基于视觉的电子激光经纬仪空间点自动瞄准方法

　　随着国民经济的快速发展和国家装备制造业水平的不断进步，作为空间大尺寸坐标测量设备，经纬仪系统以其非接触测量、转站方便、测量精度高等优点得到了日益广泛的使用。但传统的电子经纬仪系统依然存在诸如目标需要人为瞄准、工作强度大、效率低等不足，不利于工业现场的大批量作业[1-2]。

　　近年来，各厂商相继开发出带有双轴马达驱动的激光经纬仪、电视经纬仪等新型经纬仪系统，以实现在一定条件下简化测量流程、提高系统测量效率的目的[3-5]。但由于马达运动误差的存在，使得以上系统在自动测量过程中经纬仪激光点很难精确瞄准被测目标，降低了测量精度; 同时，受电视视场角的限制，在大空间范围内搜索目标存在一定的困难。若将图像处理和计算机视觉技术引入到经纬仪测量过程，利用外置可变焦摄像机构代替电视经纬仪对大范围空间目标点扫描成像，并对包含激光点的目标图像进行插值计算，可以在相同条件下获得更为精确的瞄准角度值，有助于提高系统测量速度，实现测量过程的自动化。

　　1 系统结构

　　激光经纬仪自动坐标测量系统由两台以上TM5100A 电子激光经纬仪、外置摄像机构以及工作PC 组成，如图1 所示。TM5100A 经纬仪是Leica 公司推出的新一代电子经纬仪测量设备，采用了动态测角技术[6]，水平测角和垂直测角合成标准不确定度可同时达到0. 5″。与TM1800 相比，该经纬仪增加了水平轴、俯仰轴驱动马达与可选的DL2 激光器等机构。DL2 激光器安装在经纬仪目镜端，其激光束出射方向与经纬仪视准轴共线，投射到物体表面的光斑中心即指示了经纬仪实际瞄准位置。

　　外置摄像机构由二维旋转云台和固定于云台上的CCD 摄像机/三可变镜头部分构成。云台可在工作空间内自由平移，使摄像机能够以接近正视的姿态瞄准被测目标。镜头处于广角模式时，云台带动摄像机沿水平/俯仰两个方向旋转，以实现大空间范围内的目标点扫描。当被测目标在视场中心成像后，利用极线法[7-8]等方法驱动经纬仪，可将激光点迅速移入摄像机视场。此时将镜头置于长焦模式，即可实现对目标点自动瞄准测量。重置镜头于广角模式，开始新的扫描，不断重复这一过程，直至完成全部测量任务。

　　2 插值瞄准方法

　　2. 1 图像细分定位

　　图像定位精度是影响最终瞄准精度的因素之一。摄像机视场内目标点质心和激光光斑中心定位精度由CCD 像素分辨率和测量分辨率共同决定。测量分辨率公式：

　　式中Δu、Δv 分别为CCD 水平和垂直方向像素尺寸，k 为摄像系统光学放大倍数。经纬仪瞄准目标点过程中，将镜头置于长焦模式可以显著提高镜头光学放大倍数，从而大幅度提高系统测量分辨率。