CN119492356A - 一种基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，包括：智能导航机器人根据测量任务导航到测量点、调整水平平台至水平状态，并使RTK模块的二维坐标等于测量点二维坐标；智能导航机器人通过水平转盘带动光源安装杆旋转，使激光发射器寻找并对准激光接收基准杆轴线投射水平激光；AIOT平台通知基准杆移动接收激光，并记录增量式编码器输出的移动距离值上传AIOT平台；打开激光测距传感器发射垂直激光到测量点，输出测得的距离上传AIOT平台；AIOT平台通过表达式计算智能导航机器人所在测量点的毫米级高程。本发明能够实现毫米级的高程测量及测量作业的自动化和数字化。

Description

一种基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法

技术领域

本发明属于激光测量仪器技术领域，尤其涉及一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统。

背景技术

高程测量是一种测量地球表面或物体相对于某一参考面的高度的过程。在土地测量、工程建设等领域中，高程测量非常重要，它提供了地表或物体在垂直方向上的位置信息，例如在道路施工工程中，施工人员需要对道路的高程进行测量，并根据测量结果对道路施工进行调整，以确保道路高程满足设计要求，并将施工误差控制在最小范围内，而当前各类建造和施工领域要实现毫米级的高精度高程测量方式只能依赖专业的人员通过水准仪或全站仪进行人工作业，人力成本高且效率低下。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统，该系统通过智能导航机器人、线束型激光光源、激光接收基准杆及AIOT平台的协同配合，实现工程施工中毫米级精度的高程无人化测量，有效提升了施工现场的测量效率，减少了专业测量人员需求，测量结果记录更加准确。

为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统，包括配置有激光发射装置的智能导航机器人、用于接收激光的激光接收基准杆及分别与所述智能导航机器人和所述激光接收基准杆通信连接的AIOT平台；

激光发射装置包括同源调控台及固定安装在同源调控台上的圆柱形光源安装杆，发射线束型激光的激光发射器固设在光源安装杆上部，激光测距传感器固设在光源安装杆底部，光源安装杆的上部和底部分别伸出同源调控台中水平平台的上表面和下表面，激光发射器发射的线束型激光的方向与光源安装杆杆体呈现90度夹角，激光测距传感器发射的激光方向为沿光源安装杆杆体轴线向下照射；

所述同源调控台固设在智能导航机器人的线控车身底盘上，所述同源调控台用于实现激光发射器发射的线束型激光保持水平状态、激光测距传感器发射的线束型激光保持垂直状态及所述激光发射器发射的水平状态线束型激光旋转调整照射的方向；光源安装杆上还设置有RTK模块，RTK模块坐标位置、激光发射器发射点位置、激光测距传感器光源发射点位置均设置在光源安装杆的轴线上；

所述激光接收基准杆包括可升降式立杆及套设在可升降式立杆上的环形激光接收传感器。

进一步地，所述智能导航机器人还包括蓄电池、主控制器、第一物联网模块，所述线控车身底盘为智能导航机器人的物理平台，用于承载包括所述蓄电池、所述主控制器、所述第一物联网模块及所述RTK模块各种组件，并通过驱动四车轮进行移动。

进一步地，所述同源调控台包括4根高度相等的补偿伸缩杆、水平平台及水平旋转转盘；每根补偿伸缩杆的底部固设在线控车身底盘上，顶部通过球接头与水平平台下表面转动连接，水平平台上表面固设水平旋转转盘，水平旋转转盘圆心位置固定、垂直设置所述光源安装杆。

进一步地，所述线控车身底盘上预留有空洞，所述空洞位于4根补偿伸缩杆底部之间，空洞尺寸设置标准为激光测距传感器发射的垂直线束型激光在机器人车辆发生或不发生倾斜时，都能够穿过空洞照射到地面。

进一步地，所述激光接收基准杆还包括设置在可升降式立杆上的杆控制器、第二物联网模块及电源；所述可升降式立杆包括基座和设置于基座上的移动杆，移动杆能够根据控制指令上下伸缩调节，调节精度<1毫米。

进一步地，所述AIOT平台包含IOT管理模块、任务协同服务模块及数据中台模块，部署于云服务器。

进一步地，所述环形激光接收传感器的环型接收面的宽度≤10毫米。

进一步地，激光发射器为线束型激光光源，激光光源标准为光线传输至激光接收基准杆后，光斑大小≤10毫米。

进一步地，所述可升降式立杆基座内设置与移动杆伸缩进行联动的齿轮，并通过计数器计算齿轮旋转齿数确定移动杆伸缩高度，即激光接收传感器移动的距离。

进一步地，所述环形激光接收传感器套设区域形成的圆柱体轴线中心位置固定设置增量式编码器，所述增量式编码器用于提供相对于初始位置的变化量，指示其移动的距离，即激光接收传感器移动的距离。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过智能导航机器人、激光发射装置、激光接收基准杆与AIOT平台的配合，改变了人工寻找测量点、人工测量数据、记录数据的工作模式，只需提前架设激光接收基准杆，然后输入各测量点的信息到AIOT平台，即可通过智能导航机器人的自主导航系统导航到各测量点并自动完成高程测量和数据记录，且测量高程精度可以控制在毫米级，实现了测量作业的自动化和数字化；

