底有多大偏差，最值什么時候出現，是個需要深入研究的問題。該文將就這個問題進行探討。

2 一般觀測條件下ATR的內符合實驗設計

內符合性，即測量重復性，是指在相同條件下，對同一被測量進行連續多次測量所得結果之間的一致性。本次實驗主要分析平距、水平角、垂直角三個被測量測量值的平均值、標準偏差、極值（最大值、最小值）以及測量值之間的最大互差。由于ATR的照準精度與外部測量環境有很大關系，故實驗分為室內和野外兩部分分別進行。

2.1 室內短基線測量

ATR觀測精度受溫度、氣壓和大氣湍流等外界因素影響較為明顯，為避免其影響，首先先在室內無氣流變化、恒溫恒壓的短基線（約24 m）上測量。

2.1.1 具體操作：在23 m 距離處安置單棱鏡，粗略瞄準之后，開啟ATR自動搜索。TS30 全站儀自動搜索并精確瞄準，記錄下水平角、垂直角讀數和平距值。由于TS30的ATR精確搜索范圍是1°25′，為檢測ATR性能并探測最值，保持棱鏡不動，微調望遠鏡筒向上偏離棱鏡中心1°25′左右，再進行測量，記下測量值，再微調望遠鏡筒向下、左、右偏離棱鏡中心各1°25′左右，分別記下各情況下的測量值。每臺儀器做盤左盤右10個測回，算出各測量值的均值和標準偏差，換儀器進行上述實驗。

2.1.2 計算方法：均值：， 其中，取n=10；

標準偏差：，其中，取n=10。

為計算方便，第一次觀測值均置零，使水平角均在零附近測量，測得的數據經計算得表1（為敘述方便，表中忽略度和分的部分，只考慮秒的部分，這不會影響分析的結果，垂直角部分未列出，計算和分析方法同理）：

可以看出，十次測回中，盤左觀測的水平角標準偏差最大為0.57″，不同偏離方向間的最大互差為0.8″；盤右觀測的水平角標準偏差最大為0.55″，不同偏離方向間的最大互差為3.5″；盤左盤右觀測的平距標準偏差最大均為0.1 mm，不同偏離方向間的最大互差均為0.1 mm。通過對水平角和平距不同測回的測量結果的分析，可看出各儀器在室內短基線（約24 m）范圍內，ATR測距值的內符合精度非常高，且盤左盤右無差別；測水平角的內符合精度較高，盤左盤右略有差距，但總體上來說ATR測量重復性很好，ATR照準可靠性很高。

同樣分析垂直角可知（垂直角表在此省略），各儀器在室內短基線（約24 m）范圍內，ATR測垂直角的內符合精度也非常高，ATR測量重復性很好，ATR照準可靠性

很高。

2.2 野外長基線測量

選擇地形開闊、通視良好的海河比長基線場作為野外實驗場地，選定5、6、8、10號（距離分別為：71.9980 m、

168.0034 m、479.9944 m、1085.9979 m）強制對中觀測墩作為鏡站觀測點，消除了儀器及棱鏡對中誤差的影響。重復室內實驗過程，計算儀器在各段距離上的平距、水平角值和垂直角值的平均值、標準偏差、極值（最大值、最小值）以及最大互差。

表2列出了在不同測量距離上各臺儀器盤左測量的水平角重復性比較數據（盤右同理）。表中每臺儀器的數據是在表1的基礎上做了十個測回的平均值。通過比較可知，水平角的偏差在71.9880 m和168.0034 m距離上的比較穩定，標準偏差都控制在1以下，而在479.9944 m距離上和1085.9979 m距離上標準偏差值有增大趨勢，說明測量結果離散性漸大，也就是說ATR測量的重復性變差。結合垂直角數據分析，可知垂直角與水平角的測量重復性的變化趨勢一致。

對于距離測量，ATR在這四個距離上測量的標準偏差都很小，均小于0.2 mm，測量重復性非常好。

3 結語

（1）ATR測量重復性受溫度、氣壓、大氣湍流等因素的影響，室內測量數據穩定性更好。

（2）盤左和盤右對ATR測量重復性影響不大，基本可以忽略。

（3）觀測距離越長，ATR測量重復性越低，其中對于TS30來說，200 m之內，ATR測量重復性很高，超出200 m，測量值逐漸離散，超過1000 m，測量值重復性大幅降低。這也正好跟前面提到的TS30“ATR照準精度200 m內優于1 mm，1000 m優于2 mm，工作范圍1.5 m～1000 m”相符合。說明ATR測量重復性與ATR測量精度也有一定的關系。而1085.9979 m超出了ATR的標稱工作范圍，重復性的變化不予

考慮。

（4）ATR測距的重復性遠遠大于測角重復性，在1000 m內，沒有明顯波動，幾乎不受觀測距離的影響。

（5）總體來說對于測量機器人TS30來說，ATR測量既縮短了工作時間，又降低了勞動強度，并且測量的重復性很高。由于實際測量中很少會超過200 m測程，故TS30的ATR測量可靠性很高，“全世界最先進的測量機器人”稱號當之

無愧。

參考文獻

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