跟蹤測量機器人的制作方法
【專利摘要】一種跟蹤測量機器人，包括遙感遙測系統、三維姿態系統和中央控制與定位通信系統，所述遙感遙測系統包括測距單元(1)、紅外激光光源(2)、搜索成像單元(3)、圖像處理單元(4)、天文望遠鏡成像單元(5)和光敏電阻(6)；所述三維姿態系統包括仰俯姿態單元(7)、橫軸(10)、水平姿態單元(8)、航向姿態單元(9)和豎軸(11)；所述中央控制與定位通信系統包括中央處理器(12)、人機交互單元(13)、存儲單元(14)、全球定位單元(15)、通信單元(16)、圖像識別單元(17)、電源單元(18)。本發明適用于地面測站對地面目標和近距離空中目標的測量，可應用于攝影測量、大地測量。
【專利說明】跟蹤測量機器人
【技術領域】
[0001]本發明屬于地理信息【技術領域】的延伸應用范疇，特別是涉及一種跟蹤測量機器人。
【背景技術】
[0002]地理信息產業有成千上萬的應用，源于4個核心需求:獲取目標物的三維大地坐標；獲取三維大地坐標下的地形圖；獲取三維大地坐標下的物方三維影像；獲取大地坐標系下基于三維影像的三維導航圖。
[0003]地理信息【技術領域】的延伸應用中，跟蹤測量是重要一枝。
[0004]一、地理信息產業技術現狀
[0005]多組人員使用種類繁多的多組儀器設備以不同方式分段獲取上述某一核心需求，形成各種應用。
[0006]目前市場上有4類用于野外測繪的相關產品:常規測繪儀器、“精密測量機器人”、用于近景道路攝影測量數據采集的設備集成系統、三維激光掃描儀。
[0007]1、常規測繪儀器:
[0008]如測距儀、水準儀、平板儀、傾斜儀、沉降儀、經緯儀、全站儀(測距儀+經緯儀)、GPS定位儀以及配套使用的數傳電臺/GPRS/3G通信設備、超站儀(全站儀+GPS定位儀)等。全球、我國均有多家公司生產銷售。常規測繪儀器均無攝影測量功能。常規測繪儀器存在的局限是:
[0009]I)傳統設備:測距儀、水準儀、平板儀、傾斜儀、沉降儀、經緯儀、標桿、棱鏡等傳統設備均屬單一功能儀器，通過測角、測高、測距、測水準等手段的綜合使用來獲取測站與被測目標之間在自定義坐標下的的相對關系數據。傳統設備依靠人工操作，人為誤差和分段引入大地坐標的誤差均大且無有效的誤差改正方法。傳統設備效率很低，獲取一個低精度的物方三維大地坐標常常需要一隊專業技術人員工作很長時間。大量耗費人力和時間，實際工作成本高。
[0010]2) GPS定位儀:須將儀器架設在被測目標上觀測，這首先需要被測目標具有架設儀器的條件，在此前提下還需投入較大的人力、物力和較長的時間，而需要測量的目標點常常并不具備架設儀器的條件。
[0011]3)全站儀:只能在自定義坐標系內測角和測距；完全依靠人工操作，人為誤差較大且無有效的誤差改正方法；測量物方三維坐標時需要同時具備兩個以上的已知控制點；確定正北方向須借助GPS定位儀并購買當地GPS控制網(如果當地存在這樣的網)數據，或借助陀螺儀；引入大地坐標須借助GPS定位儀。
[0012]4)超站儀:除測角、測距之外還能夠測定自身的三維大地坐標(日本拓撲康超站儀單價60萬元人民幣)。超站儀存在與全站儀類似的問題。
[0013]2、“精密測量機器人”(全站儀+伺服系統，無攝影功能):
[0014]“精密測量機器人”是新型全站儀，與常規全站儀的唯一區別是具有“ATR功能(棱鏡瞄準功能)”:人工瞄準棱鏡目標后，按照常規全站儀方法獲取并存儲這些棱鏡在自定義坐標下的三維坐標數據和自身的姿態數據。啟動伺服系統后，機器參照上次測量獲取的坐標數據和姿態數據重新自動瞄準棱鏡并再次獲取自定義坐標下的三維坐標數據，據此擴展出一個以棱鏡為觀測目標的可用于形變監測的功能。
[0015]精密測量機器人是瑞士徠卡公司的獨家產品，其航向角和仰俯角的測量精度達到
0.5角秒，代表了全站儀的當今全球最高水平；價格適中:當需要掃描的棱鏡個數小于10時，單臺售價45萬元人民幣；棱鏡個數大于10時另作系統方案，按系統方案另外加價。
[0016]精密測量機器人無攝影功能且存在與全站儀類似的局限。
[0017]3、用于道路攝影測量數據采集的設備集成系統:
[0018]目前市場上的道路攝影測量數據采集系統均為設備集成系統。美國谷歌、日本拓撲康的車載道路攝影測量系統是代表。其硬件特征是將位置測量設備(GPS)、姿態測量設備、定位補償設備(INS或航位推算系統)、視頻設備(CCD系統)、激光測距掃描儀、車載計算機系統設備連接在一起，安裝在汽車上，在車輛的行進之中采集道路及道路兩旁地物的空間位置數據和屬性數據，如:道路中心線或邊線位置坐標、目標地物的位置坐標、路(車道)寬、橋(隧道)高、交通標志、道路設施等。數據同步存儲在車載計算機系統中；軟件特征是基于GPS、RS、GIS、數據的3S集成，將外業采集回來的數據進行事后編輯處理，形成各種有用的專題數據成果，如導航電子地圖等等。它的顯著特點是:a.針對道路及臨近兩側的獨立的測成圖系統。無需借助任何底圖，即可獨立完成路網圖測量。在作業流程上形成了攝影測量的閉環控制，空間坐標數據與包含豐富屬性信息的道路及臨近兩側之立體影像同時獲得，外業與內業緊密銜接，避免了人工方式下的人為誤差；b.針對道路的實景三維可視化的數據成果。它以面狀的方式快速采集道路及道路臨近周邊的地理空間數據，其數據成果是連續拍攝的實景可量測影像；c.道路及道路臨近周邊信息與衛片/航片無縫鏈接，形成針對道路及臨近周邊地物的“天地一體化”新一代地理信息系統。
[0019]存在的局限是:
[0020]I)工作范圍限于道路，無法進行野外作業:移動道路測量系統(道路攝影測量數據采集系統)是將GPS (全球定位系統)、姿態測量系統、CCD (視頻系統)、INS (慣性導航系統或航位推算系統)、三維激光掃描系統、車載計算機系統等先進的傳感器和設備裝配在汽車上，這就意味著它只能用于道路及其臨近兩側的攝影測量，無法進行野外環境的攝影測量。
[0021]2)近景:不帶望遠鏡，廣角攝影。能夠對道路兩側200m內的景物進行近景攝影測量數據采集。物方三維大地坐標的解算精度為I米左右。
[0022]3)移動與操作:組成系統的各設備體積大、重量大，系統結構松散，須固定于汽車等大型載體上，多人操作。
[0023]4)外業數據采集內業事后處理的工作方式導致重復性外業勞動不可避免。
[0024]5)需要道路沿途有GPS控制網的支持。
[0025]6)價格昂貴:移動道路測量系統的全部組件均系外購，這些高端設備的昂貴價格使得“移動道路測量系統”的成本居高不下，無激光測距掃描儀的移動道路測量系統(無測距功能的數據采集系統)產品的價格為400萬元人民幣/套；有激光掃描測距設備的國外產品價格高于600萬元人民幣/套。[0026]4、三維激光掃描儀
[0027]三維激光掃描儀可在自定義坐標下提供近景三維影像:用高速激光掃描測距方式獲得大量的目標點距離數據并同步記錄計算測距姿態數據，計算得到目標點三維坐標；用數碼相機攝取目標景物影像；將兩者疊加，獲得三維影像。
[0028]三維激光掃描儀可廣泛應用于室內燈光環境和室外晴朗天氣的白晝環境下的近景目標。美國、日本、中國均有數家公司生產銷售。瑞典Rigle公司的野外三維激光掃描儀處于國際領先地位:好天氣、良好能見度條件下測距可達2公里。
[0029]三維激光掃描儀單臺售價為60萬元人民幣一600萬元人民幣不等。
[0030]二、地理信息【技術領域】的跟蹤測量延伸應用
[0031]跟蹤測量技術分為靜態目標跟蹤測量和動態目標跟蹤測量兩類。
[0032]1、靜態目標跟蹤測量
[0033]靜態目標跟蹤測量技術用于對靜態地物近距離高精度的形變監測。目前的靜態目標跟蹤測量設備是加裝了伺服系統的全站儀。市面產品目前只能實現對棱鏡的跟蹤測量。如前所述之瑞士徠卡公司生產的精密測量機器人即屬此類。
[0034]2、動態目標跟蹤測量
[0035]用于動態目標跟蹤測量的設備是較為龐大復雜的設備系統。例如雷達系統、反導系統。迄今未見便攜式野外設備。
[0036]雷達探測技術是最早發展起來的動態目標跟蹤測量技術，得到極為廣泛的應用，早已成為動態目標跟蹤測量技術的主干。雷達設備系統由發射機、接收機和終端機構成，有固定地面站、車載站、機載站、船載站方式。利用雷達探測技術的地對空、空對地、地對地探測得到長足發展，三坐標雷達、高分辨力雷達、相控陣雷達、可獲得干涉影像的空對地成像雷達SAR及ISAR等技術均已成熟并得到廣泛應用。毫米波雷達、激光雷達技術亦可望在不久的將來進入實用階段。
[0037]反導系統的跟蹤測量系統比單一的雷達設備系統更為龐大復雜，是雷達、紅外和其它遙感技術的結合。如最先進的陸基中段防御系統的跟蹤測量部分由改進型預警雷達、X波段雷達、天基紅外系統、信息管理系統等設備系統構成。

【發明內容】

[0038]本發明提供一種用于跟蹤測量的便攜式野外設備，目的有七:
[0039]一是提供一種適合單人使用的激光測距型多用途便攜式野外跟蹤測量設備，填補空白；
[0040]二是用基于底層結構的多系統一體化方法和機器自主測量方法，將地理信息產業的核心需求(基于實景影像的目標點三維大地坐標、基于實景影像的三維大地坐標下的地形圖、基于實景影像的大地坐標系下的物方三維影像)和相關應用融為一體，同步解決；
[0041]三是用基于底層結構的多系統一體化產生的涌現性和機器自主測量方法獲得高精度；
[0042]四是利用基于底層結構的多系統一體化產生的涌現性擴展出全新應用，一機功能覆蓋多種類地理信息產業應用及其外延應用；
[0043]五是用基于底層結構的多系統一體化方法獲得低成本、高性價比的產品；[0044]六是用機器自主測量的新方法改變傳統工作方式，極大幅度地減少人工介入、簡化工作流程、降低勞動強度和操作難度、降低工作成本、提高工作效率。
[0045]七是為微波測距設備、雷達設備提供一種光學附件。
[0046]本發明提供的一種跟蹤測量機器人，包括遙感遙測系統、三維姿態系統和中央控制與定位通信系統，
[0047]所述遙感遙測系統包括測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4、天文望遠鏡成像單元5和光敏電阻6 ；
[0048]所述三維姿態系統包括仰俯姿態單元7、橫軸10、水平姿態單元8、航向姿態單元9和豎軸11;橫軸10的中軸線與豎軸11的中軸線相互正交且交于空間點0，橫軸10的中軸線與豎軸11的中軸線所構成的平面垂直于跟蹤測量機器人的底座平面；測距單元I的光軸、紅外激光光源2的光軸、搜索成像單元3的光軸、天文望遠鏡成像單元5的光軸標定在同一軸線L上，稱為四光同軸；軸線L過空間點O與橫軸10的中軸線正交；
[0049]所述中央控制與定位通信系統包括中央處理器12、人機交互單元13、存儲單元
14、全球定位單元15、通信單元16、圖像識別單元17、電源單元18，中央處理器12與測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4、天文望遠鏡成像單元5和光敏電阻
6、仰俯姿態單元7、水平姿態單元8、航向姿態單元9、人機交互單元13、存儲單元14、全球定位單元15、通信單元16、圖像識別單元17、電源單元18分別連接。
[0050]而且，所述三維姿態系統中，
[0051]所述仰俯姿態單元7包括第一離合器7.1、第一同步帶放大器7.2、第一編碼器
7.3、第一蝸輪7.4、第一同步帶輪7.5、第一蝸桿7.6、第一彈性機構7.7、第二蝸輪7.8、第二彈性機構7.9、第二蝸桿7.10和第一電機與驅動7.11，第一電機與驅動7.11連接第二蝸桿7.10，第二蝸輪7.8和第二蝸桿7.10經第二彈性機構7.9嚙合，第二蝸輪7.8和第一蝸桿7.6經第一彈性機構7.7嚙合，第一蝸輪7.4和第一蝸桿7.6之間經第一同步帶輪7.5傳動，第一蝸輪7.4和第一編碼器7.3之間經第一同步帶放大器7.2傳動，第一蝸輪7.4連接第一離合器7.1,第一離合器7.1閉合時連接橫軸10,中央處理器12和第一離合器7.1、第一同步帶放大器7.2、第一編碼器7.3、第一電機與驅動7.11分別連接；
[0052]設第一同步帶放大器7.2的傳動比為1:H，中央處理器12經第一電機與驅動7.11的輸出在傳動后在第一蝸輪7.4產生仰俯運動結果，仰俯運動結果由第一同步帶放大器7.2放大H倍，放大結果傳遞給第一編碼器7.3并經由第一編碼器7.3轉換為數字信號上傳給中央處理器12，中央處理器12將所得數據除以H倍后得到橫軸10真實的位置到達數據；
[0053]所述航向姿態單元9包括第二離合器9.1、第二同步帶放大器9.2、第二編碼器9.3、第三蝸輪9.4、第二同步帶輪9.5、第三蝸桿9.6、第三彈性機構9.7、第四蝸輪9.8、第四彈性機構9.9、第四蝸桿9.10、第二電機與驅動9.11，第二電機與驅動9.11連接第四蝸桿9.10，第四蝸輪9.8和第四蝸桿9.10經第四彈性機構9.9嚙合，第四蝸輪9.8和第三蝸桿9.6經第三彈性機構9.7嚙合，第三蝸輪9.4和第三蝸桿9.6之間經第二同步帶輪9.5傳動，第三蝸輪9.4和第二編碼器9.3之間經第二同步帶放大器9.2傳動，第三蝸輪9.4連接第二離合器9.1，第二離合器9.1閉合時連接豎軸11，中央處理器12和第二離合器9.1、第二同步帶放大器9.2、第二編碼器9.3、第二電機與驅動9.11分別連接；[0054]設第二同步帶放大器9.2的傳動比為1:Z，中央處理器12經第二電機與驅動9.11的輸出在傳動后在第三蝸輪9.4產生仰俯運動結果，仰俯運動結果由第二同步帶放大器9.2放大Z倍，放大結果傳遞給第二編碼器9.3并經由第二編碼器9.3轉換為數字信號上傳給中央處理器12，中央處理器12將所得數據除以Z倍后得到豎軸11真實的位置到達數據。
[0055]而且，所述紅外激光光源2包括紅外激光鏡頭2.1、紅外激光調焦鏡2.2、紅外激光發生器2.3、泵浦電源2.4、第一電機2.5、第一驅動電路2.6和第三編碼器2.7，紅外激光鏡頭2.1、紅外激光調焦鏡2.2、紅外激光發生器2.3、泵浦電源2.4依次連接，第一電機2.5與紅外激光調焦鏡2.2、第一驅動電路2.6、第三編碼器2.7分別連接，中央處理器12和泵浦電源2.4、第一驅動電路2.6、第三編碼器2.7分別連接；所述天文望遠鏡成像單元5包括第三電機5.1、第三驅動電路5.2、第五蝸輪5.3、第五蝸桿5.4、第五編碼器5.5、第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8和第二雙濾光片結構CXD模塊5.9，第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8和第二雙濾光片結構CXD模塊5.9依次連接，第三驅動電路5.2、第三電機5.1、第五蝸桿5.4、第五編碼器5.5依次連接，第五蝸桿5.4與第五蝸輪5.3嚙合，第五蝸輪5.3連接第二調焦鏡5.7，中央處理器12和第三驅動電路5.2、第五編碼器5.5、第二雙濾光片結構CXD模塊5.9分別連接。
