本實(shí)用新型屬于精密測量、導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于室內(nèi)坐標(biāo)定位測量、同時也具有導(dǎo)航功能的主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)水平的提高，對大型異形物體的幾何尺寸以及關(guān)鍵特征點(diǎn)的空間一維坐標(biāo)提出了更高的要求，準(zhǔn)確地測量這些幾何參數(shù)對于保證加工產(chǎn)品的質(zhì)量、零部件的現(xiàn)場成功安裝以及物體的整體定位，有著十分重要的意義。

近幾年，以經(jīng)緯儀作為傳感器，用兩臺或兩臺以上經(jīng)緯儀配合計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的硬件、軟件所組成的空間坐標(biāo)測量系統(tǒng)在工程測量以及計(jì)算學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)可以現(xiàn)場組建，能夠就地測量大小或形狀完全不同的物體，尤其是大型物體，經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)也可以作為大型測量設(shè)備如多視覺傳感器坐標(biāo)測量系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定設(shè)備或者測量精度的檢定設(shè)備。但是雙經(jīng)緯儀系統(tǒng)每次定位時都需要人工瞄點(diǎn)，這樣逐點(diǎn)測量比較費(fèi)時，效率較低，而且不能對連續(xù)運(yùn)動的合作目標(biāo)進(jìn)行測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的旨在克服目前測量時需要人工瞄點(diǎn)，逐點(diǎn)測量比較費(fèi)時、效率較低，而且不能對連續(xù)運(yùn)動的合作目標(biāo)進(jìn)行測量的缺陷，提供一種主動式經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)能夠主動搜索、識別合作目標(biāo)，其光學(xué)系統(tǒng)中的粗跟蹤相機(jī)用于定位合作目標(biāo)的大致位置，精跟蹤相機(jī)具有變焦功能，能夠?qū)献髂繕?biāo)進(jìn)行精確定位，從而獲得精確的雙目交會測量精度，該系統(tǒng)也具有合作目標(biāo)跟蹤功能，在目標(biāo)運(yùn)動時能夠進(jìn)行隨動跟蹤，從而測量合作目標(biāo)的運(yùn)行軌跡。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：

一種主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)，包括信息處理計(jì)算機(jī)、主動式經(jīng)緯儀和合作目標(biāo)，所述主動式經(jīng)緯儀包括粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)，粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)與信息處理計(jì)算機(jī)連接，粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)并與合作目標(biāo)光路連接。

進(jìn)一步，所述主動式經(jīng)緯儀包括搜索系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)；

所述搜索系統(tǒng)包括搜索伺服系統(tǒng)和搜索光學(xué)系統(tǒng)；

所述搜索光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)有搜索相機(jī)，所述搜索伺服系統(tǒng)的搜索電機(jī)與基座為鉸接連接；

所述跟蹤系統(tǒng)包括跟蹤伺服系統(tǒng)和跟蹤光學(xué)系統(tǒng)；

所述跟蹤伺服系統(tǒng)由方位伺服系統(tǒng)、俯仰伺服系統(tǒng)及負(fù)載總承構(gòu)成；

所述跟蹤光學(xué)系統(tǒng)包括粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)。

進(jìn)一步，所述搜索伺服系統(tǒng)和跟蹤伺服系統(tǒng)上安裝有高精度碼盤。

進(jìn)一步，所述合作目標(biāo)為主動發(fā)光式合作目標(biāo)，主動發(fā)光式合作目標(biāo)為待測物體表面表貼式合作目標(biāo)，所述表貼式合作目標(biāo)在目標(biāo)表面中心設(shè)有紅色發(fā)光粗識別帶，紅色發(fā)光粗識別帶中心設(shè)有十字絲。

進(jìn)一步，所述主動發(fā)光式合作目標(biāo)為立體球式合作目標(biāo)，立體球式合作目標(biāo)為在透明球形體中心設(shè)有紅色發(fā)光的十字絲。

進(jìn)一步，所述表貼式合作目標(biāo)和立體球式合作目標(biāo)中設(shè)有微型紐扣電池。

進(jìn)一步，所述主動式經(jīng)緯儀為兩臺或兩臺以上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

1)將主動式經(jīng)緯儀的操作自動化，更為簡潔；

2)具有靜態(tài)合作目標(biāo)高精度定位功能，具有合作目標(biāo)跟蹤功能，能夠測量動態(tài)目標(biāo)，并精確跟蹤動態(tài)目標(biāo)運(yùn)行軌跡；

3)設(shè)計(jì)了主動發(fā)光標(biāo)識的合作目標(biāo)，便于相機(jī)識別，精確定位。

主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)一方面可以利用搜索相機(jī)搜索視場中的合作目標(biāo)，另一方面也可以利用跟蹤相機(jī)定位并交會出合作目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)，比人工瞄點(diǎn)更為快捷高效。主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)還具有跟蹤測量合作目標(biāo)運(yùn)動軌跡的功能。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1是兩臺主動式經(jīng)緯儀的系統(tǒng)組成；