2、本发明通过将激光发射器移动到测量点经纬度上(高度不同)，激光发射器发射水平线束型激光，激光接收基准杆上的激光接收传感器接收到水平线束型激光后，确定激光接收传感器高程后反推激光发射器高程，再通过激光发射器与激光测距传感器的距离关系及激光测距传感器测出的其到地面测量点的距离，最后由AIOT平台计算得到目标地面测量点的高程，高程精度可以控制在毫米级；

3、本发明构建了适用于本发明具体需求情景的特殊设计的同源调控台，同源调控台中同源设计了4根补偿伸缩杆，通过同源的设计提供了更好的高度升降的补偿效果；并且，水平平台通过其水平旋转转盘中心上固定的光源安装杆分别设置两个激光光源，一个用来发射水平方向的激光，用来得到参照高程数据；另一个发射垂直方向的激光测距，并在同源调控台下的智能导航机器人线控车身底盘上配合预留照射到地面的空洞，用来得到自身所需高程数据，结构巧妙，获得高程数据准确快捷；

4、本发明发射水平方向的激光的激光发射器发射的是线束型激光，激光接收基准杆上设置的是圆环形激光接收传感器，线束型激光能够大幅提高测量中的施工安全；而圆环形的激光接收传感器的设计，能够使激光接收传感器在其设置处360度、无死角地接收激光信号，扩大激光接收基准杆的测量范围。

附图说明

图1是本发明一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统的一个实施例应用状态的示意图；

图2是本发明的同源高度升降补偿的原理示意图；

图3是本发明的一个实施例的RTK模块设置在光源安装杆顶部的机器人系统结构示意图。

图中：

线控车身底盘1、RTK模块2、同源调控台3、光源安装杆4、激光发射器5、激光测距传感器6、可升降式立杆7、激光接收传感器8、地面基准点9、空洞10。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图1-3和实施例作进一步说明。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以一段道路施工的工程高程测量为例，施工人员需要对道路的高程进行测量，并根据测量结果对道路施工进行调整，以确保道路高程满足设计要求，并将施工误差控制在最小范围内。如附图1所示，本发明提供一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统，其包括智能导航机器人、激光发射装置、激光接收基准杆及AIOT平台。

智能导航机器人包括线控车身底盘1、蓄电池、主控制器、第一物联网模块及RTK模块2(部分组件未在图中示出)。线控车身底盘1是智能导航机器人的物理平台，用于承载蓄电池、主控制器、第一物联网模块及RTK模块2等各种组件并通过驱动四个车轮进行移动，还包括驱动电机、传感器等。蓄电池用于提供机器人的电力需求，连接到主控制器、驱动电机等部件以供电。主控制器是智能导航机器人的大脑，负责处理导航算法、传感器数据的收集和处理、运动控制等，它与线控车身底盘1、蓄电池、第一物联网模块等部件之间通过电缆或接口进行连接，负责控制机器人的导航、运动和激光发射等功能。主控制器、第一物联网模块分别通过无线网络(如Wi-Fi、蜂窝网络等)与AIOT平台网络通信，实现远程监控、远程操作、数据传输等功能。

激光发射装置包括同源调控台3及安装在同源调控台3上的圆柱形光源安装杆4、激光发射器5及激光测距传感器6，同源调控台3、激光发射器5及激光测距传感器6分别连接主控制器，以接收控制指令。同源调控台3包括4根高度相等的补偿伸缩杆、水平平台及水平旋转转盘。每根补偿伸缩杆的底部固设在线控车身底盘1上，顶部通过球接头与水平平台下表面转动连接，水平平台上表面设置有水平旋转转盘，水平旋转转盘圆心位置垂直、固设光源安装杆4，光源安装杆4的上部和底部分别伸出水平平台的上表面和下表面，光源安装杆4的上部固定安装有激光发射器5，激光发射器5发射的线束型激光照射方向与光源安装杆4杆体轴线的夹角呈现90度，即光源安装杆4杆体垂直时，激光发射器5发射水平线束型激光；光源安装杆4的底部固定安装有激光测距传感器6，激光测距传感器6沿光源安装杆4杆体轴线方向向下发射线束型激光，即光源安装杆4杆体垂直时，激光测距传感器6发射垂直沿轴线方向向下的线束型激光，激光发射器5的光源发射点、激光测距传感器6的光源发射点都安装在圆柱形光源安装杆4的轴线上。激光测距传感器6是一种利用激光技术来测量目标距离的设备。它通过发射一束激光并测量激光束返回的时间或其他属性来计算目标物体与传感器之间的距离。