[0056]而且，所述搜索成像單元3包括第二電機3.1、第二驅動電路3.2、第六蝸輪3.3、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5、第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構C⑶模塊3.10、第七蝸輪3.11、第七蝸桿3.12、第六編碼器3.13、第四電機3.14和第四驅動電路3.15,第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構CXD模塊3.10依次連接，第二驅動電路3.2、第二電機3.1、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5依次連接,第六蝸桿3.4與第六蝸輪3.3嚙合,第六蝸輪3.3連接第一調焦鏡3.8，第四驅動電路3.15、第四電機3.14、第七蝸桿3.12、第六編碼器3.13依次連接，第七蝸桿3.12與第七蝸輪3.11嚙合，第七蝸輪3.11連接變焦鏡組3.7，中央處理器12和第二驅動電路3.2、第四編碼器3.5、第六編碼器3.13、第四驅動電路3.15、第一雙濾光片結構CCD模塊3.10分別連接。
[0057]而且，基于光敏電阻6進行自主成像過程，包括根據白光光通量，光敏電阻6發出信號控制中央處理器12關閉或打開泵浦電源2.4，對應白光光源或紅外激光光源；搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5分別與圖像處理單元4連接，成像結果由圖像處理單元4判斷圖像清晰度，在白光光源下的成像結果達不到清晰度要求時，中央處理器12打開泵浦電源2.4提供紅外激光光源。
[0058]而且，所述自主成像過程的工作步驟如下，
[0059]步驟1，進行成像光源初始選擇，實現如下，
[0060]在白光光通量足以使第二雙濾光片結構CXD模塊5.9白光成像時，光敏電阻6的信號口處于閉合狀態，中央處理器12關閉泵浦電源2.4，進入步驟2 ；白光光通量不足以第二雙濾光片結構CCD模塊5.9白光成像時,光敏電阻6的信號口處于常開狀態,中央處理器12開啟泵浦電源2.4，紅外激光光源2照射目標，搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5接受自目標返回的紅外激光，進入步驟4 ;
[0061]步驟2，白光光源下，對良好能見度及霧霾環境的自適應和成像光源的自主選擇，實現如下，
[0062]中央處理器12讀取變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8的調焦標定值驅動第二電機3.1和第三電機5.1依次到達各相應標定位置，在每個相應標定位置，白光信號經由搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5轉換為數字信號后到達圖像處理單元4，圖像處理單元4獲取圖像值并比較，記錄使圖像值最大的第二電機3.1位置為使來自搜索成像單元3的圖像最清晰處，記錄使圖像值最大的第三電機5.1位置為使來自天文望遠鏡成像單元5的圖像最清晰處；
[0063]中央處理器12對目標景物的所有圖像值進行分析處理，
[0064]若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值大于預設正實數Q1，則判定測站處于良好能見度環境，進入步驟3;
[0065]若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于預設正實數Ql大于預設正實數Q2，則判定測站處于中度或輕度霧霾環境，進入步驟4 ；
[0066]若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于預設正實數Q2，則判定測站處于重度霧霾環境，中央處理器12報警，停止流程；
[0067]其中，預設正實數Ql大于預設正實數Q2 ；
[0068]步驟3，基于白光光源，在自動調焦后進行自動成像，
[0069]針對搜索成像單元3的實現如下，
[0070]自動調焦時，中央處理器12向第二驅動電路3.2發出指令，使第二電機3.1、第六蝸桿3.4轉動，第四編碼器3.5實時記錄第六蝸桿3.4的運動狀態同步反饋給中央處理器12，中央處理器12算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第六蝸桿3.4轉動到設定的位置并通過第六蝸輪3.3完成對第一調焦鏡3.8的焦距調整；
[0071]自動成像時，白光信號經過第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8和第一成像鏡組3.9到達第一雙濾光片結構CXD模塊3.10，第一雙濾光片結構CXD模塊3.10將白光信號轉換成數字信號后傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4得到清晰的景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于白光光源的自動成像任務，結束流程；
[0072]針對天文望遠鏡成像單元5的實現如下，
[0073]自動調焦時，中央處理器12向第三驅動電路5.2發出指令，使第三電機5.1、第五蝸桿5.4轉動，第五編碼器5.5實時記錄第五蝸桿5.4的運動狀態同步反饋給中央處理器12，中央處理器12算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第五蝸桿5.4轉動到設定的位置并通過第五蝸輪5.3完成對第二調焦鏡5.7的焦距調整；
[0074]自動成像時，白光信號經過第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7和第二成像鏡組5.8到達第二雙濾光片結構CCD模塊5.9，第二雙濾光片結構CCD模塊5.9將白光信號轉換成數字信號后傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4得到清晰的景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于白光光源的自動成像任務，結束流程；
[0075]步驟4，基于紅外激光光源，在紅外激光照射范圍準確覆蓋成像單元3的視場后進行自動成像，
[0076]針對搜索成像單元3的實現如下，
[0077]首先，中央處理器12同時完成兩項工作，一是開啟第四驅動電路3.15，使第四電機3.14帶動第七蝸桿3.12運動到Pi位置，第七蝸桿3.12帶動渦輪3.11使變焦鏡組3.7將搜索成像單元3的視場調整到執行第i類任務所需的大小，第六編碼器3.13將第七蝸桿3.12的實際到達位置上傳給中央處理器12 ;二是向第一驅動電路2.6發出指令使第一電機
2.5帶動紅外激光調焦鏡2.2運動到Qi位置，使紅外激光光源2的照射范圍正好覆蓋搜索成像單元3的視場；其中，標定常數Pi是搜索成像單元3執行第i類任務時的視場，稱為Pi成像視場i=l，2，3，.....J，J為總類數，標定常數Qi是與Pi —一對應的紅外激光聚焦值，紅外激光調焦鏡2.2處于Qi位置時紅外激光照射范圍與Pi成像視場重合，Pi被標定后，Qi根據Pi標定；
[0078]然后，從目標景物返回的紅外激光信號通過第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9到達第一雙濾光片結構CXD模塊3.10，第一雙濾光片結構CXD模塊3.10將紅外激光信號轉換成數字信號后傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于紅外激光光源的自動成像任務；
[0079]針對天文望遠鏡成像單元5的實現如下，
[0080]首先，中央處理器12向第一驅動電路2.6發出指令使第一電機2.5帶動紅外激光調焦鏡2.2運動到位置V。，紅外激光光源2的照射范圍正好覆蓋天文望遠鏡成像單元5的視場；
[0081]其中，V。是標定常數，按天文望遠鏡成像單元5的視場角U。標定紅外激光光源2的相應常數V。；
[0082]然后，從目標景物返回的紅外激光信號通過第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8到達第二雙濾光片結構CXD模塊5.9。第二雙濾光片結構CXD模塊5.9將紅外激光信號轉換成數字信號并將數字信號后傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于紅外激光光源的自動成像任務。
[0083]而且，在天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，進行基于物方遙感影像的目標點三維大地坐標遙測，步驟如下，
[0084]I)精準確定測量目標，實現如下，
[0085]當用戶通過在人機交互單元13的觸摸屏在搜索成像單元3獲取的大視場實景影像中點擊選取的目標點時，中央處理器12以目標點為新的分劃中心，向仰俯姿態單元7和航向姿態單元9發出運動指令，將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L指向目標點；天文望遠鏡成像單元5獲取影像；中央處理器12在天文望遠鏡成像單元5獲取的高倍光學放大后的目標點實景影像上進行數碼變焦再放大，獲得光學和數碼兩級放大后的目標點清晰影像；
[0086]2)精確瞄準測量目標，實現如下，
[0087]當用戶通過在人機交互單元13的觸摸屏在光學和數碼兩級放大后的目標點清晰影像中點擊選定的測量目標時，中央處理器12以測量目標為新的分劃中心，根據測量目標位置向仰俯姿態單元7和航向姿態單元9發出運動指令，將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L指向測量目標，完成對測量目標的精確瞄準；
[0088]3)對測量目標三維大地坐標的遙測，實現如下，
[0089]中央處理器12根據測站常量數據及仰俯姿態單元7和航向姿態單元9提供的瞄準測量目標的仰俯、航向姿態數據，測距單元I提供的測站至測量目標的距離數據計算得到測量目標的三維大地坐標。[0090]而且，基于實時三維大地坐標和實時視頻，斷開第一離合器7.1、第二離合器9.1，對任意移動目標進行半自動跟蹤測量；或者閉合第一離合器7.1、第二離合器9.1，對特定移動目標進行自動跟蹤測量。
[0091 ] 而且，基于實時三維大地坐標和實時視頻，對任意移動目標的半自動跟蹤測量的步驟如下，
[0092]I)進入半自動跟蹤測量工作模式，實現方式如下，
[0093]基于自動成像方法連續獲取目標影像，在人機交互單元13的觸摸屏上連續播放，斷開第一離合器7.1、第二離合器9.1，進入支持手動操控的半自動跟蹤測量工作模式，開啟測距單元I ;
[0094]2)實時跟蹤測量，實現方式如下，
[0095]當用戶以目視人機交互單元13的觸摸屏、手動調整航向角和仰俯角的方式跟蹤移動目標時，航向姿態單元9和仰俯姿態單元7同步向中央處理器12提供瞄準移動目標的實時姿態數據；測距單元I連續自動測距，同步向中央處理器12提供測站與移動目標之間的實時距離；中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據解算出移動目標的實時三維大地坐標；
[0096]3)同步數據傳輸，由中央處理器12通過通信單元16遠程傳輸移動目標的實時視頻和實時三維大地坐標。
[0097]而且，基于實時三維大地坐標和實時視頻，對特定移動目標的全自動跟蹤測量的步驟如下，
[0098]I)搜索成像單元3循環掃描搜索范圍，實現方式如下，
[0099]輸入搜索范圍后，中央處理器12協調相關工作單元同步工作，包括取與掃描搜索任務對應的變倍參數Pi，通過變焦鏡組3.7將搜索成像單元3的放大倍數固定在Pi位置；閉合第一離合器7.1、第二離合器9.1，仰俯姿態單元7和航向姿態單元9帶動測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5連續運動，循環覆蓋搜索范圍；根據自動成像過程，在搜索范圍內連續獲取野外實景影像；
[0100]2)獲取目標搜索數據，實現方式如下，
[0101]搜索成像單元3提供以搜索范圍為界的全局影像數據，天文望遠鏡成像單元5提供全局影像中每幅以其視場為界的單幅影像的分劃中心附近的局部影像詳細數據；
[0102]3)獲取待識別目標影像，實現方式如下，
[0103]圖像識別單元17比對搜索成像單元3提供的全局影像數據，得到待識別目標，中央處理器12根據待識別目標在全局影像中的位置向仰俯姿態單元7和航向姿態單元9發出運動指令，將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L瞄準待識別目標，天文望遠鏡成像單元5獲取待識別目標影像；
[0104]4)目標識別，包括由圖像識別單元17比對天文望遠鏡成像單元5提供的待識別目標影像數據和特定目標的詳細特征數據，識別瞄準對象；
[0105]5)跟蹤瞄準，實現方式如下，
[0106]中央處理器12以圖像識別單元17提供的瞄準對象為跟蹤瞄準對象，指令仰俯姿態單元7和航向姿態單元9帶動紅外激光光源2、搜索成像單元3和天文望遠鏡成像單元5連續運動，使跟蹤瞄準對象的影像始終保持在野外實景影像中的分劃中心位置；仰俯姿態單元7和航向姿態單元9同步向中央處理器12反饋姿態數據；
[0107]同時，搜索成像單元3以向中央處理器12提供包括特定目標方位、環境在內的周邊影像數據；天文望遠鏡成像單元5向中央處理器12提供特定目標的詳細影像數據；
[0108]6)跟蹤測距，包括由測距單元I對軸線L瞄準的目標連續測距并同步向中央處理器12提供距離數據；
