一种测绘一体机及其倾斜测量方法
【专利摘要】本发明涉及测绘【技术领域】，本发明提供一种测绘一体机及其倾斜测量方法，所述倾斜测量方法包括以下步骤：根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角；获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长；根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置，根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值可以精确获取测绘一体机的对中杆的姿态角，通过进一步计算得到对中杆杆头底部被测点的准确位置，实现了测绘一体机的倾斜测量，使测量过程简单，同时测量精度高。
【专利说明】一种测绘一体机及其倾斜测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测绘【技术领域】，尤其涉及一种测绘一体机以及倾斜测量方法。
【背景技术】
[0002]GNSS(卫星导航)测绘一体机广泛应用与各种测绘测量领域。在测绘过程中，为保证被测点的位置精度，要求测绘一体机依照物理水平气泡的指示进行对中操作，而采用对中操作成为过程相对繁琐、技术难度大、且易造成误差的工作过程。如果测绘一体机带有倾斜测量功能，使得测绘人员无需物理水平气泡对中即可实现精确的位置测量，将大大简化测绘人员的劳动强度并提升效率。目前倾斜测量补偿功能均集成于高端GNSS测绘一体机内，例如以美国trimble公司的RlO为代表，由于技术难度及保密原因，倾斜测量功能不存在独立单元产品，所以倾斜测量功能不能被普遍应用一般GNSS测绘一体机中，并且，传统的倾角传感器由于体积较大、精度较低，且功能形式与测绘一体机应用差别很大，无法应用于测绘一体机的倾斜测量补偿。综上所述，现有技术中存在测绘一体机不能倾斜测量导致测量过程繁琐以及测量误差大的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种测绘一体机以及倾斜测量方法，旨在解决针对现有技术中存在测绘一体机不能倾斜测量导致测量过程繁琐以及测量误差大的问题。。
[0004]本发明是这样实现的，一种测绘一体机的倾斜测量方法，所述倾斜测量方法包括以下步骤:
[0005]根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角；
[0006]获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长；
[0007]根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
[0008]所述根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角的步骤具体为:
[0009]将所述三轴角速度、所述三轴加速度值以及三轴地磁场值进行姿态解算后转换成滚转角、航向角和俯仰角。
[0010]所述根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的步骤具体为:
[0011]根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
[0012]Xb=Xa, +L*cos Θ *cos γ *sin Φ ;
[0013]Yb=Ya, +L*cos Θ *cos γ *cos Φ ;
[0014]Zb=Za, _L+L*sin (acos (cos Θ *cos γ ));
[0015]其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，XA,、YA,、Za,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、ZbS对中杆底部被测点位置。
[0016]所述根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的步骤还包括:
[0017]根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，根据所述模态信息判断倾斜补偿算法的精度，并选择满足预定要求的被测点位置数据。
[0018]所述根据所述模态信息补偿由倾斜改变的被测点的位置的步骤具体为:
[0019]将所述三轴地磁场值计算、所述三轴角速度值以及所述三轴加速度值通过低通数字滤波器进行滤波，并经过姿态角解算卡尔曼滤波器获取模态信息。
[0020]本发明还提供一种测绘一体机，所述测绘一体机包括:
[0021]姿态角获取模块，用于根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角；
[0022]定位位置获取模块，用于获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长；
[0023]被测位置计算模块，用于根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
[0024]所述姿态角获取模块根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角的过程为:
[0025]将所述三轴角速度和所述三轴加速度值进行姿态解算后转换成滚转角、航向角和俯仰角。
[0026]所述被测位置计算模块根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的过程为:
[0027]根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
[0028]Xb=Xa, +L*cos Θ *cos γ *sin Φ ;
[0029]Yb=Ya, +L*cos Θ *cos γ *cos Φ ;
[0030]Zb=Za, _L+L*sin (acos (cos Θ *cos γ ));
[0031]其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，XA,、YA,、Za,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、ZbS对中杆底部被测点位置。
[0032]所述测绘一体机还包括模态识别算法模块；
[0033]所述模态识别算法模块根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，所述模态信息用于判断倾斜补偿算法的精度，并用于选择满足预定要求的被测点位置数据。
[0034]所述模态识别算法模块根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息的过程具体为:
[0035]将所述三轴地磁场值计算、所述三轴角速度值以及所述三轴加速度值通过低通数字滤波器进行滤波，并经过姿态角解算卡尔曼滤波器获取模态信息。