同源调控台3用于调整光源安装杆4的姿态，以保持激光发射器5水平发射线束型激光、激光测距传感器6垂直发射线束型激光及水平发射的线束型激光旋转调整照射的方向。同源调控台3的4根补偿伸缩杆底部固设在线控车身底盘1上，顶部通过球接头与水平平台转动连接，这样的连接方式可以提供足够的灵活性，使得伸缩杆可以在水平平台下，根据四车轮所处地面的高低需要，上下补偿性伸缩移动，从而矫正水平平台的倾斜状态，保持水平平台水平。安装时，在线控车身底盘1上表面找到4个车轮高度的支撑点，分别两两连接4个车轮高度支撑点，形成带有两条对角线的第一位移四边形后，得到分别以对角线的交点和4个车轮高度支撑点为两端点的4条第一线段，将4根补偿伸缩杆的底部分别一对一地固定安装在4条第一线段上，每根补偿伸缩杆的底部到对角线交点的距离占其所在第一线段的比例相等，即如果一根补偿伸缩杆的底部处于其所在第一线段的1/2处，则其余3根补偿伸缩杆的底部也处于其所在第一线段的1/2处，此种设计的目的在于：通过同源的设计可以提供更好的补偿效果。

同源调控台3的调整主要是通过4根补偿伸缩杆的伸缩高度补偿实现的，以1根补偿伸缩杆的伸缩高度补偿为例，补偿原理如附图2所示，当一个水平平面AC的C端点(车轮高度支撑点)升高2cm到达C’点时，则平面上的E点(位于1/2AC)、F点(位于3/4AC)随平面位移到E’和F’点，平面AC’呈现倾斜状态不再保持水平，此时如果将平面随E’点下降1cm左右到达E点(或者随F’点下降1.5cm左右到达F点)，则平面AC’回到平面AC，回复水平状态。实现平台水平自动控制还包括：在平台上安装倾斜传感器，例如加速度计或倾斜传感器，以测量平面的倾斜角度。传感器测量平台的倾斜角度，并将这些数据传输给主控制器，并进行实时分析和处理，根据传感器测量到的倾斜角度，主控制器通过调节4根补偿伸缩杆的伸缩长度来使平面保持水平。

当智能导航机器人行驶到测量点时，因为被测量的地面有可能是不平的，线控车身底盘1上的四个车轮所处的地面高度有所不同，因此，原本处于水平状态的线控车身底盘1及水平平台会发生倾斜，从而使得设置在其上的激光发射器5发射的线束型激光不能够实现水平照射，影响最后的测量结果。这就需要通过同源调控台3(主要是通过上述的同源设计的4根补偿伸缩杆的伸缩，同时，补偿伸缩杆的伸缩范围能够覆盖车轮高度位移。)的调整，保持水平平台水平，从而保持激光发射器5能够水平发射线束型激光，激光测距传感器6能够垂直发射线束型激光。

水平平台上表面设置有水平旋转转盘，水平旋转转盘的设置方式包括两种，第一种为在水平平台上表面的中心处设置水平旋转转盘；第二种可以在水平平台上表面找到四个伸缩杆高度的支撑点，分别连接四个伸缩杆高度支撑点形成带有两条对角线的第二位移四边形，以第二位移四边形对角线交点为转盘圆心设置水平旋转转盘，此种设计的优点在于，转盘圆心设置上的光源安装杆4上的RTK模块2能够在水平平台调整水平状态时，获得最小的位移，有利于后续的调整后重新定位、对准地面测量点坐标。

水平旋转转盘圆心位置垂直、固定设置光源安装杆4，光源安装杆4的上部安装有激光发射器5，激光发射器5位于水平平台上方，确保激光水平照射时不会被遮挡。激光发射器5为线束型激光光源，固定在光源安装杆4的轴线上，水平发射线束型激光。激光光源要求发射光线传输至激光接收基准杆后，光斑大小可控制在10毫米以内，以保证毫米级的高程测量。举例来说，当对于目标公路进行高程测量时，因为施工测量一般的要求是1公里，也就是说要在激光接收基准杆前后的500米进行测量，因此激光光源要求发射光线传输500米(传输至激光接收基准杆)后，光斑大小仍可控制在10毫米以内，以保证毫米级的高程测量。光源安装杆4的底部安装有发射垂直线束型激光的激光测距传感器6，激光测距传感器6也安装在圆柱形光源安装杆4的轴线上，光源安装杆4的底部突出水平平台下表面。在线控车身底盘1上预留有空洞10，空洞10位于4根补偿伸缩杆底部之间，可以为圆形、椭圆形等形状，空洞10尺寸设置标准为：激光测距传感器6发射的垂直线束型激光在机器人车辆因四轮所处地面高度情况，发生或不发生倾斜时，激光都能够穿过空洞10照射到地面。

同源调控台3的功能主要体现在以下三个方面：

第一方面，因为需要测量的工程作业路面并不都是水平的，当智能导航机器人行驶到测量点时，线控车身底盘1上垂直竖立的光源安装杆4可能会因为路面的不平，呈现倾斜的状态，从而导致激光发射器5发射的线束型激光不能保持水平照射状态，因此，通过同源调控台3的状态调整，可以使得水平平台保持水平、光源安装杆4保持垂直状态，从而实现线束型激光保持水平照射状态。