圖2是單臺主動式經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是單臺主動式經(jīng)緯儀組成框圖；

圖4是精跟蹤相機(jī)自動變焦模塊原理示意圖；

圖5(a)-(b)分別是表貼式合作目標(biāo)的側(cè)視圖和俯視圖；

圖6(a)-(b)分別是立體球式合作目標(biāo)的側(cè)視圖和俯視圖；

圖7是系統(tǒng)基本跟蹤流程示意圖；

圖8是跟蹤伺服系統(tǒng)的方位伺服系統(tǒng)和俯仰伺服系統(tǒng)控制總體功能框圖；

圖9是跟蹤模式下增加的卡爾曼濾波器和伺服前饋控制框圖。

圖中，101、信息處理計(jì)算機(jī)；102、主動式經(jīng)緯儀A；103、主動式經(jīng)緯儀B；104、合作目標(biāo)；1、方位伺服電機(jī)；2、俯仰伺服電機(jī)；3、搜索伺服電機(jī)；4、搜索相機(jī)；5、粗跟蹤相機(jī)；6、精跟蹤相機(jī)；7、微型紐扣電池；8、紅色發(fā)光粗識別帶；9、十字絲；10、發(fā)光體。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本實(shí)用新型，在此本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本實(shí)用新型，但并不作為對本實(shí)用新型的限定。

參見圖1所示，本實(shí)施例提供了一種采用了兩臺主動式經(jīng)緯儀的系統(tǒng)，包括與信息處理計(jì)算機(jī)101相連的主動式經(jīng)緯儀A102和主動式經(jīng)緯儀B103，主動式經(jīng)緯儀A102和主動式經(jīng)緯儀B103分別連接至合作目標(biāo)104。

本系統(tǒng)是基于雙目視覺測量原理來測量合作目標(biāo)在世界坐標(biāo)系中的位置。信息處理計(jì)算機(jī)一方面用來接收雙經(jīng)緯儀的圖像信息進(jìn)行圖像處理和目標(biāo)識別，將目標(biāo)脫靶量信息發(fā)送給伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行伺服反饋控制，另一方面接收經(jīng)緯儀光電編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，求解合作目標(biāo)在參考坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。其主要運(yùn)行指令有合作目標(biāo)搜索、合作目標(biāo)確認(rèn)定位、目標(biāo)跟蹤及軌跡記錄等功能。

主動式經(jīng)緯儀A102和主動式經(jīng)緯儀B103，用于主動搜索、識別合作目標(biāo)，并將搜索識別的信息發(fā)送給信息處理計(jì)算機(jī)。

合作目標(biāo)，采用主動發(fā)光式合作目標(biāo)來增加目標(biāo)識別的概率，用于雙臺主動式經(jīng)緯儀跟蹤相機(jī)識別合作目標(biāo)的十字中心。

信息處理計(jì)算機(jī)與雙臺主動式經(jīng)緯儀相連，雙臺主動式經(jīng)緯儀包括粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)，主動式經(jīng)緯儀的粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)分別連接至合作目標(biāo)，經(jīng)粗跟蹤相機(jī)定位合作目標(biāo)大致位置，精跟蹤相機(jī)精確定位對合作目標(biāo)，從而獲得精確的雙目交會測量精度，測量合作目標(biāo)的運(yùn)行軌跡。

如圖2所示，單臺主動式經(jīng)緯儀包括設(shè)在基座上的方位伺服電機(jī)1，方位伺服電機(jī)1上方設(shè)有俯仰伺服電機(jī)2，俯仰伺服電機(jī)2上連接有粗跟蹤相機(jī)5和精跟蹤相機(jī)6，俯仰伺服電機(jī)2上端設(shè)有搜索伺服電機(jī)3，搜索伺服電機(jī)3上設(shè)有搜索相機(jī)4。搜索伺服電機(jī)3與基座為鉸接連接方式，可沿基座360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，用于驅(qū)動搜索相機(jī)4的運(yùn)行，方位伺服電機(jī)1和俯仰伺服電機(jī)2用于對目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤。方位伺服電機(jī)1和俯仰伺服電機(jī)2上安裝有高精度碼盤，可以讀出當(dāng)前方位俯仰值。

搜索相機(jī)具有視場大的特點(diǎn)，粗跟蹤相機(jī)視場較搜索相機(jī)視場小，較精跟蹤相機(jī)視場大，精跟蹤相機(jī)上安裝有變焦鏡頭，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)至合作目標(biāo)的十字絲在CCD上清晰成像。

