基于扫描线模型的电子激光经纬仪自动瞄准方法研究

　　0 引 言

　　经纬仪具有测量精度高、非接触、可移动等优点，被广泛应用于航空航天、船舶制造、汽车工程等领域。传统经纬仪测量系统需要人眼瞄准，测量效率低，不能对多个目标进行快速的瞄准测量[1]。带有 CCD相机和马达驱动的电视经纬仪测量系统能够实现自动瞄准测量，但受马达驱动误差影响，难以准确瞄准被测目标，不能达到较高的测量精度[2-3]。张滋黎通过摄像机视场引导经纬仪测量，对摄像机和经纬仪可分别布站，既满足了目标空间的大范围搜索要求又不影响经纬仪的优化布站，但在对视场内目标点进行自动瞄准时采用了逐渐逼近的方法，由于马达驱动误差等因素的影响，经纬仪激光光斑很难在较少的瞄准次数下精确对准目标质心位置，从而降低了自动测量效率[4-5]。

　　本文提出了一种基于视觉的目标点精确定位方法，在视觉引导的经纬仪测量系统中，通过建立经纬仪激光光斑的扫描线模型，对目标点进行区域扫描，从而解算出目标点的实际坐标。无需多次瞄准，既保证了测量的精度又提高了测量效率。

　　1 测量系统组成

　　如图1 所示，本系统由两台马达驱动激光电子经纬仪和一台固定在二维精密转台上的可自动变焦摄像机组成。在每台经纬仪目镜端装配有半导体激光器,其投射在目标上的光斑质心即为经纬仪实际瞄准位置。摄像机首先处于广角模式，驱动精密转台转动带动摄像机在测量空间内搜索被测目标。当被测目标出现在视场内后，调整摄像机焦距，使目标在视场内清晰成像，并驱动经纬仪瞄准目标视场。最后驱动经纬仪利用本文建立的扫描线模型对视场内的目标点进行自动瞄准，并通过逐次缩小步长逐次逼近计算提高测量精度。

　　2 目标点的精确定位

　　2.1 扫描平行网格模型

　　如图2 所示，V 为目标平面，W 为摄像机平面，平面 U 与摄像机像平面平行且过扫描初始点 N。电子激光经纬仪以固定的垂直角β0做水平小角度旋转，设旋转前后经纬仪水平角分别为α0、(α0+Δα0)，则经纬仪旋转形成的圆锥面可近似为一个平面，该平面与目标平面 V 相交形成的轨迹 MN 可视为一条直线。直线MN 方程可表示为

　　根据 Kardan 旋转，使得平面 V 按照 Z 轴、Y 轴、X 轴的顺序分别旋转角度α、β、γ 得到平面 U，则两平面间的旋转矩阵：

　　当Δα很小时Δk 近似为 0。即当垂直角变化很小时，两条水平扫描轨迹线近似平行。同理，当水平角变化很小时，两条垂直扫描线也近似平行，可视为不同方向平行线组成的平行网格。