第二方面，光源安装杆4保持垂直状态后，其底部的激光测距传感器6也能够垂直发射线束型激光到地面的测量点，进行亚毫米级的激光测距。

第三方面，因为本发明的激光发射器5发射的是线束型激光，不是面型激光，因此，需要使得线束型激光能够通过水平照射角度的变化调整，来找到激光接收基准杆轴线，并对其上的环形激光接收传感器8进行准确投射，这就需要提供激光发射器5所在的光源安装杆4的旋转功能，而将光源安装杆4垂直固定在同源调控台3上，通过同源调控台3上水平旋转转盘的旋转，带动固定在其上的光源安装杆4的旋转，从而使激光发射器5线束型激光在水平方向上根据需要旋转，实现水平方向上的照射角度改变，令线束型激光能够通过对激光接收基准杆轴线的经、纬度坐标定位，激光接收基准杆再配合升降，实现水平线束型激光对激光接收基准杆上的环形激光接收传感器8的准确寻找和投射。

本发明采用线束型激光，不采用面型激光，是经过特殊考量的：

因为在施工路面或其它工程场景高程勘测时，会有在道路外围边缘等地进行其它任务的工作人员共同在现场工作，如果是面型激光，那么大面积的激光照射可能会在工作人员下蹲、抬头、转头等等不经意的动作时，对人体眼睛等部位造成安全危害，因此，采用线束型激光后，只需通过现场施工提醒等手段，确保其他工作人员不处在发射点与接收点的两点之间的极小直线区域范围，即可避免此类人身安全隐患。

光源安装杆4上设置RTK模块2，RTK模块2也设置在光源安装杆4的轴线上。RTK模块2用于提供高精度的定位信息，其连接智能导航机器人的主控制器，以实现精确的导航和定位。

作为本发明的一种实施方式：RTK模块2固定在光源安装杆4顶部，激光发射器5固设在RTK模块2下方的光源安装杆4上部，此时系统结构示意图如附图3所示。

作为本发明的另一种实施方式：RTK模块2固定在转盘圆心，也就是第二位移四边形对角线的交点上，激光发射器5固设在RTK模块2上部。此种设计的目的是为水平平台进行水平调整时，此种设置方式的RTK模块2的位移最小，其坐标变化幅度也最小，机器人可以减少(或者不需要)调整移动距离。此时系统结构示意图如附图1所示。

智能导航机器人的主控制器负责协调所有组件的工作，包括导航、定位、激光发射和同源调控台3调整，从而实现智能导航机器人的准确到达测量点，并控制同源调控台3调整，包括转向、定位激光照射方向，并分别保持水平、垂直照射功能。

激光接收基准杆包括圆柱形的可升降式立杆7、环形激光接收传感器8、杆控制器、第二物联网模块及电源。其中，可升降式立杆7包括基座和基座上的移动杆，基座上设置调平结构和升降结构，移动杆可以根据杆控制器的指令，上下伸缩调节，调节精度在1mm以内。环形激光接收传感器8水平套设于移动杆杆体的上部，环形激光接收传感器8形成的圆柱形的轴线与圆柱形移动杆杆体的轴线重合，负责接收和处理激光信号，环形结构能够使激光接收传感器在水平360度的范围内无死角接收激光信号，扩大测量范围。环形激光接收传感器8的直径大于10cm，因为RTK模块2产品给出的精度一般是±3cm，但是在实际测试时发现最大会有±5cm偏差，所以根据坐标计算的时候激光投射结果有可能会有偏差，并且当机器人与接收杆的距离越近时，光斑就越小，有可能就是很小的一点，因此需要将这时的偏差接收范围控制在大于或等于轴线左、右分别5cm，也就是要将环形激光接收传感器8的直径设置为大于或等于10cm就能保证激光被有效接收到。而在工程测量中，对地面测量点位置精度的要求是在厘米级，因此，RTK定位精度完全能够满足工程业务要求。

在环形激光接收传感器8套设区域形成的圆柱体轴线(与移动杆杆体的轴线重合)的中间位置固定设置增量式编码器，增量式编码器用于提供相对于初始位置的变化量或增量，每次移动停止后，编码器都会输出一个增量信号，指示其移动的距离，也就是激光接收传感器8移动的距离。激光接收传感器8的圆环型接收面覆盖整个套设区域的杆体表面，以确保能够在杆体周围的水平方向上360度接收线束型激光信号，且环型接收面的上下宽度≤10毫米，因为环型接收面的上下宽度≤10毫米，环形激光接收传感器接收到光斑后(光斑可能在环形接收面的不同区域)，将其中心增量式编码器的坐标点作为激光接收定位点，能够保证毫米级的高程测量。移动杆伸出长度的标准为：令套设其上的环形激光接收传感器8的接收位移范围能够覆盖激光发射器5发射的水平线束型激光的上下位移的范围。

杆控制器与可升降式立杆7、激光接收传感器8、第二物联网模块通过有线或无线连接，用于控制可升降式立杆7调节高度、处理激光感应器的数据，第二物联网模块的数据等；杆控制器与第二物联网模块设置在激光接收基准杆上，分别与AIOT平台进行通信连接。电源为激光接收基准杆的各组件提供电能。

作为本发明的另一种实施方式，环形激光接收传感器的位移获得方式还可以为在可升降式立杆基座内设置与移动杆伸缩进行联动的齿轮，并通过计数器计算齿轮旋转齿数确定移动杆伸缩高度，即激光接收传感器移动的距离(初始化时测量出地面基准点到环形激光接收传感器轴线中心位置的高程，再通过计数器计算齿轮旋转齿数确定激光接收传感器中心位置移动的距离，去计算最后所需的高程)。