如圖3所示，主動式經(jīng)緯儀按照功能劃分為搜索系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)；搜索系統(tǒng)包括搜索伺服系統(tǒng)和搜索光學(xué)系統(tǒng)；搜索光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)有搜索相機(jī)，搜索伺服系統(tǒng)可帶動搜索相機(jī)進(jìn)行方位360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。跟蹤系統(tǒng)包括跟蹤伺服系統(tǒng)和跟蹤光學(xué)系統(tǒng)；跟蹤伺服系統(tǒng)由方位伺服系統(tǒng)、俯仰伺服系統(tǒng)及負(fù)載總承構(gòu)成；跟蹤光學(xué)系統(tǒng)包括粗跟蹤相機(jī)和精跟蹤相機(jī)。搜索伺服系統(tǒng)、方位伺服系統(tǒng)和俯仰伺服系統(tǒng)上安裝有高精度碼盤，可以讀出當(dāng)前方位俯仰值。

搜索相機(jī)具有視場大的特點(diǎn)，粗跟蹤相機(jī)視場較搜索相機(jī)視場小，較精跟蹤相機(jī)視場大，精跟蹤相機(jī)上安裝有變焦鏡頭，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)至合作目標(biāo)的十字絲在CCD上清晰成像。

如圖4所示，焦距自主調(diào)整部分由狀態(tài)分析模塊及動力驅(qū)動模塊構(gòu)成。狀態(tài)分析模塊檢測焦距是否在最佳位置，主要是通過數(shù)字CCD/CMOS傳感器進(jìn)行激光測距和對精跟蹤圖像的觀測來估計(jì)當(dāng)前的焦距狀態(tài)和需要調(diào)整的各參數(shù)信息，進(jìn)而驅(qū)動動力機(jī)構(gòu)帶動鏡頭對焦距做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

如圖5(a)、圖5(b)所示，為主動發(fā)光式合作目標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。包括采用在待測物體表面表貼式或立體球式合作目標(biāo)。

目前人工瞄點(diǎn)主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)其合作目標(biāo)一般是貼上去帶十字標(biāo)記的紙片，主要靠光線的反射來供經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)，在本實(shí)用新型主動式經(jīng)緯儀系統(tǒng)中，為了便于合作目標(biāo)和周圍景物的區(qū)分，采用主動發(fā)光式的合作目標(biāo)來增加目標(biāo)識別的概率，并方便跟蹤相機(jī)識別合作目標(biāo)的十字中心，主動發(fā)光式合作目標(biāo)分兩種，表貼式和立體球式，分別如圖5(a)、(b)和圖6(a)、(b)所示。

圖5(a)、(b)為表貼式合作目標(biāo)，主要應(yīng)用場合為適合表貼的待測物體表面，厚度較薄，安裝有微型鈕扣電池7作為供電電源，中心部分為紅色發(fā)光粗識別帶8，用于搜索相機(jī)和跟蹤相機(jī)對合作目標(biāo)的粗略識別，中心的十字絲9為精確識別標(biāo)志。表貼式合作目標(biāo)的精確識別角度范圍有限。

圖6(a)、(b)為立體球式合作目標(biāo)，全方位360°均可識別，立體球式合作目標(biāo)為在透明球形目標(biāo)中心設(shè)有紅色發(fā)光的精準(zhǔn)十字絲9，其十字絲結(jié)構(gòu)為類似于笛卡爾坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，紅色部分為發(fā)光光源10，便于搜索識別和對精準(zhǔn)十字絲的照明。由于立體球式合作目標(biāo)呈球形，所以不論從哪個方向看，都能找到一對互相垂直的十字絲。微型紐扣電池7設(shè)在球形立體球式合作目標(biāo)底座上。

本實(shí)用新型系統(tǒng)的基本跟蹤流程如圖7所示：

1)在搜索模式下，主動式經(jīng)緯儀的搜索相機(jī)進(jìn)行方位360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),從待測空間中搜索合作目標(biāo)，搜索相機(jī)將獲得的合作目標(biāo)的運(yùn)動圖像發(fā)送給信息處理計(jì)算機(jī)，信息處理計(jì)算機(jī)解算合作目標(biāo)的所處空域的方位俯仰角，發(fā)現(xiàn)合作目標(biāo)后會在信息處理計(jì)算機(jī)顯示并標(biāo)記；

2)人工確認(rèn)需要跟蹤的合作目標(biāo)，然后系統(tǒng)驅(qū)動跟蹤光學(xué)系統(tǒng)的粗跟蹤相機(jī)對準(zhǔn)合作目標(biāo)所在區(qū)域，待合作目標(biāo)進(jìn)入粗跟蹤相機(jī)圖像中心附近區(qū)域，打開跟蹤光學(xué)系統(tǒng)的精跟蹤相機(jī)，控制精跟蹤相機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)變焦，得到清晰度合適的合作目標(biāo)十字絲圖像，

