测量机器人的ATR测量原理及重复性实验分析
作者：景琦程增杰刘承宇成立辉
来源：《科技创新导报》2012年第35期
摘要：该文简述了Leica公司的新型测量机器人TS30自动目标识别（ATR）功能的原理，设计了一个一般观测条件下的实验，研究ATR测角重复性的情况，并运用数理统计原理加以分析，从而探讨了ATR照准精度可靠性。
关键词：测量机器人 TS30 ATR 测量重复性。
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：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仪，是目前世界上最先进的测量机器人。
如图1所示，作为TCA2003的替代产品，TS30的能耗低，转动噪声较TCA2003减少很多，其标称测角标准差0.5″，自动目标识别模式（ATR模式）的测角标准差1″，ATR 照准精度
200 m内优于1 mm，1000 m优于2 mm，工作范围1.5～1000 m。
测量机器人（Survey robot）是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。
其中，自动目标识别（ATR）功能是测量机器人测量准确性的核心和决定性因素，但ATR测量的重复性如何，ATR测量值是否可靠等类似的问题仍困扰着我们。
该文通过设计一系列实验，运用数理统计原理计算了ATR测量重复性即内符合性，从而评估ATR测量的可靠性。
1 ATR的测量原理
测量机器人采用了自动目标识别技术ATR（automatic target recognition），实现了普通棱镜长距离自动识别与精确照准，其工作原理如图2所示。
ATR部件安装在全站仪的望远镜上，在使用ATR测量时，CCD光源先自主发射一束红外激光，按类似自准直的原理通过光学部件同轴地投影在望远镜视准轴上，由棱镜反射回来。
望远镜里专用分光镜将反射回来的ATR 光束与可见光、测距光束分离出来，引导ATR光束至CCD阵列上，形成光点，由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机的中心作为参考点来精确地确定。
CCD阵列将接收到的光信号，转换成相应的影像，通过图像处理算法，计算出图像的中心，即棱镜的中心。
测量机器人TS30运用ATR功能精密测量的过程就是“粗瞄—搜索—锁定—照准—测量”的过程。
即先手动对目标棱镜粗略瞄准，然后开启测量功能，ATR自动搜索自定义窗口内（这个自定义窗口大小可以通过仪器设置选项的ATR窗口设置来自定义，在TS30中，窗口大小默认为水平方向搜索4 °，垂直方向搜索4 °。
自定义的窗口范围越大，则搜索时间越长。
）的目标棱镜，如果它探测不到棱镜，它将从头开始搜索过程，即望远镜进行螺旋式的连续运动。
一旦探测到棱镜，望远镜马上停止运动，马达驱使望远镜去接近棱镜的中心，计算出十字丝中心与返回图像中心的偏移值，给出改正后的水平和垂直角度读数，得出测量值。
由于望远镜筒的位置随机，ATR完成每次测量都需要重新搜索棱镜，所走过的路径都不甚相同，得出的测量值有所不同就不足为奇，但测量结果到底有多大偏差，最值什么时候出现，是个需要深入研究的问题。
该文将就这个问题进行探讨。
2 一般观测条件下ATR的内符合实验设计
内符合性，即测量重复性，是指在相同条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。
本次实验主要分析平距、水平角、垂直角三个被测量测量值的平均值、标准偏差、极值（最大值、最小值）以及测量值之间的最大互差。
由于ATR的照准精度与外部测量环境有很大关系，故实验分为室内和野外两部分分别进行。
2.1 室内短基线测量
ATR观测精度受温度、气压和大气湍流等外界因素影响较为明显，为避免其影响，首先先在室内无气流变化、恒温恒压的短基线（约24 m）上测量。
2.1.1 具体操作：在23 m 距离处安置单棱镜，粗略瞄准之后，开启ATR自动搜索。