AIOT平台为软件云平台，包含IOT管理、任务协同服务、数据中台等模块，可部署在云服务器。AIOT平台是人工智能物联网(AIoT)平台，是将人工智能(AI)和物联网(IoT)技术相结合的一种综合性平台。它包含了IOT管理、任务协同服务和数据中台多个模块。以下是这些模块的工作方式：

IOT管理模块主要负责管理物联网设备。它会通过通信协议(如Wi-Fi、LoRa、3G\4G\5G信号等)分别与第一物联网模块、第二物联网模块连接，并实时监控这些设备的状态和数据。IOT管理模块通常包括设备注册、设备连接、设备状态监测、远程控制等功能，通过这些功能，用户可以方便地管理和控制物联网设备。

任务协同服务模块主要负责协调和管理各种任务。它可以接收来自用户或系统其他的任务请求，然后根据任务的类型、优先级等信息，分配给合适的设备来执行。任务协同服务模块通常包括任务调度、任务分配、任务执行监控等功能，通过这些功能，可以实现任务的自动化管理和执行。

数据中台模块主要负责数据的管理和分析。它会收集来自第一、二物联网模块和主控制器、杆控制器的数据，然后进行存储、处理和分析，最终生成各种数据分析结果。通过这些功能，可以实现对数据的有效管理和利用。

AIOT平台通过IOT管理、任务协同服务和数据中台等多个模块的协同工作，实现对智能导航机器人、激光发射装置及激光接收基准杆等物联网设备的管理、任务的协同执行和数据的管理与分析。

在实际使用中，本发明提供的一种基于激光技术实现毫米级高程测量的机器人系统，其进行高程测量的方法包括：

S1、进行机器人系统初始化，其包括激光接收基准杆初始化、智能导航机器人初始化及激光发射装置初始化，具体为：

S11、进行激光接收基准杆初始化，包括：

S111、确定地面基准点：根据国家提供的水准测量点，通过全站仪、水准仪等仪器测量得到工程建设使用的已知三维坐标的地面基准点9，做施工的参考；

S112、布设激光接收基准杆：在确定的一个地面基准点(已知其经纬度坐标(X0,Y0))上、垂直于地面安装布设激光接收基准杆。圆柱形激光接收基准杆的轴线位于坐标(X0,Y0)上，在激光接收基准杆设置时，杆体人工垂直埋入或者通过基座上的调平机构调至垂直。

进一步地，调整移动杆处于未伸出的初始状态，也就是令套设其上的环形激光接收传感器处于其移动范围的最低点，也即环形激光接收传感器内部轴线上的增量式编码器的坐标高度为其高度最低点。

通过测量得到环形激光接收传感器轴心中点的增量式编码器与地面基准点的距离，得到增量式编码器的初始高程h1发送给AIOT平台。

S12、进行智能导航机器人初始化；

智能导航机器人初始化包括在机器人出发前初始状态时，保持机器人线控车身底盘水平，RTK模块通过GNSS系统测量和获取到模块中心点的WG84初始坐标(x0,y0,z0)发送给主控制器，并通过测量得到激光发射器发射点到激光测距传感器激光发射点的距离h2发送给AIOT平台。

S13、进行激光发射装置初始化；

激光发射装置初始化包括保持同源调控台的水平平台水平并且水平旋转转盘中心固定设置的光源安装杆处于垂直状态，光源安装杆上部的激光发射器发射的线束型激光处于水平状态，光源安装杆底部的激光测距传感器发射的线束型激光处于与杆轴线重合的垂直、向下状态；进一步地，水平平台下的4根补偿伸缩杆的伸缩高度可以为伸出一半左右，这样，在机器人到达测量点时，无论车四轮所处地面是高是低，同源设计的4根补偿伸缩杆都能方便地相应伸缩，进行水平平台的水平状态调整，快速达到平台水平目标。

S2、通过AIOT平台设置和下发具体的测量任务给智能导航机器人启动测量，测量任务中包括需要测量的第一个测量点的坐标(X1,Y1)及增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)。

AIOT平台向智能导航机器人发送测量任务，测量任务中包括各测量点的坐标数据集，数据集中包括需要测量的第一个测量点的坐标(X1,Y1)及激光接收基准杆上增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)。

S3、智能导航机器人根据接收的任务信息坐标(X1,Y1)及已知的RTK模块初始坐标(x0,y0)自动导航到测量点，此时RTK模块的现二维坐标(x1,y1)等于测量点的二维坐标(X1,Y1)；

以下是智能导航机器人根据接收的坐标信息自动导航到要测量的点的一般过程：

路径规划：智能导航机器人接收到测量点的坐标(X1,Y1)后，利用RTK模块提供的坐标(x0,y0)确定自己当前的位置和朝向进行当前位置定位，主控制器使用路径规划算法计算出最佳的导航路径，路径规划时考虑避开障碍物、最短路径和地形特征等因素，以确保机器人安全、高效地到达目标点。

运动控制：主控制器根据路径规划结果控制机器人的运动，包括调整轮子的转动速度、方向等，以沿着规划好的路径移动。

实时校正：由于RTK提供了高精度的定位信息，机器人在移动过程中可以进行实时校正，以确保其位置和朝向的精确性。这可以通过不断更新机器人的位置信息并根据实际情况调整导航路径来实现。

