测量机器人动态测量技术及应用研究

图 1 时间比
图 3 测量数据传输时间
图 2 非线性项残存
2. 数据传输时间 动态测量中, 数据传输时间及其稳定性是动态 测量实时性需要考虑的因素。全站仪采用 R232 接 口进行串行异步数据通讯, 测量数据的传输时间与 通讯参数的设置和传输的数据长短相关, 通讯参数 设置为: 9 600, e, 7, 1, 传输的数据 长度为 30 byte。 实验测试结果如图 3 所示: 传输时间约为 30 ms, 变 化一般在 4 ms 内。 3. 单次测量周期和测量时滞 在实验测试中, 通过并联机构 Stew art 数控机 床( 控制精度 1~ 10 m) 控制平台在 z 方向上走正 弦运动轨迹, 采用线尺传感器对运动平台进行接触 测量 ( 采 样 频 率 为 200 kHz, 测 量 精 度 优 于 0. 1 mm) , 同时在控制平台上固定棱镜, 利用全站仪 进行跟踪测量。数据处理中, 以线尺测量结果作为 参考标准, 对两种测量结果进行相关分析, 得出全站 仪动态测量的测量 时滞。图 4 为 T MC- QuickDist 测量指令单次测量周期, 存在较大的跳变, 主要是测
全站仪动态测量中跟踪系统利用 AT R 测量装 置进行识别跟踪, 测量精度除了受本身测量误差影 响外, 还受仪器控制状况、跟踪特点和合作目标运动 状态的影响。分析各种影响测量精度的相关因素, 发现相关规律, 可为优化测量方案, 提高测量精度提 供重要的参考依据。
1. 跟踪方向对测量精度的影响 采用全自动全 站仪 T CRA1102 在信息工 程大 学测绘学院检修中心进行动态跟踪测量实验。跟踪 目标固定在水平导轨或垂直导轨上的小车上, 相对 于观测仪器作径向、横向和垂向运动。在数据处理 中, 目标相对于导轨作直线运动, 利用共线条件作为 测量精度评定的标准。 如表 4 所 示: 径 向 方 向 的 跟 踪 测 量 精 度 为 0. 4 mm ; 横向方向的测量精度为 0. 6 mm; 垂向 方向测量精度 0. 5 mm。径向方向的跟踪测量误 差最小, 这主要是仪器在径向方向跟踪目标时, 仪器 视准轴的转动几乎为零, 对测量的影响最小, 精度相 对较高。
T cra1102 T cra1101plus T ca1800
10
5. 0/ 0. 2
< 30
20
5. 0/ 0. 3
< 30
10
6. 7/ 0. 6
< 30
在实验中, 发现采样频率和测量距离、目标运动 的平稳状态相关。图 6 为 T CA2003 仪器采样频率 与测量距离相关的实验结果, 随着距离的增加, 采样 频率降低。图 7 为 T CRA1101plus 仪器采样频率与 目标运动状态相关的实验结果, 合作目标处于平稳 或静止状态时, 采样频率比较稳定, 合作目标处于不 规则运动状态时, 采样频率提高, 同时, 稳定性变差。
需要指出的是, 以上测试结果主要适用于小于 50 m 尺度、外界环境稳定、低速平稳目标的动态测 量。对于速度较大不规则的运动目标, 以及外界环 境变化较大的高动态测量, 从下面的采样频率分析 中可以看出, 其测量周 期变化较大, 存在不稳 定因 素, 其测量时刻的精确确定, 有待进一步研究。
三、采样频率和测量实时性分析
一、引 言
有着 测量机器人! 之称的全自动全站仪, 目前 的静态测角精度可达到 0. 5∀, 短程静态测距精度 可达到 0. 5 mm 以内, 局部坐标系统的测 量精度 可达到亚毫米级。能对合作目标自动识别、锁定跟 踪, 实现测量的自动化和智能化。目前全站仪应用 研究主要集中在精密工程测量等静态测量领域, 但 它在动态测量领域 有着广泛的潜 在应用前景。为 此, 对测量机器人的动态测量技术进行系统的研究 和应用开发, 对动态测量时刻确定、采样频率和测量 时滞的大小、性质进行了测试分析, 探讨了与测量精 度有关的各种因素, 研制一套测量机器人动态测量 系统, 在 50 m 尺度上, 对 2 cm / s 的运动目标实现了 优于 2 mm的测量精度, 采样频率高于 5 H z。实践 表明, 采用全自动全站仪进行无接触较大尺度精密 动态测量, 在跟踪速度、测量视场、采样频率、测量精 度方面较之其他的测量手段有明显优势。