[0109]7)跟蹤測量，包括由中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據解算出運動中的特定目標的實時三維大地坐標；
[0110]8)航跡推算與再搜索，實現方式如下，
[0111]包括在設定的時間段內，中央處理器12按特定目標在所保存每一時刻的三維大地坐標數據和周邊影像數據，得到航跡推算函數；若搜索成像單元3在跟蹤特定目標的過程中失鎖，則中央處理器12根據航跡推算函數推算其下一時間可能出現的空間位置，據此劃定目標再搜索范圍并循環搜索，通過仰俯姿態單元7和航向姿態單元9使軸線L逐次瞄準這些空間位置，等待特定目標的再次出現；
[0112]9)同步數據傳輸,實現方式如下，
[0113]中央處理器12通過通信單元16遠程傳輸特定目標的實時影像和實時三維大地坐標。
[0114]而且，在天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，進行全天候自動生成基于野外實景影像的地形圖，步驟如下，
[0115]I)在單幅野外實景影像中確定第一個起始點，實現方式如下，
[0116]中央處理器12通過當前攝取的野外實景影像得到航向角和仰俯角的起始終止位置與運動范圍并指令三維姿態系統將航向角和仰俯角運動到起始位置，瞄準第一個起始點KO ;測距單元I對第一個起始點KO測距，中央處理器12通過測站常量數據和目標變量數據計算得到KO的三維大地坐標(X0，Y0, HO)；
[0117]2)在單幅野外實景影像上自動繪制等高線，實現方式如下，
[0118]從第一個起始點(X0，Y0, HO)開始，中央處理器12根據第一個起始點的高程值HO指令航向姿態單元9和仰俯姿態單元7運動，獲得高程值HO處一系列三維大地坐標點，連接所述各點得到等高線LI ；
[0119]3)在單幅野外實景影像上自動生成地形圖，實現方式如下，
[0120]依次類推獲得以設定的密度覆蓋野外實景影像的等高線族，得到基于野外實景影像的地形圖。
[0121]而且，進行360°全景野外實景影像的無重疊拼接，包括變換航向角和仰俯角，進行二維野外實景影像遍歷拍攝，排列構成環繞測站360°的全景二維野外實景影像并生成等高線和地形圖。
[0122]而且，在天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，在二維野外實景影像內自動生成任意形狀、任意幅面大小的三維野外實景影像，步驟如下，
[0123]I)任意界定工作范圍，實現方式如下，
[0124]當用戶在人機交互單元13的觸摸屏顯示的二維野外實景影像上勾勒任意形狀的閉合曲線C，中央處理器12將C所包圍的區域M界定為工作范圍；仰俯姿態單元7和航向姿態單元9按中央處理器12的指令將運動起止點位置全部落在閉合曲線C上；[0125]2)在任意界定的工作范圍內自動生成三維大地坐標點陣云，實現方式如下，
[0126]按照設定的密度，測距單元1、仰俯姿態單元7和航向姿態單元9在界定的工作范圍內同步工作，連續向中央處理器12提供目標變量數據，中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據連續解算，在任意界定的工作范圍內獲得三維大地坐標點陣云；
[0127]3)自動生成三維野外實景影像，實現方式如下，
[0128]中央處理器12在所述二維野外實景影像中，利用已知的三維大地坐標點陣云向無三維大地坐標的點推算三維大地坐標，獲得三維野外實景影像。
[0129]而且，所述搜索成像單元3包括第二電機3.1、第二驅動電路3.2、第六蝸輪3.3、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5、第一物鏡3.6、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、雙濾光片結構C⑶模塊3.10，第一物鏡3.6、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構CXD模塊3.10依次連接，第二驅動電路3.2、第二電機3.1、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5依次連接，第六蝸桿3.4與第六蝸輪3.3嚙合,第六蝸輪3.3連接第一調焦鏡3.8，中央處理器12和第二驅動電路3.2、第四編碼器3.5、第一雙濾光片結構CCD模塊3.10分別連接。
[0130]本發明提供的跟蹤測量機器人，具有聞精度、聞效率、聞可罪性、聞性價比、低成本、智慧型、便攜、由豐富涌現性獲得超級功能的野外特征，可應用于攝影測量、大地測量；對建筑物/大壩/閘門/橋梁的裂隙監測；大范圍快速測圖、精確瞄準定位、目標識別、對動態目標的跟蹤測量等各種地理信息產業類應用及其外延應用。采用激光器為測距手段時，跟蹤測量機器人是野外便攜式光學測量設備，最大測量距離可達40公里，適用于地面測站對地面目標和近距離空中目標的測量，具有自適應環境光源全天候自動成像、自動同步獲取目標影像和目標三維大地坐標、自動跟蹤測量運動目標、自動繪制地形圖、自動生成地面靜態目標景物在大地坐標系下的三維實景影像等功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0131]圖1是本發明實施例一所提供的跟蹤測量機器人結構圖。
[0132]圖2是本發明實施例二所提供的定焦型跟蹤測量機器人結構圖。
[0133]圖3是本發明實施例的跟蹤測量機器人通信原理圖。
[0134]圖4是本發明實施例的跟蹤測量機器人的軸系示意圖。
[0135]圖5是本發明實施例的跟蹤測量機器人整機裝配示意圖。
[0136]圖6是本發明實施例的跟蹤測量機器人電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0137]本發明是一種便攜式野外工作站。為敘述準確，在本發明中將“道路”定義為:適于汽車行駛的地球陸地表面。將“野外”定義為:包含道路在內的地球陸地表面。
[0138]以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。實施例提供的跟蹤測量機器人，包括遙感遙測系統、三維姿態系統和中央控制與定位通信系統。為便于敘述起見，以下將跟蹤測量機器人分五部分描述:遙感遙測系統、三維姿態系統、中央控制與定位通信系統，其中提供跟蹤測量機器人各部分的工作方式，以供實施參考；還有跟蹤測量機器人的功能實現、跟蹤測量機器人系統特點，以便本領域技術人員理解本發明技術效果。
[0139]一.遙感遙測系統[0140]1、系統構成:
[0141]遙感遙測系統包括測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4、天文望遠鏡成像單元5、光敏電阻6構成。遙感遙測系統的傳感器是多光同軸的:測距單元
1.紅外激光光源2、搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5的光軸，四者可標定在同一軸線L上。
[0142]為便于實施參考起見，實施例進一步提出:
[0143]跟蹤測量機器人支持激光測距、微波測距、雷達測距三種測距方式。采用激光測距方式時，跟蹤測量機器人是便攜式野外測量設備；采用微波測距方式和雷達測距方式時，跟蹤測量機器人成為微波設備和雷達的附件。
[0144]所述紅外激光光源2包括紅外激光鏡頭2.1、紅外激光調焦鏡2.2、紅外激光發生器2.3、泵浦電源2.4、第一電機2.5、第一驅動電路2.6和第三編碼器2.7，紅外激光鏡頭
2.1、紅外激光調焦鏡2.2、紅外激光發生器2.3、泵浦電源2.4依次連接，第一電機2.5與紅外激光調焦鏡2.2、第一驅動電路2.6、第三編碼器2.7分別連接，中央處理器12和泵浦電源2.4、第一驅動電路2.6、第三編碼器2.7分別連接。
[0145]所述搜索成像單元3有兩種建議實現方案。參見圖1，實施例一中是最佳實施方案，包括第二電機3.1、第二驅動電路3.2、第六蝸輪3.3、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5、第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構CXD模塊3.10、第七蝸輪3.11、第七蝸桿3.12、第六編碼器3.13、第四電機3.14和第四驅動電路
3.15,第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構CXD模塊3.10依次連接，第二驅動電路3.2、第二電機3.1、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5依次連接，第六蝸桿3.4與第六蝸輪3.3嚙合，第六蝸輪3.3連接第一調焦鏡3.8，第四驅動電路3.15、第四電機3.14、第七蝸桿3.12、第六編碼器3.13依次連接，第七蝸桿3.12與第七蝸輪3.11嚙合，第七蝸輪3.11連接變焦鏡組3.7，中央處理器12和第二驅動電路3.2、第四編碼器3.5、第六編碼器3.13、第四驅動電路3.15、第一雙濾光片結構C⑶模塊3.10分別連接。搜索成像單元3通過變焦鏡組3.7實現變倍。具體實施時，存儲單元14中可設置任務庫和變倍參數庫:其中的變倍參數是按照任務項標定的常數構成的集合，任務項與變倍參數構成一一對應的數據對。參見圖2，實施例二中是定焦型跟蹤測量機器人，包括第二電機3.1、第二驅動電路3.2、第六蝸輪3.3、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5、第一物鏡3.6、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構(XD模塊3.10,第一物鏡3.6、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9、第一雙濾光片結構CXD模塊3.10依次連接，第二驅動電路3.2、第二電機3.1、第六蝸桿3.4、第四編碼器3.5依次連接，第六蝸桿3.4與第六蝸輪3.3嚙合，第六蝸輪3.3連接第一調焦鏡3.8，中央處理器12和第二驅動電路3.2、第四編碼器
3.5、第一雙濾光片結構CCD模塊3.10分別連接。在最佳實施方案的跟蹤測量機器人中去除變焦鏡組3.7、第七蝸輪3.11、第七蝸桿3.12、第六編碼器3.13、第四電機3.14和第四驅動電路3.15得到定焦型跟蹤測量機器人。定焦型跟蹤測量機器人與最佳實施方案的跟蹤測量機器人的差異是:前者的搜索成像單元3不具備變倍功能，從而具有相對簡單的結構、較低的成本和較弱的功能。本發明主要介紹最佳實施方案的跟蹤測量機器人的實現，定焦型跟蹤測量機器人不予贅述。
[0146]所述圖像處理單元4用于判斷成像所得圖像是否清晰，是一個DSP，與搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5、中央處理器12分別連接，具體判斷可基于現有圖像清晰判斷技術實現，一般可分為三個部分:景物圖像提取部分對景物圖像進行RGB三色位圖數據提取、圖像灰度處理、濾波，搜索計算部分完成算子計算、邊緣檢測、獲取圖像值，圖像清晰度判定部分用于比較得到圖像值最大的電機位置。
[0147]所述天文望遠鏡成像單元5包括第三電機5.1、第三驅動電路5.2、第五蝸輪5.3、第五蝸桿5.4、第五編碼器5.5、第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8和第二雙濾光片結構CXD模塊5.9，第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8和第二雙濾光片結構C⑶模塊5.9依次連接，第三驅動電路5.2、第三電機5.1、第五蝸桿5.4、第五編碼器5.5依次連接，第五蝸桿5.4與第五蝸輪5.3嚙合，第五蝸輪5.3連接第二調焦鏡5.7，中央處理器12和第三驅動電路5.2、第五編碼器5.5、第二雙濾光片結構C⑶模塊5.9分別連接。天文望遠鏡成像單元5的放大倍數小于或等于480倍。放大倍數為480倍時，觀察40公里外的物體的放大效果約等于肉眼觀察83米處的同一物體；放大倍數為400倍時，觀察40公里外的物體的放大效果約等于肉眼觀察100米處的同一物體；如此等等。具體實施時，本發明建議采用折返式天文望遠鏡，具有小體積、高倍數的特點，所須雙濾光鏡片可自制或定制。
[0148]2、對白視環境和夜視環境、霧霾條件的自適應、對成像光源的自主選擇
[0149]本發明可基于光敏電阻6進行自主成像過程，包括根據白光光通量，光敏電阻6發出信號控制中央處理器12關閉或打開泵浦電源2.4，對應白光光源或紅外激光光源；成像結果由圖像處理單元4判斷圖像清晰度，在白光光源下的成像結果達不到清晰度要求時，中央處理器12打開泵浦電源2.4提供紅外激光光源。
[0150]步驟1，進行成像光源初始選擇:對白視環境和夜視環境的自適應、對成像光源的自主選擇。
[0151]遙感遙測系統前端裝有光敏電阻6。白光光通量足以使第二雙濾光片結構CXD模塊5.9白光成像時光敏電阻6的信號口處于閉合狀態，此時中央處理器12關閉泵浦電源
2.4，進入步驟2。白光光通量不足以第二雙濾光片結構C⑶模塊5.9白光成像時光敏電阻6的信號口處于常開狀態，此時中央處理器12開啟泵浦電源2.4，紅外激光光源2照射目標，搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5接受自目標返回的紅外激光，進入步驟4。
[0152]步驟2，白光光源下，對良好能見度及霧霾環境的自適應和成像光源的自主選擇，實現如下:
[0153]獲取圖像值:白光信號經由搜索成像單元3或天文望遠鏡成像單元5轉換為數字信號后到達圖像處理單元4，圖像處理單元4中的景物圖像提取部分對景物圖像進行RGB三色位圖數據提取、圖像灰度處理、濾波；搜索計算部分完成算子計算、邊緣檢測、獲取圖像值任務。
