專利名稱：一種自適應靶標裝置及實現方法
一種自適應靶標裝置及實現方法技術領域
本發明屬于激光測量技術領域，涉及一種自適應靶標裝置及其實現方法。
技術背景
隨著全站儀技術的發展，測量的精度、自動化、智能化程度不斷提高。目前具有自 動識別功能的全自動全站儀可以實現目標的自動照準、鎖定跟蹤、自動測量和記錄，有著 “測量機器人”的美譽。全站儀由激光測距儀、兩維回轉機構和高精度碼盤組成，可實現對靶 標的自動跟蹤。靶標是構成全站儀測量系統的重要組成部分，將靶標與被測目標固聯，其作 用是代表被測目標的位置反射激光信號實現系統對被測目標的角度、距離和位置測量。目 前靶標的主要類型有棱鏡片、角棱鏡、360°棱鏡等。靶標作為測量系統的測角測距信號的 合作目標，本身的定位精度和適應范圍直接影響全站儀測量的最終性能。
棱鏡片只能應用于人工照準測量模式，不能配合全站儀實現目標的自動照準、鎖 定跟蹤、自動測量和記錄。
角棱鏡的實質為一角反射棱鏡，是由3個互相垂直的反射面構成的四面體，定位 精度可達到納米級。隨著入射角的增大，反射激光的有效面積減小，反射回來的信號減弱， 角棱鏡的入射角不能超過士20°，當入射角過大時無法進行測距，成為限制全站儀測量范 圍的瓶頸。
360°棱鏡，由6塊角反射棱鏡上下交錯拼合組而成正六面柱體。由于360°棱鏡 本身的結構，使得360°棱鏡在水平方向上對從任何角度入射的信號都能實現測量，360° 棱鏡的6棱鏡反射面交錯分布在半徑為33mm的球面上，測量時當激光打在6個棱鏡中不同 的棱鏡上時，定位精度降低，360°棱鏡整體定位精度為5mm，成為全站儀測量精度的瓶頸。發明內容
為了解決現有技術的問題，本發明針對全站儀測量中對靶標高定位精度和大測量 范圍的需求，提出一種自適應靶標裝置及實現方法。
為達成所述目的，本發明的第一方面是提供一種自適應靶標裝置，該裝置包括數 碼跟蹤測量單元、數據采集發送處理單元和靶標驅動單元；
數碼跟蹤測量單元和靶標驅動單元分別與數據采集發送處理單元相連接，帶有中 心線結構特征的靶標驅動單元與數碼跟蹤測量單元以遠程拍攝獲取圖像方式建立聯系，數 碼跟蹤測量單元拍攝靶標驅動單元中帶有中心線結構特征的平面投影圖像，并將帶有中心 線結構特征的平面投影圖像發送給數據采集發送處理單元；數據采集發送處理單元接收、 存儲并處理收到帶有中心線結構特征的平面投影圖像，根據中心線結構特征在平面投影圖 像中的位置，判斷出靶標需旋轉量的大小和旋轉方向發送給靶標驅動單元；靶標驅動單元 收到靶標需旋轉大小和方向信息后，控制靶標驅動單元的電機帶動靶標按數據采集發送處 理單元發來的控制指令旋轉，使靶標驅動單元的靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光 束ο
為達成所述目的，本發明第二方面是提供一種自適應靶標的實現方法，包括如下 步驟
步驟Sl 開始，系統部件安裝與連接；
步驟S2 設備啟動并進行初始化，使設備進入穩定運行階段；
步驟S3 數據采集發送處理單元中的數據處理模塊控制系統運行開始和結束；
步驟S4 數碼跟蹤測量單元拍攝靶標驅動單元的帶中心線特征結構的平面投影 圖像，并將該平面投影圖像數據傳送給數據采集發送處理單元；
步驟S5 數據采集發送處理單元對數碼測量單元拍攝靶標承載體帶有中心線結 構特征的平面投影圖像數據進行采集、平面投影圖像預處理和平面投影圖像邊緣檢測；
步驟S6 用數據采集發送處理單元中數據處理模塊中解算出靶標需旋轉的大小 和方向，數據采集發送處理單元計算帶有中心線結構特征的平面投影圖像的輪廓求中心線 左右兩部分線段比或面積比，計算出靶標應旋轉量的大小和旋轉方向；
步驟S7 判斷解算出靶標的轉角是否大于5度；
步驟S8 如轉角小于5度返回步驟S4,如果轉角大于5度則生成控制指令發送給 靶標驅動單元；