3)信息處理計(jì)算機(jī)提取十字絲中心坐標(biāo)后，發(fā)送控制指令給方位伺服電機(jī)和俯仰伺服電機(jī)，進(jìn)行位置閉環(huán)，驅(qū)動主動式經(jīng)緯儀的系統(tǒng)瞄準(zhǔn)軸定位到合作目標(biāo)十字絲的中心；信息處理計(jì)算機(jī)接收來的粗跟蹤相機(jī)與精跟蹤相機(jī)的圖像信號，并進(jìn)行圖像處理，識別合作目標(biāo)的標(biāo)識十字線，信息處理計(jì)算機(jī)通過雙目交會測量解算出合作目標(biāo)的位置坐標(biāo)和運(yùn)行軌跡。

跟蹤光學(xué)系統(tǒng)和跟蹤伺服系統(tǒng)進(jìn)行粗跟蹤和精跟蹤過程如下：伺服系統(tǒng)方位、俯仰通道的組成由圖8所示，每個通道由電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)、位置反饋環(huán)三環(huán)組成(電流環(huán)包含在功放模塊中)。在搜索模式下，搜索相機(jī)全方位旋轉(zhuǎn)連續(xù)拍照找到合作目標(biāo)可能存在的位置，經(jīng)人工確認(rèn)后，轉(zhuǎn)入定位模式，信號與信息處理計(jì)算機(jī)接收來自雙經(jīng)緯儀粗跟蹤相機(jī)與精跟蹤相機(jī)的圖像信號，并進(jìn)行圖像處理，識別合作目標(biāo)的標(biāo)識十字線，控制精跟蹤相機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)變焦，將合作目標(biāo)十字絲的清晰度調(diào)整到合適，圖像處理完成提取十字絲中心坐標(biāo)后發(fā)送控制指令給方位俯仰伺服，進(jìn)行位置閉環(huán)，驅(qū)動兩臺經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸定位到合作目標(biāo)十字絲的中心。然后進(jìn)行雙目交會測量，求出合作目標(biāo)在世界坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。

如圖8所示，跟蹤光學(xué)系統(tǒng)和跟蹤伺服系統(tǒng)進(jìn)行粗跟蹤和精跟蹤過程如下：

1)信息處理計(jì)算機(jī)處理跟蹤相機(jī)獲取的圖像，解算合作目標(biāo)的方位俯仰角信息，發(fā)出視線方位角和視線俯仰角指令；

2)方位角位置控制器和俯仰角位置控制器執(zhí)行該指令，并通過方位角速率控制器和俯仰角速率控制器，以及功率放大器將該指令傳遞至方位伺服電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和俯仰伺服電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使得系統(tǒng)瞄準(zhǔn)軸始終指向合作目標(biāo)；

同時，方位伺服電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和俯仰伺服電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過速率測量裝置將方位、俯仰角速率信息分別反饋給方位角速率控制器和俯仰角速率控制器；

同時，方位角位置測量裝置和俯仰角位置測量裝置將視線方位角信息和視線俯仰角信息反饋給方位角位置控制器和俯仰角位置控制器；

同時，功率放大器內(nèi)集成了電流反饋模塊，構(gòu)成了電流反饋環(huán)；

該跟蹤伺服系統(tǒng)包括了電流反饋環(huán)、速率反饋環(huán)和位置反饋環(huán)三環(huán)PID控制。

在圖8中，跟蹤相機(jī)將合作目標(biāo)圖像傳遞至信息處理計(jì)算機(jī)，信息處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后，計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動的方位俯仰角位置信息，將該信息送入跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行伺服跟蹤控制。

跟蹤模式下目標(biāo)運(yùn)動的卡爾曼濾波與伺服復(fù)合控制，如圖9所示，在跟蹤模式下，為提高跟蹤精度，采用卡爾曼濾波技術(shù)來對目標(biāo)運(yùn)動特性進(jìn)行估計(jì)。跟蹤相機(jī)將合作目標(biāo)圖像傳遞信息處理計(jì)算機(jī)，信息處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后，將觀測到的方位角和俯仰角信息經(jīng)卡爾曼濾波器濾波后，將估計(jì)出的方位角、俯仰角和角加速度信息經(jīng)復(fù)合控制系統(tǒng)進(jìn)行伺服跟蹤前饋控制，提高跟蹤精度。

其中，復(fù)合控制系統(tǒng)包括方位前饋補(bǔ)償控制器和俯仰前饋補(bǔ)償控制器，方位前饋補(bǔ)償控制器和俯仰前饋補(bǔ)償控制器將跟蹤控制信息分別傳遞至方位角速率控制器和俯仰角速率控制器。

本實(shí)用新型并不局限于上述實(shí)施例，在本實(shí)用新型公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。