到达测量点：机器人到达测量点，此时RTK模块的现二维坐标(x1,y1)等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，智能导航机器人车轮停止运动。

S4、检测水平平台状态，如平台不是水平状态则执行步骤S5，如平台为水平状态则执行步骤S6；

通过水平平台上安装的倾斜传感器，检测水平平台状态，如平台不是水平状态则执行步骤S5，如平台为水平状态则执行步骤S6。

S5、智能导航机器人通过同源调控台将水平平台调整至水平，然后获取RTK模块现二维坐标(x1*,y1*)，判断(x1*,y1*)是否等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，如果等于，则执行步骤S6；如果不等于，则保持平台的水平状态并自动导航调整位置，直至RTK模块的现二维坐标(x1*,y1*)等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，也就是光源安装杆底部的激光测距传感器发射的线束型激光处能够垂直、向下正好投射到测量点上后，执行步骤S6；

具体地，在行驶到测量点时，因为机器人线控车身底盘下四轮所处地面的高度不同，导致线控车身底盘上表面的车轮高度的支撑点因高度上升或下降发生位移，从而导致线控车身底盘倾斜，带动补偿伸缩杆顶部的水平平台倾斜(以一个车轮所处地面升高为例，该车轮对应的车轮高度支撑点上升，即第一位移四边形的一个角顶点上升，线控车身底盘上表面的第一位移四边形平面倾斜，带动水平平台上与第一位移四边形平行的第二位移四边形同角度倾斜，此时调整补偿伸缩杆伸缩高度，使假设位于E’点的补偿伸缩杆顶部下降到E点(如果是位于F’点则下降到F点)，则线控车身底盘依旧倾斜，但补偿伸缩杆上面的水平平台则回复水平，从而使得固定在水平平台光源安装杆上部的激光发射器发射的线束型激光能够实现水平照射，光源安装杆底部的激光测距传感器能够实现垂直向下照射，不影响最后的测量结果。

进一步地，将水平平台调整至水平后，需再次获取RTK模块现二维坐标(x1*,y1*)，如发现(x1*,y1*)不等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，则保持水平平台的水平状态，控制机器人进行相应移动，令RTK模块坐标定位在测量点的二维坐标(X1,Y1)上。保持水平平台的水平状态的一种方式可以为通过平台上安装的倾斜传感器，采用闭环控制系统，实时监测平面的倾斜角度，对补偿伸缩杆进行调整，以使平面实时保持水平状态。

此时，RTK模块中心经纬度坐标(即RTK获取的自身坐标)、激光发射器发射点经纬度坐标、激光测距传感器发射点经纬度坐标与测量点经纬度坐标(X1,Y1)一致。

S6、根据增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)，机器人测算出增量式编码器(实际上就是基准杆的轴线)相对于此时RTK终端坐标的经纬度坐标(X0′,Y0′)；通过水平旋转转盘的旋转，带动固定在其上的光源安装杆的旋转，使激光发射器线束型激光寻找并对准旋转基准杆轴线的投射方向。

S7、打开水平激光光源、发射激光到激光接收基准杆杆体轴线，同时发送消息通知AIOT平台激光已发射,并向AIOT平台发送此时RTK终端高度坐标z1；

在水平激光发射前，做现场安全提醒及去掉遮挡障碍物体，确保机器人与基准杆两点之间直线区域内无人员或其它遮挡物体存在。

S8、AIOT平台通知基准杆向上移动，直到激光接收传感器接收到激光为止，并记录增量式编码器输出的移动距离值△h1,将△h1的值通过第二物联网模块上传到AIOT平台。

S9、打开激光测距传感器发射激光到测量点，输出测得的距离△h2,将△h2的值通过第一物联网模块上传到AIOT平台。

激光测距传感器及增量式编码器输出距离值精度都是亚毫米级的，能够保证本发明的毫米级高程测量需要。

S10、AIOT平台通过表达式H1＝(h1+△h1)－(h2+△h2)计算的结果即为智能导航机器人所在第一个测量点的高程H1。

进一步地，后续测量第二测量点的高程时，按如下步骤进行：

P1、智能导航机器人根据接收的第二个测量点坐标(X2,Y2)及RTK模块现坐标(也就是第一个测量点坐标)自动导航到第二个测量点，此时RTK模块的现二维坐标(x2,y2)等于二个测量点的二维坐标(X2,Y2)；

P2、检测水平平台状态，如平台不是水平状态则执行步骤S5，如平台为水平状态则执行步骤S6；

通过水平平台上安装的倾斜传感器，检测水平平台状态，如平台不是水平状态则执行步骤S5，如平台为水平状态则执行步骤S6。

P3、智能导航机器人通过同源调控台将水平平台调整至水平，然后获取RTK模块现二维坐标(x2*,y2*)，判断(x2*,y2*)是否等于测量点的二维坐标(X2,Y2)，如果等于，则执行步骤S6；如果不等于，则保持平台的水平状态并执行步骤S3，直至RTK模块的现二维坐标(x2*,y2*)等于测量点的二维坐标(X2,Y2)，也就是令光源安装杆底部的激光测距传感器发射的线束型激光处能够垂直、向下投射到测量点上后，执行步骤S6；