步驟S9 靶標驅動單元中的控制器根據數據采集發送處理單元發來的控制指令 控制電機旋轉，帶動靶標轉動；
步驟SlO 靶標轉動完成后判斷，如收到退出指令則退出，否則再從步驟S4開始循 環執行，使全站儀發出的激光射向靶標的入射角一直保持小于5度。
本發明的技術效果或優點在全站儀測量系統中引入數碼測量和靶標旋轉控制技 術提高了測量精度和測量范圍，采用數碼跟蹤測量技術實時測量出靶標棱鏡面中心偏離全 站儀視準軸的角度，靶標驅動單元中的控制驅動系統控制電機旋轉帶動靶標轉動使靶標總 保持與全站儀正對的狀態，從而可用高精度靶標完成大范圍測量，使全站儀測量技術使用 中實現精度和范圍的雙突破。本發明的優勢如下
1、測量精度達到角棱鏡測量精度。
2、測量范圍達到360°棱鏡的測量范圍。
3、數碼測量設備與全站儀固聯，節省了測量跟蹤裝置，簡化了結構降低了成本。
4、帶有中心線的靶標特征結構簡化了數據處理過程，增加了準確度。
本發明技術實現了全站儀高精度、大范圍的精密實時跟蹤測量，為國家重大裝備 制造領域的精密測量提供了一種低成本的測量手段。
圖1是本發明裝置的結構框圖2數碼跟蹤測量單元結構示意圖3數據采集發送處理單元框圖4本發明靶標驅動單元組成方框圖5本發明帶有中心線結構特征的靶標承載體總裝示意圖6本發明自適應閉環控制流程圖7本發明系統構成圖8本發明實施例中拍攝靶標承載體的平面投影圖像；
圖9本發明實施例中預處理并且邊緣化后的平面投影圖像。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是， 所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
參閱圖1和圖7，本發明的自適應靶標裝置，包括數碼跟蹤測量單元1、數據采集發 送處理單元2、靶標驅動單元3 ；數碼跟蹤測量單元1和靶標驅動單元3分別與數據采集發 送處理單元2相連接。帶有中心線結構特征的靶標驅動單元3與數碼跟蹤測量單元1以遠 程拍攝獲取圖像方式建立聯系，數碼跟蹤測量單元1拍攝靶標驅動單元3帶有中心線結構 特征的平面投影圖像，并將帶有中心線結構特征的平面投影圖像發送給數據采集發送處理 單元2 ；數據采集發送處理單元2接收、存儲并處理收到帶有中心線結構特征的平面投影圖 像，根據中心線結構特征在平面投影圖像中的位置，判斷出靶標需水平旋轉的大小和方向 發送給靶標驅動單元1 ；靶標驅動單元3收到靶標需旋轉大小和方向信息后，控制靶標驅動 單元3中的電機帶動靶標按數據采集發送處理單元2發來的控制指令旋轉，使靶標驅動單 元3中的靶標以最佳角度對準全站儀12發來的激光束。
如圖2所示數碼跟蹤測量單元1的結構，數碼跟蹤測量單元1由數碼測量單元11 與全站儀12的測角跟蹤單元121共同組成，全站儀12兩側固聯有兩個磁座，在兩個磁座的 一側面固聯有數碼測量單元11和配重13，使全站儀12保持平衡旋轉并形成一體結構，數 碼測量單元11的數碼測量數據輸出線與數據采集發送處理單元2相連，利用全站儀12的 測角跟蹤系統121實現對靶標驅動單元3的靶標進行跟蹤，數碼測量單元11用于遠程拍攝 靶標驅動單元3中帶有中心線結構特征的平面投影圖像，并將該帶有中心線結構特征的平 面投影圖像發送給數據采集發送處理單元2。在實施中，數碼測量單元11可選用封裝完整 的數碼照相測量儀表組，本例采用IMPERX相機配合kowa鏡頭進行拍攝。全站儀12可采用 各種激光全站儀，本例采用徠卡TCRA1101型全站儀，數碼測量儀表組與全站儀12間連接無 精度要求，只要求數碼測量儀表組與全站儀12隨動，靶標325在數碼測量單元11視場內即 可。