[0154]圖像清晰度判定:中央處理器12讀取變焦鏡組3.7、第二調焦鏡5.7的調焦標定值驅動第二電機3.1和第三電機5.1依次到達各相應標定位置，搜索計算部分在這些位置獲得來自搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5的圖像值。圖像清晰度判定部分完成圖像值比較任務:使圖像值最大的第二電機3.1位置即為來自搜索成像單元3的圖像的最清晰處，使圖像值最大的第三電機5.1位置即為來自天文望遠鏡成像單元5的圖像的最清晰處。[0155]對良好能見度/霧霾環境的自適應和成像光源的自主選擇:中央處理器12對來自搜索成像單元3的目標景物的所有圖像值進行分析處理。若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值大于正實數Q1，則判定測站處于良好能見度環境，遙感遙測系統進入步驟3 ;若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于正實數Ql大于正實數Q2，則判定測站處于中度或輕度霧霾環境，遙感遙測系統進入步驟4 ;若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于Q2，則判定測站處于重度霧霾環境，中央處理器12報警。其中，Q1、Q2是預先根據搜索成像單元3的第一雙濾光片結構CCD模塊3.10的技術指標和環境適應性測試得到的標定常數。
[0156]本發明搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5在白視、夜視、霧霾條件下可對目標景物的同步自動成像。四光同軸使得搜索成像單元3與天文望遠鏡成像單元5的視場具有同一中心位置，搜索成像單元3的最小視場大于且包含了天文望遠鏡成像單元5的視場。具體實施時，可在存儲單元14中預先存有任務與變倍參數庫，其中的變倍參數是按照任務標定的常數，任務與變倍參數構成一一對應的數據對(Ei，Pi)，i=l, 2，...J。其中Ei是任務，Pi是變倍參數?？芍С钟脩粼谌藱C交互單元13的觸摸屏上點擊任務項，中央處理器12自動將搜索成像單元3的視場調整到適合該項任務的大小，跟蹤測量機器人進入同步自動成像工作流程:
[0157]步驟3，基于白光光源，在自動調焦后進行自動成像:
[0158]搜索成像單元3自動調焦:中央處理器12向第二驅動電路3.2發出指令，使第二電機3.1、第六蝸桿3.4轉動，第四編碼器3.5實時記錄第六蝸桿3.4的運動狀態同步反饋給中央處理器12，中央處理器12算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第六蝸桿3.4轉動到設定的位置并通過第六蝸輪3.3完成對第一調焦鏡3.8的焦距調整。
[0159]搜索成像單元3自動成像:白光信號經過第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡
3.8和第一成像鏡組3.9到達第一雙濾光片結構CXD模塊3.10。第一雙濾光片結構CXD模塊3.10將白光信號轉換成數字信號后上傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4得到清晰的景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于白光光源的自動成像任務。
[0160]天文望遠鏡成像單元5自動調焦:中央處理器12向第三驅動電路5.2發出指令，使第三電機5.1、第五蝸桿5.4轉動，第五編碼器5.5實時記錄第五蝸桿5.4的運動狀態同步反饋給中央處理器12，中央處理器12算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第五蝸桿5.4轉動到設定的位置并通過第五蝸輪5.3完成對第二調焦鏡5.7的焦距調整。
[0161]天文望遠鏡成像單元5自動成像:白光信號經過第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7和第二成像鏡組5.8到達第二雙濾光片結構CXD模塊5.9。第二雙濾光片結構CXD模塊5.9將白光信號轉換成數字信號后上傳至圖像處理單元4，圖像處理單元4清晰的景物圖像并上傳至中央處理器12,完成基于白光光源的自動成像任務。
[0162]步驟4，基于紅外激光光源，在紅外激光照射范圍準確覆蓋搜索成像單元3的視場后進行自動成像，適用于夜視、霧霾條件:
[0163]a.紅外激光照射范圍準確覆蓋搜索成像單元3的視場
[0164]中央處理器12同時完成兩項工作:一是開啟第四驅動電路3.15，使第四電機3.14帶動第七蝸桿3.12運動到相應Pi位置，第七蝸桿3.12帶動第七蝸輪3.11使變焦鏡組3.7將搜索成像單元3的視場調整到執行第i類任務所需的大小，第六編碼器3.13將第七蝸桿3.12的實際到達位置上傳給中央處理器12 ;二是向第一驅動電路2.6發出指令使第一電機
2.5帶動紅外激光調焦鏡2.2運動到相應Qi位置，使紅外激光光源2的照射范圍正好覆蓋搜索成像單元3的視場。
[0165]其中，標定常數Pi是搜索成像單元3執行第i類任務時的視場，稱為Pi成像視場(i=l, 2，3，……J)，J為任務數。標定常數Qi (i=l, 2，3，……J)是與Pi —一對應的紅外激光聚焦值，紅外激光調焦鏡2.2處于Qi位置時紅外激光照射范圍與Pi成像視場重合。Pi被標定后，Qi根據Pi標定。
[0166]b.搜索成像單元3基于紅外激光光源的自動成像
[0167]中央處理器12、搜索成像單元3、圖像處理單元4進入景物圖像清晰度判定工作流程:從目標景物返回的紅外激光信號通過第一物鏡3.6、變焦鏡組3.7、第一調焦鏡3.8、第一成像鏡組3.9到達第一雙濾光片結構CXD模塊3.10。第一雙濾光片結構CXD模塊3.10將紅外激光信號轉換成數字信號并將數字信號上傳至圖像處理單元4。圖像處理單元4得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于紅外激光光源的自動成像任務。
[0168]c.紅外激光照射范圍準確覆蓋天文望遠鏡成像單元5的視場
[0169]中央處理器12向第一驅動電路2.6發出指令使第一電機2.5帶動紅外激光調焦鏡2.2運動到位置V。，紅外激光光源2的照射范圍正好覆蓋天文望遠鏡成像單元5的視場。
[0170]其中，V。是標定常數:天文望遠鏡成像單元5的視場角是常數，記為U。，按U。標定紅外激光光源2的相應常數V。，使紅外激光調焦鏡2.2運動到位置V。時紅外激光照射范圍與天文望遠鏡成像單元5的視場重合。
[0171]d.天文望遠鏡成像單元5基于紅外激光光源的自動成像
[0172]中央處理器12、天文望遠鏡成像單元5、圖像處理單元4進入景物圖像清晰度判定工作流程:從目標景物返回的紅外激光信號通過第二物鏡5.6、第二調焦鏡5.7、第二成像鏡組5.8到達第二雙濾光片結構CXD模塊5.9。第二雙濾光片結構CXD模塊5.9將紅外激光信號轉換成數字信號并將數字信號上傳至圖像處理單元4。圖像處理單元4得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器12，完成基于紅外激光光源的自動成像。
[0173]3、測距單元
[0174]跟蹤測量機器人支持激光測距、微波測距、雷達測距。
[0175]I)測距單元I采用激光測距方式
[0176]在目前的激光器產品中，測程超過40公里的激光器的重量和供電方式不適于便攜。隨著激光技術的不斷發展，更大測距、更小質量、更高測距頻率、更高測距精度的適合鋰電池供電的激光器將不斷面市。目前，適于便攜的基于鋰電池供電的相關國產激光器已能實現的技術指標為:測程從8公里到40公里不等、測距頻率從0.2Hz到5Hz不等、測距誤差從分米級到I米不等?？勺杂刹少彽降南嚓P北美產品具有類似的技術指標:40公里測程、15Hz測距頻率、分米級測距誤差、支持鋰電池供電、適于便攜。
[0177]2)測距單元I采用微波測距或雷達測距方式
[0178]對于中央處理器12而言測距單元I是一個能夠與之進行數據通信的外設，只要能夠從測距單元I讀取距離數據即可。測距單元I采用什么方式獲取距離數據是不重要的。
[0179]對于遙感遙測系統和三維姿態系統而言，需要測距單元I與其它相關單元在軸系中保持同軸、同心的幾何關系。因此，測距單元I采用微波測距或雷達測距方式時，跟蹤測量機器人將作為一個工作部件成為微波或雷達設備的子系統:按雷達提供的方位搜索發現跟蹤目標、用所述跟蹤測量方法獲取天文望遠鏡成像單元5力所能及之近程目標的光學影像和三維坐標并同步上傳給微波或雷達系統的終端機。
[0180]二.三維姿態系統
[0181]三維姿態系統包括仰俯姿態單元7、橫軸10、水平姿態單元8、航向姿態單元9和豎軸11;橫軸10的中軸線與豎軸11的中軸線相互正交且交于空間點0，橫軸10的中軸線與豎軸11的中軸線所構成的平面垂直于跟蹤測量機器人的底座平面；測距單元I的光軸、紅外激光光源2的光軸、搜索成像單元3的光軸、天文望遠鏡成像單元5的光軸標定的同一軸線L過空間點O與橫軸10的中軸線正交。
[0182]I)仰俯姿態單元7的工作系統構成、精度控制、數據讀取:
[0183]a.仰俯姿態單元7的工作系統構成
[0184]仰俯姿態單元7由第一離合器7.1、第一同步帶放大器7.2、第一蝸輪7.4、第一同步帶輪7.5、第一蝸桿7.6、第一彈性機構7.7、第二蝸輪7.8、第二彈性機構7.9、第二蝸桿7.10、第一電機與驅動7.11、第一編碼器7.3構成。第一電機與驅動7.11連接第二蝸桿7.10，第二蝸輪7.8和第二蝸桿7.10經第二彈性機構7.9嚙合，第二蝸輪7.8和第一蝸桿7.6經第一彈性機構7.7嚙合，第一蝸輪7.4和第一蝸桿7.6之間經第一同步帶輪7.5傳動，第一蝸輪7.4和第一編碼器7.3之間經第一同步帶放大器7.2傳動，第一蝸輪7.4連接第一離合器7.1,第一離合器7.1閉合時連接橫軸10,中央處理器12和第一離合器7.1、第一同步帶放大器7.2、第一編碼器7.3、第一電機與驅動7.11分別連接。
[0185]其中，
[0186]使用可微調的第一彈性機構7.7使第二蝸輪7.8和第一蝸桿7.6在運行中始終全面嚙合，令第二蝸輪7.8和第一蝸桿7.6構成的蝸輪蝸桿機構的正反向旋轉間隙達到最小;
[0187]使用可微調的第二彈性機構7.9使第二蝸輪7.8和第二蝸桿7.10在運行中始終全面嚙合，令第二蝸輪7.8和第二蝸桿7.10構成的蝸輪蝸桿機構的正反向旋轉間隙達到最小;
[0188]第一同步帶輪7.5的傳動是由傳動比為1:1的同步輪(金屬、高分子材料)+同步輪傳動帶(橡膠、聚氨酯)構成。有時由于安裝順序的不同須加裝張緊機構。第一同步帶輪7.5的傳動使第一蝸輪7.4和第一蝸桿7.6構成的蝸輪蝸桿機構在運行中緊密嚙合不產生間隙。
[0189]第一同步帶放大器7.2的傳動是由傳動比為1:H的同步輪(金屬、高分子材料)+同步輪傳動帶(橡膠、聚氨酯)構成。第一同步帶放大器7.2的工作原理和機構與同步帶輪類同。有時由于安裝順序的不同須加裝張緊機構。第一同步帶放大器7.2的傳動使第一蝸輪7.4和第一編碼器7.3構成的機構在運行中緊密嚙合不產生間隙。
[0190]b.仰俯姿態精度控制
[0191]當第二蝸桿7.10第二蝸輪7.8傳動組的傳動比為N且第一蝸桿7.6第一蝸輪7.4傳動組的傳動比為M時，整體傳動比為NXM。此時若第一電機與驅動7.11中的電機對應一個脈沖信號的最大誤差為h角秒，則橫軸對應一個脈沖信號的最大誤差為
[0192](h/N角秒+a角秒+b角秒)/M+c角秒(a)[0193]上式中，a是第二蝸桿7.10與第二蝸輪7.8之間的機械間隙，第二彈性機構7.9使a的變化范圍足夠?。籦是第二蝸輪7.8與第一蝸桿7.6之間的機械間隙，第一彈性機構7.7使b的變化范圍足夠??；c是第一蝸桿7.6與第一蝸輪7.4之間的機械間隙，實測數據證明第一同步帶輪7.5使c的絕對值趨于零。選定第一電機與驅動7.11中電機)并設定細分數之后h成為已知常量，故足夠大的N和M就使得(a)式的絕對值充分小。實測數據證明，經過整體傳動之后，第一電機與驅動7.11在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差被縮小了約NXM倍。這使得仰俯姿態的測控精度可達0.1角秒或更高(目前仰俯姿態測控的全球最高精度為0.5角秒，由瑞士徠卡公司的精密測量機器人創造并保持)。
[0194]c.仰俯姿態數據的讀取
[0195]第一電機與驅動7.11在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差被縮小了約NXM倍之后可達到誤差小于0.1角秒的精度，這種精度遠遠超出絕大多數角度編碼器的分辨率。
[0196]用第一同步帶放大器7.2協助第一編碼器7.3完成數據讀取，可有效減少角度編碼器對超高精度數據的讀取難度并完全避免了為此而專門研制超高分辨率角度編碼器所帶來的一系列問題:從第一電機與驅動7.11到第一蝸輪7.4的整體運動結果由第一蝸輪7.4表達。第一同步帶放大器7.2通過第一蝸輪7.4將整體運動在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差放大H倍后傳遞給第一編碼器7.3并經由第一編碼器7.3轉換為數字信號上傳給中央處理器12。中央處理器12將所得運動數據除以H倍后得到橫軸10真實的位置到達數據。
[0197]2)航向姿態單元9的工作系統構成、精度控制、數據讀取:
[0198]a.航向姿態單元9的工作系統構成
[0199]航向姿態單元9由第二離合器9.1、第二同步帶放大器9.2、第三蝸輪9.4、第二同步帶輪9.5、第三蝸桿9.6、第三彈性機構9.7、第四蝸輪9.8、第四彈性機構9.9、第四蝸桿9.10、第二電機與驅動9.11、第二編碼器9.3構成。第二電機與驅動9.11連接第四蝸桿9.10，第四蝸輪9.8和第四蝸桿9.10經第四彈性機構9.9嚙合，第四蝸輪9.8和第三蝸桿9.6經第三彈性機構9.7嚙合，第三蝸輪9.4和第三蝸桿9.6之間經第二同步帶輪9.5傳動，第三蝸輪9.4和第二編碼器9.3之間經第二同步帶放大器9.2傳動，第三蝸輪9.4連接第二離合器9.1，第二離合器9.1閉合時連接豎軸11，中央處理器12和第二離合器9.1、第二同步帶放大器9.2、第二編碼器9.3、第二電機與驅動9.11分別連接。
[0200]其中，
[0201]使用可微調的第三彈性機構9.7使第四蝸輪9.8和第三蝸桿9.6在運行中始終全面嚙合，令第四蝸輪9.8和第三蝸桿9.6構成的蝸輪蝸桿機構的正反向旋轉間隙達到最小;
[0202]使用可微調的第四彈性機構9.9使第四蝸輪9.8和第四蝸桿9.10在運行中始終全面嚙合，令第四蝸輪9.8和第四蝸桿9.10構成的蝸輪蝸桿機構的正反向旋轉間隙達到最小;