P4、根据增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)，机器人测算出增量式编码器(实际上就是基准杆的轴线)相对于RTK终端坐标的经纬度坐标(X0′,Y0′)；通过水平旋转转盘的旋转，带动固定在其上的光源安装杆的旋转，使激光发射器线束型激光寻找到对准旋转基准杆轴线的投射方向；

P5、打开水平激光光源、发射激光到激光接收基准杆杆体，同时发送消息通知AIOT平台激光已发射,并向AIOT平台发送此时RTK终端高度坐标z2；

在水平激光发射前，做现场安全提醒及去掉遮挡障碍物体，确保机器人与基准杆两点之间直线区域内无人员或其它遮挡物体存在。

P6、AIOT平台通知基准杆准备移动，并告知其移动方向；

基准杆的移动方向由RTK终端高度坐标z1和z2的关系确定：

如果z1>z2，则基准杆的移动方向为向下；

如果z1>z2，则基准杆的移动方向为向上；

如果z1＝z2，则基准杆不用移动。

因为工程使用的设计坐标不是同一个坐标系，与RTK采用的也不是同一个坐标系，因为地球不是一个圆形，圆心的参考点不一样就是不同坐标系。而不同坐标系之间的高程误差取决于多种因素，包括使用的测量方法、地球模型、大气状况等。测量过程中地面基准点的坐标以及测量目标点的坐标要使用同一个地球模型坐标系，一般按照工程建设设计图纸采用的坐标系。

智能机器人通过RTK定位进行路径规划和导航时要做相应坐标系转换，但是不能直接使用RTK等数据精确得到工程所需的目标测量点高程值，不过，各个系统的数值变化的趋势却是一致的，这是因为即使在不同的坐标系下，地形的实际变化是相对一致的，即RTK的前后两个点的高度坐标如果是向下移动，那么这两个点的工程测量采用的坐标系中的移动趋势也一定是下降的。因此，使用前后两个测量点水平平台调平后的RTK高度坐标变化趋势，就能够预判与RTK固定在同一根杆上的水平激光射线发射点的高度坐标变化趋势，从而决定环形激光接收传感器需要运动的方向，以快速接收到激光，提高了测量系统的工作效率。

P7、激光接收传感器检测是否接收到激光，如果检测接收到激光，则通知AIOT平台，第二测量点高程同第一测量点；如检测未接收到激光，基准杆根据AIOT平台通知方向移动，直到激光接收传感器接收到激光为止，并记录增量式编码器输出的移动距离值△h1,将△h1的值通过第二物联网模块上传到AIOT平台；

作为一种异常情况，如果沿基准杆根据AIOT平台通知方向移动到终点，激光接收传感器也没有接收到激光，则从所在终点反方向移动，直至接收到激光为止，并报告异常情况备查。

另外，当某些组件出现故障或信号问题在智能导航机器人发出水平激光标定时间内无法发射、接收、反馈测量数据时，智能导航机器人向AIOT平台报送系统问题故障，标定时间为激光接收基准杆正常状态下从最低点伸至最高点时长的2倍。

P8、打开激光测距传感器发射激光到测量点，输出测得的距离△h2,将△h2的值通过第一物联网模块上传到AIOT平台；

P9、AIOT平台通过公式H2＝(h1+△h1)－(h2+△h2)计算的结果即为智能导航机器人所在第二个测量点的高程H2。

重复以上P1～P9步骤测量得到后续测量点的高程数据。

本发明技术方案利用了光的直线传播原理，在已知高程的点架设基准杆后，通过AIOT平台实现智能导航机器人和基准杆之间的通讯和协同，让智能导航机器人携带激光发射源到目标测量点后，发射激光到基准杆上，然后通过调整基准杆的激光接收器高度确认激光在基准杆上对应的高程，从而实现高精度的高程测量；同时整个作业过程的信息与测量数据都通过AIOT平台进行采集和分析，实现了测量作业的自动化和数字化。本发明与传统测量工艺相比减少了人工寻找测量点和人工测量数据、记录数据的工作；只需提前架设基准杆，然后输入测量点的信息到AIOT平台，即可通过机器人的自主导航系统导航到测量点并自动完成高程测量和数据记录，且测量高程精度可以控制在毫米级。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，其通过毫米级高程测量的机器人系统实现，包括以下步骤：

S1、进行机器人系统初始化；

S2、通过AIOT平台下发测量任务给机器人系统中的智能导航机器人，测量任务中包括需要测量的第一个测量点的坐标(X1,Y1)及增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)；

S3、智能导航机器人根据接收的任务信息坐标(X1,Y1)及已知的RTK模块初始坐标(x0,y0)自动导航到测量点，此时RTK模块的现二维坐标(x1,y1)等于测量点的二维坐标(X1,Y1)；

S4、检测智能导航机器人的水平平台状态，如水平平台不是水平状态，则执行步骤S5；如水平平台为水平状态，则执行步骤S6；

S5、智能导航机器人通过同源调控台将水平平台调整至水平，然后获取RTK模块现二维坐标(x1*,y1*)，判断(x1*,y1*)是否等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，如果等于，则执行步骤S6；如果不等于，则保持平台的水平状态并自动导航调整位置，直至RTK模块的现二维坐标(x1*,y1*)等于测量点的二维坐标(X1,Y1)，也就是光源安装杆底部的激光测距传感器发射的线束型激光处能够垂直、向下正好投射到测量点上后，执行步骤S6；