On Kinetic Measurement Technology of Surveying Robot and Its Application
LU O Y a bo, ZHENG Y ong , XIA Zhi guo, WU Shao bo, ZHU W en bai
摘要: 研究测量机器人动态测量技术。在基于测量机器人软件内核开发的基础上, 提取测量 机器人毫秒级高 精度的内部时 间, 使 时间的分辨率由秒量级提高到毫秒量级; 通过实验测试, 给出单次测 量时间和测量时 滞的定量 结果, 使测 量时刻的 精度由 1 秒 提 高到几十毫秒; 对影响动态测量精度的相关因素进行实验分析, 为优化测量方案和提高动态测量精度提供重 要参考依据。实践 表 明, 基于测量机器人开发的动态测量系统, 在 50 m 尺度上, 对2 cm/ s的低动态目标, 可以实现 2 mm精度的无接触精密动态测量。 关键词: 全站仪; AT R; 合作目标; 测量时滞; FA ST
问题。 全站仪角度测量, 需要度盘进行多次重复测量
达到精测目的; 距离测量, 采用比相方式, 对不同尺 长信号进行切换测量解决模糊度问题, 对精测频率 进行多次重复测量, 提高测距精度; 同时采用了自动 倾斜补偿装置进行倾斜测量。测量时间一般较长, 对于动态实时测量存在滞后问题, 同时由于测量条 件尤其是气象条件、目标的成像状况和运动状态以 及仪器的稳定状况等多种因素的影响, 使得单次测 量周期具有不稳定性, 这些因素成为精确确定动态 测量时刻的瓶颈所在。本文通过实验测试和内核软 件开发的方法, 确定测量时刻, 最大限度地提高动态 测量精度, 为测量机器人动态测量应用潜能提供参 考 依 据, 以 下 实 验 都 是 基 于 测 量 机 器 人 徕 卡 T PS1100 系列仪器测试的。
表 4 TCRA1102 动态目标跟踪测量精度
目标运动 方向
径向 横向 垂向
目标设置速 目标概略距
离散度
样本数
度/ mm/ s
离/ m
/ mm
20
22 26
872 0. 4
10
12
635 0. 6
20
27
310 0. 5
目标 2、目标 3 进行测量, 棱镜之间的两两边长作为 精度评定的标准, 测量误差如表 5 所示, 跟踪目标运 动速度越大, 边长测量误差越大。
测量实时性是动态测量中重要的技术指标, 尤 其是在控制系统中, 需要实时提供控制末端的位置 和姿态, 对测量系统的采样频率和实时反馈提出很 高的要求。测量时滞和采样频率是影响测量实时性 的主要因素。工程实践中, 对全站仪的采样频率进 行了充分的实验测试, 为测量机器人动态测量的实 时性提供了重要的参考依据。
收稿日期: 2005 01 04 基金项目: 中国科学院知识创新工程首批重大项目资助( K JCX1 Y 01) 作者简介: 骆亚波( 1972 ) , 男, 湖南郴州人, 博士生, 主要从事空间大地测量研究。
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量当中需要进行内外光路转换测量造成的。图 5 为 T M C- QuickDist 测量指令的时滞测试结果: 线尺测 量的运动轨迹和并联机构编码器测量的轨迹几乎重 合, 全站仪测量的轨迹存在滞后。
1. 高精度的时间系统 测量机器人本身为用户提供的时间精度为 1 s, 本文通过对测量机器人 T CRA1101plus 的软件内核 的开发, 提取该测量设备高精度的时间, 通过时间比 对, 发现全站仪的时间和计算机内部高精度的时间 ( 计算机内部时间通过 GPS 授时比对, 稳定度高于 0. 1 ms) 存在较大的差异: 如图 1 所示, 两者的单位 时间比为 0. 963 789 153 0; 对 全站仪 时间进 行改 化, 扣除图 1 中的线性部分, 如图 2 所示, 残差变化 一般在 3 ms 内, 在不考虑时间比对实验当中串口 通讯延迟误差的影响, 残差变化会更小。