[0203]第二同步帶輪9.5的傳動是由傳動比為1:1的同步輪(金屬、高分子材料)+同步輪傳動帶(橡膠、聚氨酯)構成。有時由于安裝順序的不同須加裝張緊機構。第二同步帶輪9.5的傳動使第三蝸輪9.4和第三蝸桿9.6構成的蝸輪蝸桿機構在運行中緊密嚙合不產生間隙。
[0204]第二同步帶放大器9.2的傳動是由傳動比為1:Z的同步輪(金屬、高分子材料)+同步輪傳動帶(橡膠、聚氨酯)構成。有時由于安裝順序的不同須加裝張緊機構。第二同步帶放大器9.2的傳動使第三蝸輪9.4和第二編碼器9.3蝸桿構成的機構在運行中緊密嚙合不產生間隙，工作原理和機構與同步帶輪類同。
[0205]b.航向精度控制
[0206]當第四蝸桿9.10第四蝸輪9.8傳動組的傳動比為R且第三蝸桿9.6第三蝸輪9.4傳動組的傳動比為S時，整體傳動比為RX S。此時若第二電機與驅動9.11對應一個脈沖信號的最大誤差為f角秒，則豎軸對應一個脈沖信號的最大誤差為
[0207](f/R角秒+d角秒+e角秒)/S+g角秒(b)
[0208]上式中，d是第四蝸桿9.10與第四蝸輪9.8之間的機械間隙，第四彈性機構9.9使d的變化范圍足夠小；e是第四蝸輪9.8與第三蝸桿9.6之間的機械間隙，第三彈性機構9.7使e的變化范圍足夠小；g是第三蝸桿9.6與第三蝸輪9.4之間的機械間隙，實測數據證明第二同步帶輪9.5使c的絕對值趨于零。選定第二電機與驅動9.11并設定細分數之后S成為已知常量，故足夠大的R和S就使得(b)式的絕對值充分小。實測數據證明，經過整體傳動之后，第二電機與驅動9.11在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差被縮小了約RXS倍。這使得航向姿態的測控精度可達0.1角秒或更高(目前航向姿態測控的全球最高精度為0.5角秒，由瑞士徠卡公司的精密測量機器人創造并保持)。
[0209]c.航向姿態數據的讀取
[0210]第二電機與驅動9.11在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差被縮小了約RX S倍之后可達到誤差小于0.1角秒的精度，這種精度遠遠超出絕大多數角度編碼器的分辨率。
[0211]用第二同步帶放大器9.2協助第二編碼器9.3完成數據讀取，可有效減少角度編碼器對超高精度數據的讀取難度并完全避免了為此而專門研制超高分辨率角度編碼器所帶來的一系列問題:從第二電機與驅動9.11到第三蝸輪9.4的整體運動結果由第三蝸輪9.4表達。第二同步帶放大器9.2通過第三蝸輪9.4將整體運動在執行中央處理器12指令的過程中產生的運動誤差放大Z倍后傳遞給第二編碼器9.3并經由第二編碼器9.3轉換為數字信號上傳給中央處理器12。中央處理器12將所得運動數據除以Z倍后得到橫軸10真實的位置到達數據。
[0212]3)水平姿態單元:
[0213]水平姿態單元8 —般由機械整平機構和電子補償構成。電子補償模塊和機械整平模塊連接，中央處理器12和電子補償模塊連接。調整好機械整平機構后，電子補償自動將水平姿態補償到I角秒的精度并向中央處理器12上傳補償后的水平姿態數據。
[0214]4)跟蹤測量機器人的三維姿態測控:
[0215]如圖4所示，豎軸11的中軸線I1與橫軸10的中軸線I2的幾何關系。I1丄12，I1與I2交于空間點0(0，O, O)，I1與I2構成的平面II1與跟蹤測量機器人底座平面π2正交。紅外激光光源2的光軸、天文望遠鏡成像單元5的光軸、測距單元I的光軸、搜索成像單元3的光軸分別垂直平面II1，交于豎軸11、空間點0(0，O, O)、橫軸10的左側、右側，可都標定在天文望遠鏡成像單元5的光軸處。[0216]三維姿態系統一般設有音叉，如圖5所示，三維姿態系統一般設有支架，支架的音叉轉動部分上，由測距單元1、紅外激光光源2和搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5構成的組件通過橫軸10與姿態測控機的音叉連接，航向姿態單元9通過豎軸11與遙感遙測系統連接，豎軸11的轉動產生跟蹤測量機器人的航向運動；航向姿態單元9經豎軸11連接，仰俯姿態單元7經橫軸10與支架音叉連接，橫軸10的轉動產生跟蹤測量機器人的航向運動。
[0217]跟蹤測量機器人的整機裝配:通過光學/機械/電子方法精確標定測距單元I的光軸、紅外激光光源2的光軸、搜索成像單元3的光軸、天文望遠鏡成像單元5的光軸、橫軸10的中軸線、豎軸11的中軸線、全球定位單元15天線相位中心點與豎軸11垂直于大地水準面時的中軸線之延長線相交形成的定位軸線之間的幾何關系，實現多光同軸和多軸同心。
[0218]架設跟蹤測量機器人并調整好水平姿態單元8之后仰俯角和航向角自動歸零到位，跟蹤測量機器人進入工作狀態。中央處理器12可通過設定程序使仰俯姿態測控和航向姿態測控同步運行。
[0219]仰俯姿態測控:中央處理器12開啟第一電機與驅動7.11，通過從第一電機與驅動
7.11到第一蝸輪7.4的傳動使仰俯角以設定精度一次性到達指定位置。第一編碼器7.3實時測量第一蝸輪7.4的運動到達位置并同步向中央處理器12上傳。中央處理器12據此推算、讀取精確的仰俯角的位置到達數據。
[0220]航向姿態測控:中央處理器12開啟第二電機與驅動9.11，通過從第二電機與驅動9.11到第三蝸輪9.4的傳動使仰俯角以設定精度一次性到達指定位置。第二編碼器9.3實時測量第三蝸輪9.4的運動到達位置并同步向中央處理器12上傳。中央處理器12據此推算、讀取精確的航向角的位置到達數據。
[0221]三.中央控制與定位通信系統
[0222]中央控制與定位通信系統包括中央處理器12、人機交互單元13、存儲單元14、全球定位單元15、通信單元16、圖像識別單元17、電源單元18。參見圖6，中央處理器12與測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4、天文望遠鏡成像單元5和光敏電阻6、仰俯姿態單元7、水平姿態單元8、航向姿態單元9、人機交互單元13、存儲單元14、全球定位單元15、通信單元16、圖像識別單元17、電源單元18分別連接。
[0223]其中，全球定位單元15的模塊和天線是北斗、GPS、GL0NASS、伽利略4系統一體化的定位裝置，可同時利用4個天網定位；通信單元16支持3G、4G、自組網通信，包括3G/4G模塊16.1和電臺模塊16.2，中央處理器12和3G/4G模塊16.1、電臺模塊16.2分別連接。圖像識別單元17可采用一個DSP實現，具體識別可采用現有識別算法。人機交互單元13 —般包括鍵盤、觸摸屏、鼠標，電源單元18 —般包括鋰電池和充電電路。
[0224]如圖3所示本發明實施例的跟蹤測量機器人通信原理圖，以下用從上往下分層的方式詮釋。第一層:左邊標示“全球定位衛星”的云朵表示用于全球定位的衛星群構成的天網，包含中國的北斗、美國的GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯的GL0NASS等可用資源。例如，GPS用于全球定位的衛星群含有26-30顆衛星(24顆運行、其它備份)，分6條軌道等。這24顆工作衛星就構成了 GPS天網。同理表述北斗天網、伽利略天網和GL0NASS天網。右邊標示“遙感衛星”的云朵表示由各國、各種用于觀測地球資源的RS衛星的可用資源(如航天遙感影像等)；第二層:左邊為本專利技術的跟蹤測量機器人，右邊為基準站。標有“自組網”字樣的位于中間的閃電形符號表示跟蹤測量機器人之間通過自組網進行的無線通信，標有“地面RS數據”字樣的位于兩邊的閃電形符號表示跟蹤測量機器人的地面遙感功能；第三層:地面通信網絡。左邊標有“有線/無線電話網”字樣的云朵表示用于地面通話的電話網，其終端包含手機和座機。中間標有“無線Internet (2.5G/3G/4G) ”字樣的云朵表示無線數據網。右邊標有“地面站”字樣的云朵表示遙感衛星的地面站網絡；第四層:地面通信網絡的數據平臺。標有“2.5G平臺”、“3G平臺”、“4G平臺”、“RS數據平臺”的方框分別表示2.5G無線數據通信平臺、3G無線數據通信平臺、4G無線數據通信平臺和與各地面站連接的遙感數據平臺；第五層:標有“有線Internet”字樣的云朵表示通用的因特網，左邊標有B/S后方數據中心字樣的圖標表示連接在因特網上的以B/S方式收發信息的計算機服務器，右邊標有C/S后方數據中心字樣的圖標表示連接在因特網上的以C/S方式收發信息的計算機服務器；各層之間的通信符號:閃電形符號表示無線通信方式的數據鏈接，直線相連表示有線通信方式的數據鏈接。
[0225]四.跟蹤測量機器人功能實現方法
[0226]綜上所述，由跟蹤測量機器人所有工作單元、模塊、部件、芯片構成的系統圍繞中央處理器12可實現多種功能。例如:
[0227]通過全球定位單元15和通信單元16實現差分定位，獲得跟蹤測量機器人在測位上的三維大地坐標。
[0228]通過通信單元16在跟蹤測量機器人與基準站之間、跟蹤測量機器人與跟蹤測量機器人之間、跟蹤測量機器人與后方計算機服務器之間實現包括物方三維坐標、物方影像、三維姿態數據、三維導航圖、地形圖、航空航天遙感影像、工作指令在內各種工作數據的互傳、上傳和下傳，實現云計算、云端庫、內業工作與外業工作的實時一體化；
[0229]通過全球定位單元15、通信單元16、一臺全球定位儀(兩臺跟蹤測量機器人協同工作時則無需全球定位儀)實現跟蹤測量機器人的找北。找北精度取決于姿態測量精度和定位精度:在跟蹤測量機器人的姿態測控精度之下，全球定位單元15和所述全球定位儀(或自主測繪機)的定位精度達到_級時可完成角秒級精度的找北，實現跟蹤測量機器人自定義坐標系與大地坐標系的融合歸一；
[0230]通過存儲單元14完成跟蹤測量機器人的數據存??；
[0231]通過電源單元18向跟蹤測量機器人的所有單元、模塊、電路、外設供電；
[0232]通過人機交互單元13實現人機對話；
[0233]通過紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4、天文望遠鏡成像單元5、光敏電阻6以及它們之間的連接互動系統實現多光源條件下的自動變倍、自動聚焦和自動成像，獲得多光源條件下的目標景物影像；
[0234]通過仰俯姿態單元7、航向姿態單元9、水平姿態單元8實現三維姿態測控，獲得高精度的三維姿態數據；
[0235]通過測距單元1，當前可在40公里的距離內內、0.2Hz — 15Hz的測距頻率下獲得分米級精度的距離數據。測距單元的測距指標與時俱進:與激光測距領域的技術進步同步發展同步提聞;
[0236]通過對測站三維大地坐標數據、測站正北方向數據、測站指向目標的三維姿態數據、測站與目標之間的距離數據的聯合解算獲得目標的三維大地坐標；
[0237]通過自動獲取目標點三維大地坐標、航向角自動環繞測站360°運動、仰俯角按指定范圍的自動運行獲得具有地形地物影像的地形圖；
[0238]通過對測距單元1、仰俯姿態單元7和航向姿態單元9數據的綜合處理獲得任意界定范圍內的三維大地坐標點陣云；
[0239]通過對目標景物影像數據和三維大地坐標點陣云的綜合數據處理獲得大地坐標系下目標景物的三維影像；
[0240]通過航向角自動環繞測站360°仰俯角按指定范圍的自動運行的同步運動和影像自動拼接獲得測位周邊的三維全景圖；
[0241]通過各單元協同實現動態目標圖像識別與自動跟蹤功能:跟蹤測量機器人自動檢索其存儲單元中的圖像庫，將所獲之目標圖像與之比對并予識別。識別成功并確認需要則自行啟動跟蹤程序，進入全自動目標跟蹤。無法識別或運算量過大時，跟蹤測量機器人自動鏈接后方數據中心(見圖3)啟動云計算/云端庫功能，后方數據中心實時完成運算后下傳圖像識別數據，跟蹤測量機器人據此確認需要、進入(或退出)全自動目標跟蹤；
[0242]通過第一離合器7.1完成仰俯角測控的全自動/半自動切換，通過第二離合器9.1完成航向角測控的全自動/半自動切換。
[0243]為便于實施參考起見，以下對主要功能實現進行介紹:
[0244]1、在測站周邊40公里半徑范圍內、天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，基于物方遙感影像的目標點三維大地坐標高精度遙測。
[0245]I)自動放大目標點影像,精準確定測量目標
`[0246]在搜索成像單元3獲取的大視場實景影像中點擊選取的目標點，中央處理器12以目標點為新的分劃中心，換算出三維姿態系統的運動數據并向仰俯姿態單元7和航向仰俯姿態單元9發出運動指令。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9按照姿態控制方法方法以小于等于0.1角秒的精度將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L指向目標點。天文望遠鏡成像單元5獲取影像。中央處理器12在天文望遠鏡成像單元5獲取的高倍光學放大后的目標點實景影像上自動數碼變焦再放大(數碼變焦放大倍數是根據CCD和觸摸屏的分辨率標定的常數)，獲得光學/數碼兩級放大后的目標點清晰影像，在其中選擇測量目標。
[0247]2)自動精確貓準測量目標
[0248]在光學/數碼兩級放大后的目標點清晰影像中點擊選定的測量目標，中央處理器12以測量目標為新的分劃中心，根據測量目標在兩級放大后的目標點清晰影像中的位置算出三維姿態系統的運動數據并向仰俯姿態單元7和航向姿態單元9發出運動指令。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9以小于等于0.1角秒的精度將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L指向測量目標，完成對測量目標的精確瞄準。
[0249]3)對測量目標三維大地坐標的遙測
[0250]中央處理器12根據測站常量數據【確定測站時獲取的數據:全球定位單元15提供的測站三維大地坐標、通過自動精確瞄準另一已知大地坐標點方法或陀螺儀等方法獲取的測站正北方向數據、水平姿態單元8提供的水平姿態數據。下同?！?、仰俯姿態單元7和航向姿態單元9提供的瞄準測量目標的仰俯、航向姿態數據、測距單元I提供的測站至測量目標的距離數據計算得到測量目標的三維大地坐標。[0251]2、對任意移動目標的半自動跟蹤測量一基于實時三維大地坐標和實時視頻的移動目標跟蹤測量，過程與實現方法。