TS30 全站仪自动搜索并精确瞄准，记录下水平角、垂直角读数和平距值。
由于TS30的ATR精确搜索范围是1°25′，为检测ATR性能并探测最值，保持棱镜不动，微调望远镜筒向上偏离棱镜中心1°25′左右，再进行测量，记下测量值，再微调望远镜筒向下、左、右偏离棱镜中心各1°25′左右，分别记下各情况下的测量值。
每台仪器做盘左盘右10个测回，算出各测量值的均值和标准偏差，换仪器进行上述实验。
2.1.2 计算方法：均值：，其中，取n=10；
标准偏差：，其中，取n=10。
为计算方便，第一次观测值均置零，使水平角均在零附近测量，测得的数据经计算得表1（为叙述方便，表中忽略度和分的部分，只考虑秒的部分，这不会影响分析的结果，垂直角部分未列出，计算和分析方法同理）：
可以看出，十次测回中，盘左观测的水平角标准偏差最大为0.57″，不同偏离方向间的最大互差为0.8″；盘右观测的水平角标准偏差最大为0.55″，不同偏离方向间的最大互差为
3.5″；盘左盘右观测的平距标准偏差最大均为0.1 mm，不同偏离方向间的最大互差均为0.1 mm。
通过对水平角和平距不同测回的测量结果的分析，可看出各仪器在室内短基线（约24 m）范围内，ATR测距值的内符合精度非常高，且盘左盘右无差别；测水平角的内符合精度较高，盘左盘右略有差距，但总体上来说ATR测量重复性很好，ATR照准可靠性很高。
同样分析垂直角可知（垂直角表在此省略），各仪器在室内短基线（约24 m）范围内，ATR测垂直角的内符合精度也非常高，ATR测量重复性很好，ATR照准可靠性
很高。
2.2 野外长基线测量
选择地形开阔、通视良好的海河比长基线场作为野外实验场地，选定5、6、8、10号（距离分别为：71.9980 m、
168.0034 m、479.9944 m、1085.9979 m）强制对中观测墩作为镜站观测点，消除了仪器及棱镜对中误差的影响。
重复室内实验过程，计算仪器在各段距离上的平距、水平角值和垂直角值的平均值、标准偏差、极值（最大值、最小值）以及最大互差。
表2列出了在不同测量距离上各台仪器盘左测量的水平角重复性比较数据（盘右同理）。
表中每台仪器的数据是在表1的基础上做了十个测回的平均值。
通过比较可知，水平角的偏差在71.9880 m和168.0034 m距离上的比较稳定，标准偏差都控制在1以下，而在479.9944 m距离上和1085.9979 m距离上标准偏差值有增大趋势，说明测量结果离散性渐大，也就是说ATR 测量的重复性变差。
结合垂直角数据分析，可知垂直角与水平角的测量重复性的变化趋势一致。
对于距离测量，ATR在这四个距离上测量的标准偏差都很小，均小于0.2 mm，测量重复性非常好。
3 结语
（1）ATR测量重复性受温度、气压、大气湍流等因素的影响，室内测量数据稳定性更好。
（2）盘左和盘右对ATR测量重复性影响不大，基本可以忽略。
（3）观测距离越长，ATR测量重复性越低，其中对于TS30来说，200 m之内，ATR测量重复性很高，超出200 m，测量值逐渐离散，超过1000 m，测量值重复性大幅降低。
这也正好跟前面提到的TS30“ATR照准精度200 m内优于1 mm，1000 m优于2 mm，工作范围1.5 m～1000 m”相符合。
说明ATR测量重复性与ATR测量精度也有一定的关系。
而1085.9979 m 超出了ATR的标称工作范围，重复性的变化不予
考虑。
（4）ATR测距的重复性远远大于测角重复性，在1000 m内，没有明显波动，几乎不受观测距离的影响。
（5）总体来说对于测量机器人TS30来说，ATR测量既缩短了工作时间，又降低了劳动强度，并且测量的重复性很高。
由于实际测量中很少会超过200 m测程，故TS30的ATR测量可靠性很高，“全世界最先进的测量机器人”称号当之
无愧。
参考文献
[1] 徕卡测量系统有限公司.Leica TS30/TM30 用户手册.
[2] 朱顺平，薛英.ATR的工作原理、校准及检测[J].北京测绘，2005（3）．
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