[0036]本发明提供一种测绘一体机及其倾斜测量方法，根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值可以精确获取测绘一体机的对中杆的姿态角，得到对中杆杆头底部被测点的准确位置，实现了测绘一体机的倾斜测量，使测量过程简单，同时测量精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1是本发明一种实施例提供的一种测绘一体机的倾斜测量方法的流程图；
[0039]图2是本发明一种实施例提供的一种测绘一体机的结构示意图；
[0040]图3是本发明另一种实施例提供的一种测绘一体机的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0043]本发明一种实施例提供一种测绘一体机的倾斜测量方法，如图1所示，所述倾斜测量方法包括以下步骤:
[0044]步骤S101.根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角。
[0045]在本实施例中，具体的，通过三轴陀螺仪获取角速度值，通过三轴加速度计获取三轴加速度值，通过三轴磁强计获取三轴地磁场值；将所述三轴角速度、三轴地磁场值和所述三轴加速度值进行姿态解算后转换成滚转角γ、航向角Θ和俯仰角Φ。
[0046]将获得的信号进行运算放大、滤波以及数模转换后，经过带有载体姿态计算程序的控制器进行载体姿态的计算，分别得出载体的俯仰角、滚转角和航向角。
[0047]步骤S102.获取所述测绘一体机的定位位置和测绘一体机的对中杆的杆长。
[0048]在本实施例中，具体的，输入所述测绘一体机的当前定位位置信息和对中杆的杆长。
[0049]步骤S103.根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
[0050]在本实施例中，具体的，根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
[0051]Xb=Xa, +L*cos Θ *cos γ *sin Φ ;
[0052]Yb=Ya, +L*cos Θ *cos γ *cos Φ ;
[0053]Zb=Za, _L+L*sin (acos (cos Θ *cos γ ));
[0054]其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，XA,、YA,、Za,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、ZbS对中杆底部被测点位置。
[0055]所述步骤S103还包括:根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，根据所述模态信息判断倾斜补偿算法的精度，并选择满足预定要求的被测点位置数据。
[0056]在本实施例中，根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，所述模态信息为根据动态情况和地磁质量影响补偿精度的指示信息。
[0057]具体的，上述步骤具体为:
[0058]将所述三轴地磁场值计算、所述三轴角速度值以及所述三轴加速度值通过低通数字滤波器进行滤波，并经过姿态角解算卡尔曼滤波器获取模态信息。
[0059]将本发明测量的所述对中杆三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值进行姿态解算卡尔曼滤波器，得到姿态角信息与模态信息。
[0060]具体的，三轴磁传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪的原始测量数据通过低通数字滤波器进行处理，减小测量噪声，滤波输出的原始测量数据经过姿态角解算卡尔曼滤波器，得到模态信息，其中姿态角包括俯仰角、翻滚角和航向角。区别与由加速度计直接获取俯仰角、翻滚角，磁强计直接计算航向角的传统方法，本发明引入陀螺仪的角速度信息，通过角速度信息与加速度信息、磁强计信息的融合，可以大幅降低由于对中杆运动引起的姿态角误差，同时模态信息的引入可以更好的判别姿态角精度，解决倾斜补偿结果的精度指示与识别。
[0061]本发明另一种实施例还提供一种测绘一体机，所述测绘一体机包括:
[0062]姿态角获取模块201，用于根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角；
[0063]定位位置获取模块202，用于获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长；
[0064]被测位置计算模块203，用于根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
[0065]所述姿态角获取模块201根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角的过程为:
[0066]将所述三轴角速度和所述三轴加速度值进行姿态解算后转换成滚转角γ、航向角Θ和俯仰角ΦO
[0067]所述被测位置计算模块203根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的过程为:
[0068]根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
[0069]Xb=Xa, +L*cos Θ *cos γ *sin Φ ;
[0070]Yb=Ya, +L*cos Θ *cos γ *cos Φ ;
[0071]Zb=Za, _L+L*sin (acos (cos Θ *cos γ ));
[0072]其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，XA,、YA,、Za,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、ZbS对中杆底部被测点位置。
[0073]所述被测位置计算模块203根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的过程还包括:
[0074]根据三轴地磁场值计算模态信息，根据所述模态信息补偿由倾斜改变的被测点的位置。
[0075]所述被测位置计算模块203根据所述模态信息补偿由倾斜改变的被测点的位置的过程具体为:
[0076]将所述对中杆的姿态角进行卡尔曼滤波后再计算所述对中杆底部被测点的位置。
[0077]本发明另一种实施例还提供一种测绘一体机，如图3所示，所述测绘一体机倾斜补偿模块产品包括:
[0078]信号获取模块304，用于分别获取三轴陀螺仪301发送的三轴角速度、三轴加速度计302发送的三轴加速度以及三轴磁传感器303发送的三轴地磁场值。
[0079]姿态角获取模块201，用于根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角，并将姿态角发送给模态识别算法模块305和被测位置计算模块203，模态识别算法模块305根据姿态角、三轴角速度、三轴加速度以及三轴地磁场值经过计算输出相应的模态信息。模态信息指用来支持测绘一体机使用中的动态情况、地磁质量情况等影响倾斜补偿精度的指示信息。