如圖3所示數據采集發送處理單元2的結構，數據采集發送處理單元2包括數據 采集模塊21，數據處理模塊22和數據發送模塊23，在計算機內及相應的算法軟件程序實現 數據采集模塊21、數據處理模塊22和數據發送模塊23的功能，數據采集模塊21接收、存 儲數碼跟蹤測量單元1發來的靶標承載體323帶有中心線結構特征的平面投影圖像，數據 處理模塊22與數據采集模塊21連接，數據處理模塊22首先對靶標承載體323帶有中心線 結構特征的平面投影圖像數據進行預處理及邊緣檢測，根據中心線結構特征在平面投影圖 像中的位置，并分析帶有中心線結構特征的靶標承載體323的平面投影圖像，根據以中心 線為準的兩側線段比或面積比計算出中心線偏離中心的大小和方向，中心線偏離中心的大 小和方向就是靶標325需水平旋轉的大小和方向，將靶標325需旋轉的大小和方向數據輸 出給數據發送模塊；數據發送模塊23與數據處理模塊22連接，數據發送模塊23將數據處 理模塊22輸出的靶標325需旋轉的大小和方向數據處理結果發送給靶標驅動單元3。數 據發送模塊23可選用采用有線或無線通訊方式，數據發送模塊23可用市場成型產品，本例7中數據發送模塊23采用AT89S5^位單片機，通信接口采用SRMF-1021模塊和75LBC184， SRMF-1021模塊是工作在433MHz下的無線數傳模塊采用FSK調制方式，發射功率IOdBm,接 口速率MOObps，75LBC184通信接口為485總線驅動器，它與無線數傳模塊采用二選一的模 式進行工作，本例中采用無線通訊模式工作。計算機選擇帶有安裝PCI插槽的PC機即可。
如圖4所示靶標驅動單元3的結構，靶標驅動單元3包括控制盒31和隨動體 32兩部分，隨動體32接收控制盒31發來的電機旋轉大小和方向的驅動信號驅動電機帶動 靶標旋轉；控制盒31內包括數據接收模塊311和驅動控制模塊312，隨動體包括電機基座 321、電機322、帶有中心線結構特征3231的靶標承載體323、磁座3M和靶標325。
電機322位于電機基座321和帶有中心線結構特征的靶標承載體323之間，且電 機322與電機基座321固定連接，電機322的旋轉軸與帶有中心線結構特征的靶標承載體 323轉動連接，磁座3M固定在靶標承載體323上，靶標325固定在磁座3M上，所述數據接 收模塊311與驅動控制模塊312連接，數據接收模塊311接收數據采集發送處理單元2以 無線方式發來的靶標325需旋轉的大小和方向信息，將無線信號轉換為有線信號發送給驅 動控制模塊312，驅動控制模塊312將收到的靶標325旋轉大小和方向信息根據電機322的 驅動參數轉換成驅動電機322運轉的脈沖數，控制盒31的驅動控制模塊312與隨動體32 的電機322的驅動線相連，實現對電機322的驅動。控制隨動體32的帶有中心線結構特征 3231的靶標承載體323、磁座3M和靶標325與電機322 —起轉動，由數碼跟蹤測量單元1 拍攝靶標承載體323上的帶有中心線結構特征。
a)數據接收模塊311位于圖4所示控制盒31內，數據接收模塊311與數據采集發 送處理單元2中的數據發送模塊23對應連接，可選有線和無線通訊兩種，在本例中同樣采 用 AT89S52 和 75LBC184 ；
b)驅動控制模塊312和數據接收模塊311共同放在如圖4所示的控制盒31中，驅 動控制模塊312使用兩片htersil公司的HIP4020作為電機驅動芯片；
c)圖4所示隨動體32中的電機322選擇有足夠驅動能力的步進電機，本例中采用 瑞士 ARSAPE公司的AM1020微型步進電機，外徑10mm，軸徑1. 2mm，步進角18度，最大靜轉 矩1. 6mNm，減速箱軸徑2mm。電機體及電機基座321固聯，由加工過程保證電機322的軸心 與電機基座321間安裝精度。電機322的旋轉軸通過定位銷與靶標承載體323固聯，保證 電機322轉動時能帶動靶標承載體323隨轉。