4. 测量时刻的确定 在实际工程应用中, 可以记录单次测量的结束 时刻或开始时刻, 通过实验测试的时滞结果, 由单次 测量结束时刻推求得测量时刻。如表 2 所示, 测量 时滞一般比测量周期小 10~ 30 ms 之间, 根据两者 的差值, 可由单次测量的开始时刻推求得测量时刻。
表 2 测量周期和测量时滞差值
图 8 垂直角时间序列
2. 跟踪进动对测量精度的影响 观测目标 在距 仪器 27 m 处的垂 直导 轨上 以 2 cm/ s的速度在垂向方向运动。垂直角观测数据的 时间序列如图 8 所示, 分段滤掉垂直角的线性部分, 其非线性残差如图 9 所示: 跟踪目标在望远镜视场 平均每移动 2∃左右测量数据发生一次较大的跳变, 并且与跟踪运动方向反向。实验观察发现, 这与仪 器跟踪中进动现象一致: 基于跟踪效率的考虑, 只有 当合作目标偏离仪器望远镜视 场中心达到某 阈值 ( 厂家不提供该阈值) , 仪器驱动马达跟踪目标, 望远 镜视准轴发生较大进动。在类似实验中, 通过与加 速度计振动测量的结果比较, 该较大跳变为跟踪进 动中引入的误差。剔除该误差数据, 测量目标运动 的线性精度由 1. 3 mm 提高到 0. 8 mm 。 3. 合作目标运动速度对测量精度的影响 实验中, 对 50 m 处运动舱体上固定的目标 1、
实验测试中对不同型号的全站仪进行采样频率 测试, 跟踪目标处于低速平稳运动状态, 测量频率在 5~ 7 H z, 采样频率变化小于 1 H z, 结果如表 3 所示。
图 6 采样频率和测量距离的关系 图 7 采样频率和目标运动状态的关系
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四、影响测量精度的相关因素
二、测量时滞分析及测量时刻的确定
全站仪主要应用于静态测量领域, 通过对合作 目标的水平角、垂直角和距离的测量, 以极坐标的方 式实现对观测目标的定位。其自动识别和动态测量 功能旨在实现测量的自动化和智能化, 不提供原始 观测量对应的测量时刻, 精确确定测量时刻是测量 机器人在动态测量技术及应用研究必须解决的首要
图 4 T M C- QuickDist 测量周期
图 5 几种测量结果的运动轨迹
实验中对不同测量指令, 对观测目标在不同振
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幅和周期的作正弦运动的平台进行测量, 通过相关 分析, 测量时滞结果如表 1 所示。
表 1 时滞测试实验结果
ms
测量指令
运动周 期/ s
振幅 / mm
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文章编号: 0494 0911( 2006) 09 0014 05
中图分类号: P204
2006 年 第 9 期 文献标识码: B
测量机器人动态测量技术及应用研究
骆亚波1, 郑 勇1, 夏治国1, 吴少波2, 朱文白3
( 1. 信息工程大学 测绘学院, 河南 郑州 450052; 2. 清华大学 力学系, 北京 100084; 3. 国家天文台, 北京 100012)
ms
测量指令 T M C- Q uickDist T M C- Polar T MC- Coordinate
测量时滞/ 变化
136/ 15
175/ #
175/ 8
测量周期/ 变化
161/ 13
191/ 4
191/ 4
差值
24
20
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表 3 测量机器人采样频率实验结果
Hz
实验仪器
合作目标运动 测量频率 速度/ mm/ s / 频率变化 测量范围/ m
测量周
时滞均
测量
期/ 平均
值/ 平均
时滞
变化
变化
T M C- Q uick Dis t
T M C- Coor d in at e T M C- Polar
0. 96 2. 4 4 12 12 12 12 12
10 161/ 14 154 10 161/ 12 140 136/ 15 20 160/ 13 134 40 161/ 13 118 40 190/ 4 168 40 190/ 4 174 175/ 8 40 190/ 4 184 40 191/ 4 175 175/ #