[0252]1)進入半自動跟蹤測量工作模式
[0253]在人機交互單元13的觸摸屏上點擊跟蹤模式選項，中央處理器12協調各相關單元同步工作:按自動成像方法連續獲取目標影像，以每秒鐘25-30幀的速率在人機交互單元13的觸摸屏上連續播放；斷開第一離合器7.1、第二離合器9.1，進入手動操控；開啟測距單元I。
[0254]2)實時跟蹤測量
[0255]操作員以目視人機交互單元13的觸摸屏、手動調整航向角和仰俯角的方式跟蹤移動目標，航向姿態單元9和仰俯姿態單元7同步向中央處理器12提供瞄準移動目標的實時姿態數據；測距單元I連續自動測距，同步向中央處理器12提供測站與移動目標之間的實時距離；中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據【不同目標的姿態數據和距離數據、同一目標隨時空變化而變化的姿態數據和距離數據，下同?！拷馑愠鲆苿幽繕说膶崟r三維大地坐標。
[0256]3)同步數據傳輸:中央處理器12通過通信單元16向后方數據中心或其它需要獲知信息的設備同步傳輸移動目標的實時視頻和實時三維大地坐標。
[0257]3、對特定目標的全自動跟蹤測量一基于實時三維大地坐標和實時視頻的移動目標跟蹤測量。
[0258]I)搜索成像單元3循環掃描搜索范圍
[0259]輸入搜索范圍后，中央處理器12協調相關工作單元同步工作:在存儲單元14的任務與變倍參數庫中領取與掃描搜索任務對應的變倍參數Pi，通過變焦鏡組3.7將搜索成像單元3的放大倍數固定在Pi位置；閉合第一離合器7.1、第二離合器9.1，仰俯姿態單元7和航向姿態單元9帶動測距單元1、紅外激光光源2、搜索成像單元3、天文望遠鏡成像單元5連續運動，循環覆蓋搜索范圍；紅外激光光源2、搜索成像單元3、圖像處理單元4按自動成像方法，在搜索范圍內連續獲取野外實景影像。
[0260]2)獲取目標搜索數據
[0261]搜索成像單元3提供以搜索范圍為界的全局影像數據，天文望遠鏡成像單元5提供全局影像中每幅以其視場為界的單幅影像的分劃中心附近的局部影像詳細數據。
[0262]3)獲取待識別目標影像
[0263]存儲單元14中事先保存了包括多立面影像和各種識別特征在內的特定目標數據庫。在圖像識別單元17上運行圖像識別程序。
[0264]目標搜索(挖掘特定目標的輪廓特征數據):通過比對搜索成像單元3提供的全局影像數據和特定目標的輪廓特征數據的方法在全局影像數據中挖掘特定目標的輪廓特征數據。將在全局影像中發現的與特定目標的輪廓特征數據符合度較高(按事先標定的符合度系數確定)的對象定義為待識別目標。
[0265]獲取待識別目標影像:中央處理器12根據待識別目標在全局影像中的位置換算出瞄準該位置的三維姿態運動數據，據此向仰俯姿態單元7和航向姿態單元9發出運動指令。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9按照姿態控制方法以小于等于0.1角秒的精度將橫軸10和豎軸11轉動到位，使軸線L瞄準待識別目標，天文望遠鏡成像單元5獲取待識別目標影像。
[0266]4)目標識別(挖掘特定目標的詳細特征數據)
[0267]通過比對天文望遠鏡成像單元5提供的待識別目標影像數據和特定目標的詳細特征數據的方法，獲取符合度系數。圖像識別單元17將與特定目標的詳細特征數據符合度較高的對象定義為貓準對象。
[0268]當圖像識別單元17不能在規定時間內完成識別任務確定瞄準對象時，中央處理器12通過通信單元16自動連接后方數據中心(參見圖3)啟動云計算和云端庫完成識別運算。
[0269]5)跟蹤瞄準
[0270]中央處理器12以圖像識別單元17提供的瞄準對象為跟蹤瞄準對象，指令仰俯姿態單元7和航向姿態單元9帶動紅外激光光源2、搜索成像單元3和天文望遠鏡成像單元5連續運動，使跟蹤瞄準對象的影像始終保持在野外實景影像中的分劃中心位置，這就使天文望遠鏡成像單元5和搜索成像單元3的光軸始終保持瞄準特定目標。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9同步向中央處理器12反饋姿態數據。
[0271]在動態跟蹤瞄準的全過程中，搜索成像單元3以每秒鐘25-30幀的速率向中央處理器12提供包括特定目標方位、環境在內的周邊影像數據；天文望遠鏡成像單元5以每秒鐘25-30幀的速率向中央處理器12提供特定目標的詳細影像數據。
[0272]6)跟蹤測距
[0273]測距單元I對軸線L瞄準的目標連續測距并同步向中央處理器12提供距離數據。
[0274]7)跟蹤測量
[0275]中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據解算出運動中的特定目標的實時三維大地坐標。
[0276]8)航跡推算與再搜索
[0277]航跡推算:在設定的時間段內，中央處理器12按其CPU時間記錄保存特定目標在每一時刻的三維大地坐標數據和周邊影像數據，據此推算特定目標下一時間可能出現的空間位置，得到航跡推算函數。航跡推算函數是按時間分段的分段函數，其中每一段函數的值域均由特定目標在前一時間段內已知的時空變化決定。
[0278]再搜索:若搜索成像單元3在跟蹤特定目標的過程中失鎖，則中央處理器12根據航跡推算函數推算其下一時間可能出現的空間位置，據此劃定目標再搜索范圍并循環搜索，通過仰俯姿態單元7和航向姿態單元9使軸線L逐次瞄準這些空間位置，等待特定目標的再次出現。
[0279]9)同步數據傳輸
[0280]中央處理器12通過通信單元16向后方數據中心或其它需要獲知信息的設備同步傳輸特定目標的實時影像和實時三維大地坐標。
[0281]4、在測站周邊40公里半徑范圍內、天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，跟蹤測量機器人全天候自動生成基于野外實景影像的地形圖。
[0282]跟蹤測量機器人按照自動成像方法，在白視、夜視、中輕度霧霾條件下自主獲得二維野外實景影像，它的每一個像素點都唯一對應了野外實地中的一個三維大地坐標點。
[0283]I)在單幅野外實景影像中自動確定第一個起始點[0284]中央處理器12通過當前攝取的野外實景影像得到航向角和仰俯角的起始終止位置與運動范圍并指令三維姿態系統將航向角和仰俯角運動到起始位置，瞄準第一個起始點KO0測距單元I對第一個起始點KO測距，中央處理器12通過測站常量數據和目標變量數據計算得到KO的三維大地坐標(X0，Y0, HO)。
[0285]2)在單幅野外實景影像上自動繪制等高線
[0286]從第一個起始點(X0，Y0, HO)開始，中央處理器12指令航向姿態單元9使航向角轉過al角秒，中央處理器12以符合第一個起始點的高程值HO為計算目標，計算得到仰俯角值bl并通過仰俯姿態單元7將仰俯角轉過bl角秒，獲得并瞄準新目標，測距單元I測量得到測站至新目標的距離。中央處理器12據此獲得新目標的三維大地坐標(XI，Yl, HO)。
重復上述過程獲得一系列三維大地坐標點(Xn, Yn, HO)，n=l, 2，3，........., N, N為點數，
連接所述各點即得等高線LI。
[0287]3)在單幅野外實景影像上自動生成地形圖
[0288]在LI的終點(XN，YN, HO)，仰俯姿態單元7按設定的等高線密度將仰俯角調整到新的位置，得到第二個起始點K1，中央處理器12按照確定第一個起始點的方法得到第二個起始點Kl的三維大地坐標(XN，YN, Hl)。從第二個起始點Kl開始，按照所述之繪制等高線方法得到等高線L2，依次類推獲得以設定的密度覆蓋野外實景影像的等高線族{Li, i=l, 2，3，.........，1}，I為線數，得到基于野外實景影像的地形圖。
[0289]4)360°全景野外實景影像的無重疊拼接
[0290]a.用高精度姿態測控保證兩幅相鄰圖像中景物無重疊且自然連續:
[0291]按航向角完成環繞測站360°的第一輪二維野外實景影像拍攝:中央處理器12按照與功能對應的標定參數設定變焦鏡組3.7的放大倍數。遙感遙測系統在定倍條件下按照白視、夜視、霧霾條件下對目標景物的自動成像方法獲得第一幅二維野外實景影像；中央處理器12根據攝取第一幅二維野外實景影像的姿態數據算出攝取第二幅二維野外實景影像的航向角位置，并指令航向姿態單元9將航向角轉動到位。航向姿態單元9以0.1角秒的精度完成指令，測量機按照上述方法獲得第二幅二維野外實景影像；如此循環直到獲得最后一幅影像。若最后一幅影像與第一幅影像發生重疊，則中央處理器12裁剪最后一幅影像中超出360°航向角的部分，獲得環繞測站360°的二維野外實景影像。上述過程中，每兩幅影像之間的拼接誤差為0.1角秒，小于一個像素。
[0292]變換仰俯角完成環繞測站360°的全景二維野外實景影像拍攝:若第一幅二維野外實景影像的仰俯角不小于設定的仰俯角工作范圍，則第一輪二維野外實景影像已經覆蓋全景，拍攝任務完成。否則，中央處理器12指令仰俯姿態單元7將仰俯角調整至與第一輪二維野外實景影像相聯接的第二輪影像拍攝的起始位置，測量機按照所述之按航向角完成環繞測站360°的第一輪二維野外實景影像拍攝方法完成第二輪拍攝，如此循環直到獲得環繞測站360°的全景二維野外實景影像。上述過程中，每兩輪影像之間的拼接誤差為0.1角秒，小于一個像素。
[0293]b.控制圖像的邊緣畸變:
[0294]選擇參數合適的第一雙濾光片結構CXD模塊3.10、第二雙濾光片結構CXD模塊
5.9,使標定后的攝像頭所拍攝圖像的邊緣崎變小于1%。
[0295]c.對相鄰圖像進行色彩均衡處理。[0296]d.排列縮放圖像數據，得到環繞測站360°的全景二維野外實景影像。
[0297]5)在360°全景野外實景影像上自動生成地形圖
[0298]中央處理器12指令航向姿態單元9進行360°的連續運動，按照所述之單幅野外實景影像上自動生成等高線和地形圖的方法，在環繞測站360°的全景二維野外實景影像上自動生成地形圖。
[0299]5、在測站周邊40公里半徑范圍內、天文望遠鏡成像單元5通視目標景物條件下，在二維野外實景影像內自動生成任意形狀、任意幅面大小的三維野外實景影像的過程和實現方法。
[0300]I)任意界定工作范圍
[0301]使用觸摸畫線(或點擊屏幕)方法，在人機交互單元13的觸摸屏顯示的二維野外實景影像上勾勒任意形狀的閉合曲線(或閉合折線)C，中央處理器12將C所包圍的區域M界定為工作范圍。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9按中央處理器12的指令將其運動起止點位置全部落在閉合曲線(或閉合折線)C上。仰俯姿態單元7和航向姿態單元9連續轉過以區域M的邊界為起止點的仰俯、航向角度使得工作范圍正好覆蓋了區域M。
[0302]2)在任意界定的工作范圍內自動生成三維大地坐標點陣云
[0303]按照設定的密度，測距單元1、仰俯姿態單元7和航向姿態單元9在界定的工作范圍內同步工作，連續向中央處理器12提供目標變量數據。中央處理器12根據測站常量數據和目標變量數據連續解算，在任意界定的工作范圍內獲得三維大地坐標點陣云。
[0304]3)自動生成三維野外實景影像
[0305]中央處理器12運行包括非線性K最近鄰點算法在內的數據挖掘程序，在所述二維野外實景影像中利用已知的三維大地坐標點陣云向無三維大地坐標的點推算三維大地坐標，獲得三維野外實景影像。它是野外實景三維可視化的可量測影像。
[0306]五.跟蹤測量機器人系統特點
[0307]基于以上技術方案，本發明實施例所提供的跟蹤測量機器人可以為空間測量領域帶來多方面的改進效果，為便于理解本發明技術效果起見，提供本發明實施例的工作方式特點說明如下。
[0308]1、將地理信息產業核心需求與相關應用融為一體統一解決:
[0309]自動同步獲得目標三維大地坐標和目標影像、自動獲得具有實地影像的地形圖、自動獲得大地坐標系下的三維影像；通過多系統一體化和數據融合產生涌現性，通過涌現性衍生大量用戶功能，用新方法本質改進工作質量、廣泛擴展地理信息產業類應用及其延伸領域應用。
[0310]2、自主適應工作環境，全天候工作:
[0311]自主實現全天候工作，在完全無光的夜晚、白天、輕度和中度霧霾的各種條件下自動獲取目標景物影像并在其屏幕上清晰成像?？旖?、準確、毋需人工介入。
[0312]3、自動精確瞄準，改變現行的人工瞄準工作方式，極大提高瞄準精度和效率:
[0313]摒棄基于望遠鏡的人工瞄準工作方式。在跟蹤測量機器人的觸摸屏上點擊目標點，自主測繪機自動實現對目標點細部的光學、電子兩級放大。再次點擊兩級放大后的目標點細部，自主測繪機以0.1角秒的精度自動瞄準目標。高效、準確。
[0314]4、自動遙測獲取目標點的三維大地坐標，改變常規測量方式提高測量精度和工作效率、降低勞動成本和勞動強度:
[0315]點擊屏幕上的任意點，自主測繪機自動瞄準、自動在1-5秒鐘內獲取/存儲/顯示該目標點在大地坐標系下的三維坐標。毋需合作目標、毋需人工貓準、毋需人工跋涉到目標點上去架設儀器，直接遙測獲取其視場及測距范圍內任意目標點的三維大地坐標。測量精度和效率高于現行常規測量方式，勞動成本和勞動強度遠低于現行常規測量方式。
[0316]5、將物方三維大地坐標與物方影像融為一體，同步獲取:
[0317]全自動地快速同步獲取目標點的三維大地坐標和以該目標點為中心的目標點周邊地物影像。
[0318]6、自主生成大地坐標系下的三維物方影像:
[0319]可在其獲取的任何物方影像中自動生成大地坐標系下的三維坐標點陣云，密度可調。實現便攜式單機的空間測量野外作業。
[0320]7、自主生成大地坐標系下的全景影像:
[0321]自動生成帶有物方三維大地坐標的360°全景物方影像:多幅連續影像(視場可調且每幅影像的中心點帶有物方三維大地坐標)的自動拼接、自動成像。實現便攜式單機的空間測量野外作業。
[0322]8、野外測區布局:
[0323]在航空航天遙感影像或地形圖上顯示、規劃已測/未測區域，進行野外測站位置布局。
[0324]9、自動生成等高線，自動生成帶有實地影像的地形圖:
[0325]根據測位布局完成野外各測位上的測量工作，自動拼接、實時成圖。
[0326]10、多網融合通信，內業、外業一體化。
[0327]11、高精度的姿態測控:
[0328]航向角測控誤差:小于等于0.1";仰俯角測控誤差:小于等于0.1"。
[0329]12、高精度的物方三維大地坐標:
[0330]將影響物方三維大地坐標測量精度的主要誤差源考慮為測站定位誤差、測站找北誤差、姿態測量誤差、成像誤差、瞄準誤差、距離測量誤差的前提下，跟蹤測量機器人具有很高的測量精度。
[0331]測站定位誤差:現有的差分定位技術可在I分鐘內達到厘米級定位精度，30分鐘內達到mm級的定位精度；
[0332]跟蹤測量機器人姿態測量誤差:航向角測控誤差小于等于0.1"、仰俯角測控誤差小于等于0.1"；
[0333]跟蹤測量機器人的成像清晰度:按照自動成像方法和自動放大目標方法，可獲得高清晰度的目標點影像；
[0334]跟蹤測量機器人的瞄準誤差:按照自動成像方法和自動精確瞄準方法，可獲得前所未有的瞄準精度；
[0335]測站找北誤差:跟蹤測量機器人，在全球定位單元15和已知大地坐標點定位精度達到mm級且兩者間距離大于500米時，三維姿態系統的姿態測量精度、遙感遙測系統的遙感成像清晰度和自動瞄準精度保證了采用定位找北方法的測站找北誤差小于等于5"。
[0336]距離測量誤差:無合作目標條件下，測距小于等于40，OOOm時，測距單元I測量誤差分米級，這是最大的誤差源。
[0337]綜上所述，跟蹤測量機器人在距離目標40公里時，遙測測量目標點三維大地坐標的精度可達亞米級。
[0338]13、野外獨立測成圖系統:
[0339]無需借助任何底圖，獨立完成基于野外實景影像的野外地形圖和野外三維實景影像測量。在作業流程上形成了攝影測量的閉環控制，大地坐標系下的空間坐標數據與包含豐富屬性信息的立體影像同時獲得，外業與內業一體化，高效率高精度。
[0340]14、野外實景三維可視化的數據成果:
[0341]它以面狀的方式采集大地坐標系下的野外地理空間數據，其數據成果是連續拍攝的實景可量測影像。
[0342]…，等等。
[0343]可見，本發明提供的跟蹤測量機器人是光機電一體化的復雜系統(具有涌現性的系統)，由多系統一體化構成。
[0344]多系統系指如下14個系統:
[0345]1、光機電一體化的具有高于0.1角秒分辨率的編碼器系統；
[0346]2、光機電一體化的具有0.1角秒精度的全自動姿態測控系統；
[0347]3、全自動的快速變焦系統、聚焦系統；
[0348]4、全自動的光電轉換與成像系統；
`[0349]5、全自動的三維影像(大地坐標下)成像系統；
[0350]6、環境自適應與自主選擇光源系統；
[0351]7、白光/紅外激光自動切換、聯動調焦、自動成像系統；
[0352]8、包含多種DSP在內的多核多接口高速嵌入式系統；
[0353]9、北斗、GPS、GL0NASS接收機一體化的全球定位系統；
[0354]10、兼容多種測距方式的測距系統；
[0355]11、圖像識別系統；
[0356]12、遠程紅外激光照明系統；
[0357]13、包括各種公網通信、自組網通信在內的多網融合通信系統；
[0358]14、承擔云計算、云端庫、調度、指揮、協同等項任務的后方數據中心。
[0359]多系統一體化系指:
[0360]1、基于芯片、DSP、模塊的計算機硬件緊密物理結構的多系統功能一體化；
[0361]2、基于多源數據融合的計算機軟件的多系統功能一體化；
[0362]3、基于光機電一體化的緊密物理結構的多系統功能一體化；
[0363]4、基于多網融合通信的內業工作與外業工作的一體化；
[0364]5、基于上述一體化的光機電一體化。
[0365]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種跟蹤測量機器人，其特征在于:包括遙感遙測系統、三維姿態系統和中央控制與定位通信系統， 所述遙感遙測系統包括測距單元(I)、紅外激光光源(2)、搜索成像單元(3)、圖像處理單元(4)、天文望遠鏡成像單元(5)和光敏電阻(6)； 所述三維姿態系統包括仰俯姿態單元(7)、橫軸(10)、水平姿態單元(8)、航向姿態單元(9)和豎軸(11);橫軸(10)的中軸線與豎軸(11)的中軸線相互正交且交于空間點O，橫軸(10)的中軸線與豎軸(11)的中軸線所構成的平面垂直于跟蹤測量機器人的底座平面；測距單元(I)的光軸、紅外激光光源(2)的光軸、搜索成像單元(3)的光軸、天文望遠鏡成像單兀(5)的光軸標定在同一軸線L上,稱為四光同軸；軸線L過空間點O與橫軸(10)的中軸線正交； 所述中央控制與定位通信系統包括中央處理器(12)、人機交互單元(13)、存儲單元(14)、全球定位單元(15)、通信單元(16)、圖像識別單元(17)、電源單元(18)，中央處理器(12)與測距單元(I)、紅外激光光源(2)、搜索成像單元(3)、圖像處理單元(4)、天文望遠鏡成像單元(5)和光敏電阻(6)、仰俯姿態單元(7)、水平姿態單元(8)、航向姿態單元(9)、人機交互單元(13)、存儲單元(14)、全球定位單元(15)、通信單元(16)、圖像識別單元(17)、電源單元(18)分別連接。
2.根據權利要求1所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:所述三維姿態系統中， 所述仰俯姿態單元(7)包括第一離合器(7.1)、第一同步帶放大器(7.2)、第一編碼器(7.3)、第一蝸輪(7.4)、第一同步帶輪(7.5)、第一蝸桿(7.6)、第一彈性機構(7.7)、第二蝸輪(7.8)、第二彈性機構(7.9)、第二蝸桿(7.10)和第一電機與驅動(7.11)，第一電機與驅動(7.11)連接第二蝸桿(7.1 0)，第二蝸輪(7.8)和第二蝸桿(7.10)經第二彈性機構(7.9)哨合，第二蝸輪(7.8)和第一蝸桿(7.6)經第一彈性機構(7.7)哨合,第一蝸輪(7.4)和第一蝸桿(7.6)之間經第一同步帶輪(7.5)傳動，第一蝸輪(7.4)和第一編碼器(7.3)之間經第一同步帶放大器(7.2)傳動，第一蝸輪(7.4)連接第一離合器(7.1)，第一離合器(7.1)閉合時連接橫軸(10)，中央處理器(12)和第一離合器(7.1)、第一同步帶放大器(7.2)、第一編碼器(7.3)、第一電機與驅動(7.11)分別連接； 設第一同步帶放大器(7.2)的傳動比為1:H，中央處理器(12)經第一電機與驅動(7.11)的輸出在傳動后在第一蝸輪(7.4)產生仰俯運動結果，仰俯運動結果由第一同步帶放大器(7.2)放大H倍，放大結果傳遞給第一編碼器(7.3)并經由第一編碼器(7.3)轉換為數字信號上傳給中央處理器(12)，中央處理器(12)將所得數據除以H倍后得到橫軸(10)真實的位置到達數據； 所述航向姿態單元(9)包括第二離合器(9.1)、第二同步帶放大器(9.2)、第二編碼器(9.3)、第三蝸輪(9.4)、第二同步帶輪(9.5)、第三蝸桿(9.6)、第三彈性機構(9.7)、第四蝸輪(9.8)、第四彈性機構(9.9)、第四蝸桿(9.10)、第二電機與驅動(9.11)，第二電機與驅動(9.11)連接第四蝸桿(9.10)，第四蝸輪(9.8)和第四蝸桿(9.10)經第四彈性機構(9.9)嚙合，第四蝸輪(9.8)和第三蝸桿(9.6)經第三彈性機構(9.7)嚙合，第三蝸輪(9.4)和第三蝸桿(9.6)之間經第二同步帶輪(9.5)傳動，第三蝸輪(9.4)和第二編碼器(9.3)之間經第二同步帶放大器(9.2)傳動，第三蝸輪(9.4)連接第二離合器(9.1)，第二離合器(9.1)閉合時連接豎軸(11)，中央處 理器(12)和第二離合器(9.1)、第二同步帶放大器(9.2)、第二編碼器(9.3)、第二電機與驅動(9.11)分別連接； 設第二同步帶放大器(9.2)的傳動比為1:Z，中央處理器(12)經第二電機與驅動(9.11)的輸出在傳動后在第三蝸輪(9.4)產生仰俯運動結果，仰俯運動結果由第二同步帶放大器(9.2)放大Z倍，放大結果傳遞給第二編碼器(9.3)并經由第二編碼器(9.3)轉換為數字信號上傳給中央處理器(12)，中央處理器(12)將所得數據除以Z倍后得到豎軸(11)真實的位置到達數據。
3.根據權利要求2所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:所述紅外激光光源(2)包括紅外激光鏡頭(2.1)、紅外激光調焦鏡(2.2)、紅外激光發生器(2.3)、泵浦電源(2.4)、第一電機(2.5)、第一驅動電路(2.6)和第三編碼器(2.7)，紅外激光鏡頭(2.1)、紅外激光調焦鏡(2.2)、紅外激光發生器(2.3)、泵浦電源(2.4)依次連接，第一電機(2.5)與紅外激光調焦鏡(2.2)、第一驅動電路(2.6)、第三編碼器(2.7)分別連接，中央處理器(12)和泵浦電源(2.4)、第一驅動電路(2.6)、第三編碼器(2.7)分別連接；所述天文望遠鏡成像單元(5)包括第三電機(5.1)、第三驅動電路(5.2)、第五蝸輪(5.3)、第五蝸桿(5.4)、第五編碼器(5.5)、第二物鏡(5.6)、第二調焦鏡(5.7)、第二成像鏡組(5.8)和第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)，第二物鏡(5.6)、第二調焦鏡(5.7)、第二成像鏡組(5.8)和第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)依次連接，第三驅動電路(5.2)、第三電機(5.1)、第五蝸桿(5.4)、第五編碼器(5.5)依次連接，第五蝸桿(5.4)與第五蝸輪(5.3)嚙合，第五蝸輪(5.3)連接第二調焦鏡(5.7)，中央處理器(12)和第三驅動電路(5.2)、第五編碼器(5.5)、第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)分別連接。
4.根據權利要求3所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:所述搜索成像單元(3)包括第二電機(3.1)、第二驅動電路(3.2)、第六蝸輪(3.3)、第六蝸桿(3.4)、第四編碼器(3.5)、第一物鏡(3.6)、變焦鏡組(3.7)、第一調焦鏡(3.8)、第一成像鏡組(3.9)、第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10)、第七蝸輪(3.U)、第七蝸桿(3.12)、第六編碼器(3.13)、第四電機(3.14)和第四驅 動電路(3.15)，第一物鏡(3.6)、變焦鏡組(3.7)、第一調焦鏡(3.8)、第一成像鏡組(3.9)、第一雙濾光片結構CXD模塊(3.10)依次連接，第二驅動電路(3.2)、第二電機(3.1)、第六蝸桿(3.4)、第四編碼器(3.5)依次連接，第六蝸桿(3.4)與第六蝸輪(3.3)嚙合，第六蝸輪(3.3)連接第一調焦鏡(3.8)，第四驅動電路(3.15)、第四電機(3.14)、第七蝸桿(3.12)、第六編碼器(3.13)依次連接，第七蝸桿(3.12)與第七蝸輪(3.11)嚙合，第七蝸輪(3.11)連接變焦鏡組(3.7)，中央處理器(12)和第二驅動電路(3.2)、第四編碼器(3.5)、第六編碼器(3.13)、第四驅動電路(3.15)、第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10)分別連接。
5.根據權利要求4所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:基于光敏電阻(6)進行自主成像過程，包括根據白光光通量，光敏電阻(6)發出信號控制中央處理器(12)關閉或打開泵浦電源(2.4)，對應白光光源或紅外激光光源；搜索成像單元(3)、天文望遠鏡成像單元(5)分別與圖像處理單元⑷連接，成像結果由圖像處理單元⑷判斷圖像清晰度，在白光光源下的成像結果達不到清晰度要求時，中央處理器(12)打開泵浦電源(2.4)提供紅外激光光源。
6.根據權利要求5所述的 跟蹤測量機器人，其特征在于:所述自主成像過程的工作步驟如下，步驟1，進行成像光源初始選擇，實現如下， 在白光光通量足以使第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)白光成像時，光敏電阻(6)的信號口處于閉合狀態，中央處理器(12)關閉泵浦電源(2.4)，進入步驟2;白光光通量不足以第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)白光成像時,光敏電阻(6)的信號口處于常開狀態,中央處理器(12)開啟泵浦電源(2.4)，紅外激光光源(2)照射目標，搜索成像單元(3)、天文望遠鏡成像單元(5)接受自目標返回的紅外激光，進入步驟4 ; 步驟2，白光光源下，對良好能見度及霧霾環境的自適應和成像光源的自主選擇，實現如下， 中央處理器(12)讀取變焦鏡組(3.7)、第一調焦鏡(3.8)的調焦標定值驅動第二電機(3.1)和第三電機(5.1)依次到達各相應標定位置，在每個相應標定位置，白光信號經由搜索成像單元(3)、天文望遠鏡成像單元(5)轉換為數字信號后到達圖像處理單元(4)，圖像處理單元(4)獲取圖像值并比較，記錄使圖像值最大的第二電機(3.1)位置為使來自搜索成像單元(3)的圖像最清晰處，記錄使圖像值最大的第三電機(5.1)位置為使來自天文望遠鏡成像單元(5)的圖像最清晰處； 中央處理器(12)對目標景物的所有圖像值進行分析處理， 若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值大于預設正實數Q1，則判定測站處于良好能見度環境，進入步驟3 ; 若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于預設正實數Ql大于預設正實數Q2，則判定測站處于中度或輕度霧霾環境，進入步驟4 ; 若圖像值的最大值與最小值之差的絕對值小于預設正實數Q2，則判定測站處于重度霧霾環境，中央處理器(12)報警，停止流程； 其中，預設正實數Ql大于預設正實數Q2 ； 步驟3，基于白光光源，在自動調焦后進行自動成像， 針對搜索成像單元(3)的實現如下， 自動調焦時，中央處理器(12)向第二驅動電路(3.2)發出指令，使第二電機(3.1)、第六蝸桿(3.4)轉動，第四編碼器(3.5)實時記錄第六蝸桿(3.4)的運動狀態同步反饋給中央處理器(12)，中央處理器(12)算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第六蝸桿(3.4)轉動到設定的位置并通過第六蝸輪(3.3)完成對第一調焦鏡(3.8)的焦距調整；自動成像時，白光信號經過第一物鏡(3.6)、變焦鏡組(3.7)、第一調焦鏡(3.8)和第一成像鏡組(3.9)到達第一雙濾光片結構CXD模塊(3.10)，第一雙濾光片結構CXD模塊(3.10)將白光信號轉換成數字信號后到達圖像處理單元(4)，圖像處理單元(4)得到清晰的景物圖像并上傳至中央處理器(12)，完成基于白光光源的自動成像任務，結束流程； 