c)靶標承載體323外部通過磁座3M與靶標325固聯，靶標承載體323內部與電 機322的旋轉軸固聯，靶標承載體323表面涂黑，在涂黑表面上有一豎條白色反光線是如圖 5中所示帶有中心線結構特征3231，用于數碼測量圖像分析。
d)靶標325可選為空心角隅棱鏡、實心角隅棱鏡、或360棱鏡等，本例采用空心角 隅棱鏡，磁座3M吸住靶標325，磁座324的定位銷與靶標承載體323固聯。
現將本實施例中實施辦法和部分算法公式闡述如下
平面投影圖像采集平面投影圖像文件以raw格式來寫入數據。Raw格式是一種 最簡單的純數據流格式。直接將平面投影圖像灰度的數據矩陣按照行列順序依次寫入圖形 文件即可。IMPERX相機中C⑶選用CXD光敏陣列芯片的像元深度為10比特，由于數據輸出 時是以整字節輸出的，所以圖形數據矩陣中一個數據元素占兩個字節。CCD輸出的圖形是 1000X1000的矩陣，由程序采得的一幅raw格式的圖片大小約為2M字節。
本例中，采用IMPERX相機配合kowa鏡頭對帶有中心線結構特征3231的靶標承載 體323進行拍攝，通過圖像采集卡將視頻信號進行A/D轉換后，通過數據線傳送到配套PC 機上并儲存起來。
數據處理模塊22對拍攝靶標承載體323帶有中心線結構特征3231的平面投影圖 像進行預處理及邊緣檢測。圖像預處理的主要目的是對拍攝的帶有中心線結構特征3231 的靶標承載體323的平面投影圖像(圖8)進行處理如濾去干擾，噪聲并做幾何校正、色彩 校正，恢復有用的真實信息，增強平面投影圖像中靶標承載體邊緣和靶標承載體結構特征 中心線的可檢測性，從而改進特征抽取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。邊緣檢測在圖像 處理中十分重要，有多種邊緣檢測方法。對于階躍邊緣，邊緣檢測實際上是基于不連續性進 行分割的一種方法，也即檢測變化類型的局部特性，例如，灰度值的突變、顏色的突變、紋理 結構的突變等。現在廣泛應用的邊緣檢測算子主要有Robert^SobeUrewitlCarmyUog 等算子。不同的圖像處理環境應用不同的算子，本例在提取邊緣特征過程中對預處理過的 圖像使用Sobel算子進行邊緣檢測，檢測出了被測量物體明顯的邊緣部分。
靶標325的旋轉量和旋轉方向判定解算算法為所述判斷靶標的旋轉量和旋轉方 向計算是設定中心線結構特征BCGF位于靶標承載體平面投影圖像ADHE中，設中心線結構 特征BCGF與靶標承載體平面投影圖像ADHE左右兩端距離比AB/⑶為k，當k等于1時靶 標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，設當k不等于1時靶標需旋轉一定的角度θ使 靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，正常工作時靶標左右旋轉的角度小于η/2即 θ e (-π/2, Ji/2), θ可由如下式算出
權利要求
1.一種自適應靶標裝置，其特征在于，該裝置包括數碼跟蹤測量單元、數據采集發送處 理單元和靶標驅動單元；數碼跟蹤測量單元和靶標驅動單元分別與數據采集發送處理單元相連接，帶有中心線 結構特征的靶標驅動單元與數碼跟蹤測量單元以遠程拍攝獲取圖像方式建立聯系，數碼跟 蹤測量單元拍攝靶標驅動單元中帶有中心線結構特征的平面投影圖像，并將帶有中心線結 構特征的平面投影圖像發送給數據采集發送處理單元；數據采集發送處理單元接收、存儲 并處理收到帶有中心線結構特征的平面投影圖像，根據中心線結構特征在平面投影圖像中 的位置，判斷出靶標需旋轉量的大小和旋轉方向發送給靶標驅動單元；靶標驅動單元收到 靶標需旋轉大小和方向信息后，控制靶標驅動單元的電機帶動靶標按數據采集發送處理單 元發來的控制指令旋轉，使靶標驅動單元的靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光束。