[0080]被测位置计算模块203根据接口与通信模块306获取测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长，根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
[0081]本发明旨为GNSS测绘一体机及相关产品提供一种具有高精度倾角测量及位置补偿功能的模块产品，本发明旨在帮助GNSS测绘一体机研制生产单位开发具备倾斜测量功能的测绘一体机。倾斜测量功能是指在不需要对中杆物理竖直的情况下，通过对本发明模块对倾斜测量时对中杆的角度测量，并完成GNSS定位位置的补偿，得到对中杆杆头底部被测点的准确位置。
[0082]本发明通过软件和硬件的创新，使得倾斜补偿模块的实用性、可靠性、稳定性大幅提升，明显的区别于其它倾斜传感器及补偿模块，使得倾角补偿模块可以用于GNSS测绘一体机产品，实现高精度的倾斜位置测量补偿。实现的产品形态具有显著特点。
[0083]本发明的倾斜测量补偿模块主要应用于GNSS测绘一体机的倾斜测量补偿，其核心功能为姿态测量功能，可以输出俯仰角、滚转角和航向角。区别于一般倾角补偿产品只具有两轴加速度计、三轴或两轴磁传感器及MCU处理器，本发明模块内集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁传感器及MCU处理器。三轴陀螺仪的引入可以大幅增强倾斜测量补偿模块的姿态角测量稳定性，主要体现着在手部晃动、短时磁干扰情况下姿态角精度稳定可靠。
[0084]本发明提供一种测绘一体机及其倾斜测量方法，模块输出具有模态识别功能，此输出表征倾斜补偿信息可用性的模态信息是本发明的核心功能特点。模块输出俯仰角、滚转角和航向角信息的同时输出模态指示信息，用于指示姿态的精度及倾斜补偿效果，这个显著特征是提升模块可用性及可靠性的关键。
[0085]区别于一般姿态角测量产品，本产品具有位置补偿功能，即模块可以输入测绘一体的天线位置坐标，模块自动输出对中杆底部的补偿后位置坐标。此功能是模块区别与一般倾角测量模块的核心功能创新之一，其大幅提升了产品的开发速度，方便了 GNSS—体机研制生产单位的开发速度。
[0086]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
【权利要求】
1.一种测绘一体机的倾斜测量方法，其特征在于，所述倾斜测量方法包括以下步骤: 根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角； 获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长； 根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
2.如权利要求1所述的倾斜测量方法，其特征在于，所述根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角的步骤具体为: 将所述三轴角速度、所述三轴加速度值以及三轴地磁场值进行姿态解算后转换成滚转角、航向角和俯仰角。
3.如权利要求1所述的倾斜测量方法，其特征在于，所述根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的步骤具体为: 根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
Xb= Xa.+L*cos Θ *cos γ *sin Φ ；
Yb= Ya.+L*cos θ *cos γ *cos Φ ；
Zb= Za.-L+L^sin (acos (cos Θ >!<cos γ ))； 其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，ΧΑ,、Υα,、Ζα,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、Zb为对中杆底部被测点位置。
4.如权利要求3所述的倾斜测量方法，其特征在于，所述根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的步骤还包括: 根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，所述模态信息用于判断倾斜补偿算法的精度，并用于选择满足预定要求的被测点位置数据。
5.如权利要求4所述的倾斜测量方法，其特征在于，所述根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息的步骤具体为: 将所述三轴地磁场值计算、所述三轴角速度值以及所述三轴加速度值通过低通数字滤波器进行滤波，并经过姿态角解算卡尔曼滤波器获取模态信息。
6.一种测绘一体机，其特征在于，所述测绘一体机包括: 姿态角获取模块，用于根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角； 定位位置获取模块，用于获取所述测绘一体机的定位位置和所述测绘一体机的对中杆的杆长； 被测位置计算模块，用于根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置。
7.如权利要求6所述的测绘一体机，其特征在于，所述姿态角获取模块根据三轴角速度值、三轴加速度值以及三轴地磁场值获取测绘一体机的对中杆的姿态角的过程为: 将所述三轴角速度和所述三轴加速度值进行姿态解算后转换成滚转角、航向角和俯仰角。
8.如权利要求5所述的测绘一体机，其特征在于，所述被测位置计算模块根据所述对中杆的姿态角、所述测绘一体机的定位位置以及所述对中杆的杆长计算获得所述对中杆底部被测点的位置的过程为: 根据以下关系式计算所述得到所述对中杆底部被测点的位置:
Xb= Xa.+L*cos Θ *cos γ *sin Φ ；
Yb= Ya.+L*cos θ *cos γ *cos Φ ；
Zb= Za.-L+L^sin (acos (cos Θ >!<cos γ ))； 其中，L为测试对中杆的杆长，θ、γ、φ分别为对中杆的姿态角中的俯仰角、滚转角和航向角，ΧΑ,、Υα,、Ζα,为所述测绘一体机的定位位置，XB、YB、Zb为对中杆底部被测点位置。
9.如权利要求8所述的测绘一体机，其特征在于，所述测绘一体机还包括模态识别算法模块； 所述模态识别算法模块根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息，所述模态信息用于判断倾斜补偿算法的精度，并用于选择满足预定要求的被测点位置数据。
10.如权利要求9所述的测绘一体机，其特征在于，所述模态识别算法模块根据三轴地磁场值计算、三轴角速度值以及三轴加速度值获取模态信息的过程具体为: 将所述三轴地磁场值计算、所述三轴角速度值以及所述三轴加速度值通过低通数字滤波器进行滤波，并经过姿态角解算卡尔曼滤波器获取模态信息。
【文档编号】G01C9/00GK104501775SQ201410757000
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】杭大明, 谢荣荣, 孟庆季 申请人:深圳市华颖泰科电子技术有限公司