針對天文望遠鏡成像單元(5)的實現如下， 自動調焦時，中央處理器(12)向第三驅動電路(5.2)發出指令，使第三電機(5.1)、第五蝸桿(5.4)轉動，第五編碼器(5.5)實時記錄第五蝸桿(5.4)的運動狀態同步反饋給中央處理器(12)，中央處理器(12)算出脈沖修正值并據此發出下一指令，直到第五蝸桿(5.4)轉動到設定的位置并通過第五蝸輪(5.3)完成對第二調焦鏡(5.7)的焦距調整；自動成像時，白光信號經過第二物鏡(5.6)、第二調焦鏡(5.7)和第二成像鏡組(5.8)到達第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)，第二雙濾光片結構CCD模塊(5.9)將白光信號轉換成數字信號后傳至圖像處理單元(4)，圖像處理單元(4)得到清晰的景物圖像并上傳至中央處理器(12)，完成基于白光光源的自動成像任務，結束流程； 步驟4，基于紅外激光光源，在紅外激光照射范圍準確覆蓋成像單元(3)的視場后進行自動成像， 針對搜索成像單元(3)的實現如下， 首先，中央處理器(12)同時完成兩項工作，一是開啟第四驅動電路(3.15)，使第四電機(3.14)帶動第七蝸桿(3.12)運動到 Pi位置，第七蝸桿(3.12)帶動渦輪(3.11)使變焦鏡組(3.7)將搜索成像單元(3)的視場調整到執行第i類任務所需的大小，第六編碼器(3.13)將第七蝸桿(3.12)的實際到達位置上傳給中央處理器(12) ;二是向第一驅動電路(2.6)發出指令使第一電機(2.5)帶動紅外激光調焦鏡(2.2)運動到Qi位置，使紅外激光光源(2)的照射范圍正好覆蓋搜索成像單元(3)的視場； 其中，標定常數Pi是搜索成像單元(3)執行第i類任務時的視場，稱為Pi成像視場i=l, 2，3，……J，J為總類數，標定常數Qi是與Pi —一對應的紅外激光聚焦值，紅外激光調焦鏡(2.2)處于Qi位置時紅外激光照射范圍與Pi成像視場重合，Pi被標定后，Qi根據Pi標定； 然后，從目標景物返回的紅外激光信號通過第一物鏡(3.6)、變焦鏡組(3.7)、第一調焦鏡(3.8)、第一成像鏡組(3.9)到達第一雙濾光片結構C⑶模塊(3.10)，第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10)將紅外激光信號轉換成數字信號后傳至圖像處理單元(4)，圖像處理單元(4)得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器(12)，完成基于紅外激光光源的自動成像任務; 針對天文望遠鏡成像單元(5)的實現如下， 首先，中央處理器(12)向第一驅動電路(2.6)發出指令使第一電機(2.5)帶動紅外激光調焦鏡(2.2)運動到位置V。，紅外激光光源(2)的照射范圍正好覆蓋天文望遠鏡成像單元(5)的視場；其中，V。是標定常數，按天文望遠鏡成像單元(5)的視場角U。標定紅外激光光源⑵的相應常數V。； 然后，從目標景物返回的紅外激光信號通過第二物鏡(5.6)、第二調焦鏡(5.7)、第二成像鏡組(5.8)到達第二雙濾光片結構CXD模塊(5.9)。第二雙濾光片結構CXD模塊(5.9)將紅外激光信號轉換成數字信號并將數字信號后傳至圖像處理單元(4)，圖像處理單元(4)得到清晰景物圖像并上傳至中央處理器(12)，完成基于紅外激光光源的自動成像任務。
7.根據權利要求6所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:在天文望遠鏡成像單元(5)通視目標景物條件下，進行基于物方遙感影像的目標點三維大地坐標遙測，步驟如下， 1)精準確定測量目標，實現如下， 當用戶通過在人機交互單元(13)的觸摸屏在搜索成像單元(3)獲取的大視場實景影像中點擊選取的目標點時，中央處理器(12)以目標點為新的分劃中心，向仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)發出運動指令，將橫軸(10)和豎軸(11)轉動到位，使軸線L指向目標點；天文望遠鏡成像單元(5)獲取影像；中央處理器(12)在天文望遠鏡成像單元(5)獲取的高倍光學放大后的目標點實景影像上進行數碼變焦再放大，獲得光學和數碼兩級放大后的目標點清晰影像；2)精確瞄準測量目標，實現如下， 當用戶通過在人機交互單元(13)的觸摸屏在光學和數碼兩級放大后的目標點清晰影像中點擊選定的測量目標時，中央處理器(12)以測量目標為新的分劃中心，根據測量目標位置向仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)發出運動指令，將橫軸(10)和豎軸(11)轉動到位，使軸線L指向測量目標，完成對測量目標的精確瞄準； 3)對測量目標三維大地坐標的遙測，實現如下， 中央處理器(12)根據測站常量數據及仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)提供的瞄準測量目標的仰俯、航向姿態數據，測距單元(I)提供的測站至測量目標的距離數據計算得到測量目標的三維大地坐標。
8.根據權利要求7所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:基于實時三維大地坐標和實時視頻，斷開第一離合器(7.1)、第二離合器(9.1)，對任意移動目標進行半自動跟蹤測量；或者閉合第一離合器(7.1)、第二離合器(9.1)，對特定移動目標進行自動跟蹤測量。
9.根據權利要求8所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:基于實時三維大地坐標和實時視頻，對任意移動目標的半自動跟蹤測量的步驟如下， 1)進入半自動跟蹤測量工作模式，實現方式如下， 基于自動成像方法連續獲取目標影像，在人機交互單元(13)的觸摸屏上連續播放，斷開第一離合器(7.1)、第二離合器(9.1)，進入支持手動操控的半自動跟蹤測量工作模式，開啟測距單元(I); 2)實時跟蹤測量，實現方式如下， 當用戶以目視人機交互單元(13)的觸摸屏、手動調整航向角和仰俯角的方式跟蹤移動目標時，航向姿態單元(9)和仰俯姿態單元(7)同步向中央處理器(12)提供瞄準移動目標的實時姿態數據；測距單元(I)連續自動測距，同步向中央處理器(12)提供測站與移動目標之間的實時距離；中央處理器(12)根據測站常量數據和目標變量數據解算出移動目標的實時三維大地坐標； 3)同步數據傳輸，由中央處理器(12)通過通信單元(16)遠程傳輸移動目標的實時視頻和實時三維大地坐標。
10.根據權利要求8所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:基于實時三維大地坐標和實時視頻，對特定移動目標的全自動跟蹤測量的步驟如下， 1)搜索成像單元(3)循環掃描搜索范圍，實現方式如下， 輸入搜索范圍后，中央處理器(12)協調相關工作單元同步工作，包括取與掃描搜索任務對應的變倍參數Pi，通過變焦鏡組(3.7)將搜索成像單元(3)的放大倍數固定在Pi位置；閉合第一離合器(7.1)、第二離合器(9.1)，仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)帶動測距單元(I)、紅外激光光源(2)、搜索成像單元(3)、天文望遠鏡成像單元(5)連續運動，循環覆蓋搜索范圍；根據自動成像過程，在搜索范圍內連續獲取野外實景影像； 2)獲取目標搜索數據，實現方式如下， 搜索成像單元(3)提供以搜索范圍為界的全局影像數據，天文望遠鏡成像單元(5)提供全局影像中每幅以其視場為界的單幅影像的分劃中心附近的局部影像詳細數據； 3)獲取待識別目標影像，實現方式如下， 圖像識別單元(17)比對搜索成像單元(3)提供的全局影像數據，得到待識別目標，中央處理器(12)根據待識別目標在全局影像中的位置向仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)發出運動指令，將橫軸(10)和豎軸(11)轉動到位，使軸線L瞄準待識別目標，天文望遠鏡成像單元(5)獲取待識別目標影像； 4)目標識別，包括由圖像識別單元(17)比對天文望遠鏡成像單元(5)提供的待識別目標影像數據和特定目標的詳細特征數據，識別瞄準對象； 5)跟蹤瞄準，實現方式如下， 中央處理器(12)以圖像識別單元(17)提供的瞄準對象為跟蹤瞄準對象，指令仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)帶動紅外激光光源(2)、搜索成像單元(3)和天文望遠鏡成像單元(5)連續運動，使跟蹤瞄準對象的影像始終保持在野外實景影像中的分劃中心位置；仰俯姿態單元⑵和航向姿態單元(9)同步向中央處理器(12)反饋姿態數據；同時，搜索成像單元(3)以向中央處理器(12)提供包括特定目標方位、環境在內的周邊影像數據；天文望遠鏡成像單元(5)向中央處理器(12)提供特定目標的詳細影像數據； 6)跟蹤測距，包括由測距單元(I)對軸線L瞄準的目標連續測距并同步向中央處理器(12)提供距離數據； 7)跟蹤測量，包括由中央處理器(12)根據測站常量數據和目標變量數據解算出運動中的特定目標的實時三維大地坐標； 8)航跡推算與再搜索，實現方式如下， 包括在設定的時間段內，中央處理器(12)按特定目標在所保存每一時刻的三維大地坐標數據和周邊影像數據，得到航跡推算函數；若搜索成像單元(3)在跟蹤特定目標的過程中失鎖，則中央處理器(12)根據航跡推算函數推算其下一時間可能出現的空間位置，據此劃定目標再搜索范圍并循環搜索，通過仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)使軸線L逐次瞄準這些空間位置，等待特定目標的再次出現； 9)同步數據傳輸，實現方式如下， 中央處理器(12)通過通信單元(16)遠程傳輸特定目標的實時影像和實時三維大地坐標。
11.根據權利要求7所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:在天文望遠鏡成像單元(5)通視目標景物條件下，進行全天候自動生成基于野外實景影像的地形圖，步驟如下， 1)在單幅野外實景影像中確定第一個起始點，實現方式如下， 中央處理器(12)通過當前攝取的野外實景影像得到航向角和仰俯角的起始終止位置與運動范圍并指令三維姿態系統將航向角和仰俯角運動到起始位置，瞄準第一個起始點KO ;測距單元(I)對第一個起始點KO測距，中央處理器(12)通過測站常量數據和目標變量數據計算得到KO的三維大地坐標(X0，Y0, HO)； 2)在單幅野外實景影像上自動繪制等高線，實現方式如下， 從第一個起始點(Χ0，Υ0，Η0)開始，中央處理器(12)根據第一個起始點的高程值HO指令航向姿態單元(9)和仰俯姿態單元(7)運動，獲得高程值HO處一系列三維大地坐標點，連接所述各點得到等高線LI ； 3)在單幅野外實景影像上自動生成地形圖，實現方式如下， 依次類推獲得以設定的密度覆蓋野外實景影像的等高線族，得到基于野外實景影像的地形圖。
12.根據權利要求11所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:進行360°全景野外實景影像的無重疊拼接，包括變換航向角和仰俯角，進行二維野外實景影像遍歷拍攝，排列構成環繞測站360°的全景二維野外實景影像并生成等高線和地形圖。
13.根據權利要求11所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:在天文望遠鏡成像單元(5)通視目標景物條件下，在二維野外實景影像內自動生成任意形狀、任意幅面大小的三維野外實景影像，步驟如下， 1)任意界定工作范圍，實現方式如下， 當用戶在人機交互單元(13)的觸摸屏顯示的二維野外實景影像上勾勒任意形狀的閉合曲線C，中央處理器(12)將C所包圍的區域M界定為工作范圍；仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)按中央處理器(12)的指令將運動起止點位置全部落在閉合曲線C上； 2)在任意界定的工作范圍內自動生成三維大地坐標點陣云，實現方式如下， 按照設定的密度，測距單元(1)、仰俯姿態單元(7)和航向姿態單元(9)在界定的工作范圍內同步工作，連續向中央處理器(12)提供目標變量數據，中央處理器(12)根據測站常量數據和目標變量數據連續解算，在任意界定的工作范圍內獲得三維大地坐標點陣云； 3)自動生成三維野外實景影像，實現方式如下， 中央處理器(12)在所述二維野外實景影像中，利用已知的三維大地坐標點陣云向無三維大地坐標的點推算三維大地坐標，獲得三維野外實景影像。
14.根據權利要求3所述的跟蹤測量機器人，其特征在于:所述搜索成像單元(3)包括第二電機(3.1)、第二驅動電路(3.2)、第六蝸輪(3.3)、第六蝸桿(3.4)、第四編碼器(3.5)、第一物鏡(3.6)、第一調焦鏡(3.8)、第一成像鏡組(3.9)、第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10),第一物鏡(3.6)、第一調焦鏡(3.8)、第一成像鏡組(3.9)、第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10)依次連接，第二驅動電路(3.2)、第二電機(3.1)、第六蝸桿(3.4)、第四編碼器(3.5)依次連接,第六蝸桿(3.4)與第六蝸輪(3.3)嚙合,第六蝸輪(3.3)連接第一調焦鏡(3.8)，中央處理器(12)和第二驅動電路(3.2)、第四編碼器(3.5)、第一雙濾光片結構CCD模塊(3.10)分別連接。
【文檔編號】G05B19/042GK103885455SQ201410114680
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】許凱華 申請人:許凱華