2.如權利要求1所述的自適應靶標裝置，其特征在于，數碼跟蹤測量單元由數碼測量 單元與全站儀及其測角跟蹤單元組成，全站儀兩側固聯有數碼測量單元和配重，使全站儀 保持平衡旋轉并形成一體結構；數碼測量單元的數碼測量數據輸出線與數據采集發送處理 單元相連；利用全站儀的測角跟蹤系統實現對靶標驅動單元的靶標進行跟蹤，數碼測量單 元用于遠程拍攝靶標驅動單元中帶有中心線結構特征的平面投影圖像。
3.如權利要求1所述的自適應靶標裝置，其特征在于，數據采集發送處理單元包括數 據采集模塊、數據處理模塊和數據發送模塊，其中數據采集模塊接收、存儲數碼跟蹤測量單元發來的靶標承載體帶有中心線的結構特征 的平面投影圖像；數據處理模塊與數據采集模塊連接，數據處理模塊對靶標承載體帶有中心線結構特征 的平面投影圖像數據進行預處理及邊緣檢測，根據中心線結構特征在平面投影圖像中的位 置，并分析帶有中心線結構特征的靶標承載體的平面投影圖像數據，根據以中心線結構特 征為準的兩側線段比或面積比計算出中心線結構特征偏離平面投影圖像中心的大小和方 向，中心線結構特征偏離平面投影圖像中心的大小和方向就是靶標需水平旋轉的大小和方 向，將靶標需旋轉的大小和方向數據輸出給數據發送模塊；數據發送模塊與數據處理模塊連接，數據發送模塊將數據處理模塊輸出的靶標需旋轉 的大小和方向數據發送給靶標驅動單元。
4.如權利要求3所述的自適應靶標裝置，其特征在于，數據處理模塊的圖像預處理是 對拍攝的帶有中心線結構特征靶標承載體的平面投影圖像進行濾去干擾、噪聲并做幾何校 正、色彩校正、恢復有用的真實信息的處理，增強平面投影圖像中靶標承載體邊緣和靶標承 載體中心線結構特征的可檢測性，從而改進特征抽取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。
5.如權利要求1所述的自適應靶標裝置，其特征在于，靶標驅動單元包括控制盒和隨 動體兩部分，控制盒內包括數據接收模塊和驅動控制模塊，隨動體包括電機基座、電機、帶 有中心線結構特征的靶標承載體、磁座和靶標，其中電機位于電機基座和帶有中心線結構特征的靶標承載體之間，且電機與電機基座固定 連接，電機的旋轉軸與帶有中心線結構特征的靶標承載體轉動連接，磁座固定在靶標承載 體上，靶標固定在磁座上；所述數據接收模塊與驅動控制模塊連接，數據接收模塊接收數據 采集發送處理單元以無線方式發來的靶標需旋轉的大小和方向信息，將無線信號轉換為有 線信號發送給驅動控制模塊，驅動控制模塊將收到的靶標旋轉大小和方向信息根據電機的驅動參數轉換成驅動電機運轉的脈沖數，控制盒的驅動控制模塊與隨動體的電機的驅動線 相連，實現對電機的驅動；控制隨動體的帶有中心線結構特征的靶標承載體、磁座和靶標與 電機一起轉動，由數碼跟蹤測量單元拍攝靶標承載體上的帶有中心線結構特征。
6.如權利要求1所述的自適應靶標裝置，其特征在于，所述判斷靶標的旋轉量和旋轉 方向是設定中心線結構特征BCGF位于靶標承載體平面投影圖像ADHE中，設中心線結構 特征BCGF與靶標承載體平面投影圖像ADHE左右兩端距離比AB/⑶為k，當k等于1時靶 標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，設當k不等于1時靶標需旋轉一定的角度θ使 靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，正常工作時靶標左右旋轉的角度小于η/2即 θ e (-π/2, Ji/2), θ可由如下式算出根據設計當靶標偏離大于5度時進行調整，調整線段AB/⑶比值k的大小，使靶標處于 不動狀態、靶標左轉及靶標右轉。
7.如權利要求6所述的自適應靶標裝置，其特征在于，線段AB/⑶=SabfeZScdhg= k，計 算平面投影圖像連通區域面積得到帶有中心線結構特征BCGF左右兩部分的面積比。
8.—種自適應靶標的實現方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟Sl 開始，系統部件安裝與連接；步驟S2 設備啟動并進行初始化，使設備進入穩定運行階段； 步驟S3 數據采集發送處理單元中的數據處理模塊控制系統運行開始和結束； 步驟S4 數碼跟蹤測量單元拍攝靶標驅動單元的帶中心線特征結構的平面投影圖像， 并將該平面投影圖像數據傳送給數據采集發送處理單元；步驟S5 數據采集發送處理單元對數碼測量單元拍攝靶標承載體帶有中心線結構特 征的平面投影圖像數據進行采集、平面投影圖像預處理和平面投影圖像邊緣檢測；步驟S6 用數據采集發送處理單元中數據處理模塊中解算出靶標需旋轉的大小和方 向，數據采集發送處理單元計算帶有中心線結構特征的平面投影圖像的輪廓求中心線左右 兩部分線段比或面積比，計算出靶標應旋轉量的大小和旋轉方向； 步驟S7 判斷解算出靶標的轉角是否大于5度；步驟S8 如轉角小于5度返回步驟S4，如果轉角大于5度則生成控制指令發送給靶標 驅動單元；步驟S9 靶標驅動單元中的控制器根據數據采集發送處理單元發來的控制指令控制 電機旋轉，帶動靶標轉動；步驟SlO 靶標轉動完成后判斷，如收到退出指令則退出，否則再從步驟S4開始循環執 行，使全站儀發出的激光射向靶標的入射角一直保持小于5度。
9.如權利要求8所述的自適應靶標的實現方法，其特征在于，所述判斷靶標的旋轉量 和旋轉方向計算是設定中心線結構特征BCGF位于靶標承載體平面投影圖像ADHE中，設中 心線結構特征BCGF與靶標承載體平面投影圖像ADHE左右兩端距離比AB/⑶為k，當k等 于1時靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，設當k不等于1時靶標需旋轉一定的角 度θ使靶標以最佳角度對準全站儀發來的激光束，正常工作時靶標左右旋轉的角度小于 Ji /2即θ e (- Ji /2，Ji/2), θ可由如下式算出
10.如權利要求9所述的自適應靶標的實現方法，其特征在于，線段AB/⑶=SabfeZScdhg =k，計算平面投影圖像連通區域面積得到帶有中心線結構特征BCGF左右兩部分的面積 比。
全文摘要
本發明是一種自適應靶標裝置及實現方法，數碼跟蹤測量單元和靶標驅動單元與數據采集發送處理單元連接，靶標驅動單元與數碼跟蹤測量單元以遠程拍攝獲取圖像方式建立聯系，數碼跟蹤測量單元拍攝靶標驅動單元中帶有中心線結構特征的平面投影圖像，將帶有中心線結構特征的平面投影圖像發給數據采集發送處理單元；數據采集發送處理單元接收、存儲并處理帶有中心線結構特征的平面投影圖像，根據中心線結構特征在平面投影圖像中的位置，判斷出靶標需旋轉量的大小和方向發給靶標驅動單元；靶標驅動單元收到靶標需旋轉大小和方向后，控制靶標驅動單元的電機帶動靶標按數據采集發送處理單元發來的指令旋轉，使靶標驅動單元靶標對準全站儀發來的激光束。
文檔編號G01B11/00GK102032891SQ20091009376
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者張志偉, 朱麗春, 李作林, 沙毅, 翟學兵, 許貝克 申請人:中國科學院國家天文臺
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