S6、根据增量式编码器的初始坐标(X0,Y0)，智能导航机器人测算出增量式编码器相对于此时RTK终端坐标的经纬度坐标(X0′,Y0′)；通过水平旋转转盘的旋转带动光源安装杆的旋转，使激光发射器线束型激光寻找并对准激光接收基准杆轴线的投射方向；

S7、打开水平激光光源、发射激光到激光接收基准杆杆体轴线，同时发送消息通知AIOT平台激光已发射,并向AIOT平台发送此时RTK终端高度坐标z1；

S8、AIOT平台通知基准杆向上移动，直到激光接收传感器接收到激光为止，并记录增量式编码器输出的移动距离值△h1,将△h1的值上传到AIOT平台；

S9、打开激光测距传感器发射激光到测量点，输出测得的距离△h2,将△h2的值上传到AIOT平台；

S10、AIOT平台通过表达式H1＝(h1+△h1)－(h2+△h2)计算的结果即为智能导航机器人所在第一个测量点的高程H1。

2.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述步骤S1、进行机器人系统初始化，具体为：

S11、进行激光接收基准杆初始化，包括：

S111、确定地面基准点；

根据水准测量点，测量得到已知三维坐标的地面基准点；

S112、布设激光接收基准杆；

在确定的一个地面基准点的经纬度坐标(X0,Y0)上、垂直于地面安装布设激光接收基准杆，圆柱形激光接收基准杆的轴线位于坐标(X0,Y0)上；

通过测量得到环形激光接收传感器轴心中点的增量式编码器与地面基准点的距离，得到增量式编码器的初始高程h1发送给AIOT平台；

S12、进行智能导航机器人初始化；

智能导航机器人初始化包括在机器人出发前初始状态时，保持机器人线控车身底盘水平，RTK模块获取到模块中心点的WG84初始坐标(x0,y0,z0)发送给主控制器，并通过测量得到激光发射器发射点到激光测距传感器激光发射点的距离h2发送给AIOT平台；

S13、进行激光发射装置初始化；

激光发射装置初始化包括保持同源调控台的水平平台水平并且水平旋转转盘中心固定设置的光源安装杆处于垂直状态，光源安装杆上部的激光发射器发射的线束型激光处于水平状态，光源安装杆底部的激光测距传感器发射的线束型激光处于与杆轴线重合的垂直、向下状态。

3.根据权利要求2所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述步骤S112中，布设激光接收基准杆时，调整移动杆处于未伸出的初始状态，即令环形激光接收传感器内部轴线上的增量式编码器的坐标高度为其高度最低点。

4.根据权利要求2所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述步骤S13中，进行激光发射装置初始化时，水平平台下的4根补偿伸缩杆的伸缩高度为伸出约1/2，用于在机器人到达测量点时，无论车四轮所处地面高低，同源设计的4根补偿伸缩杆能更快捷补偿伸缩，达到水平平台水平状态目标。

5.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述方法中，智能导航机器人发射激光前，RTK模块经纬度坐标、激光发射器发射点经纬度坐标、激光测距传感器发射点经纬度坐标与测量点经纬度坐标一致。

6.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述方法还包括：在激光发射器的水平激光发射前，做现场安全提醒及去掉遮挡障碍物体，确保机器人与基准杆两点之间直线区域内无人员安全隐患或遮挡物存在。

7.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述方法还包括：在后续测量第二测量点的高程时，基准杆的移动方向由RTK终端前后的高度坐标z1和z2的关系确定：

如果z1>z2，则基准杆的移动方向为向下；

如果z1>z2，则基准杆的移动方向为向上；

如果z1＝z2，则基准杆不用移动。

8.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述方法还包括：当某些组件出现故障或信号问题，在智能导航机器人发出水平激光标定时间内无法发射、接收、反馈测量数据时，智能导航机器人向AIOT平台报送系统问题故障，标定时间为激光接收基准杆正常状态下从最低点伸至最高点时长的2倍。

9.根据权利要求1所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述毫米级高程测量的机器人系统包括配置有激光发射装置的智能导航机器人、用于接收激光的激光接收基准杆及分别与所述智能导航机器人和所述激光接收基准杆通信连接的AIOT平台。

10.根据权利要求9所述的基于激光技术实现智能毫米级高程测量的方法，其特征在于，所述激光发射装置包括同源调控台及固定安装在同源调控台上的圆柱形光源安装杆，发射线束型激光的激光发射器固设在光源安装杆上部，激光测距传感器固设在光源安装杆底部，光源安装杆的上部和底部分别伸出同源调控台中水平平台的上表面和下表面，激光发射器发射的线束型激光的方向与光源安装杆杆体呈现90度夹角，激光测距传感器发射的激光方向为沿光源安装杆杆体轴线向下照射；

所述同源调控台固设在智能导航机器人的线控车身底盘上，所述同源调控台用于实现激光发射器发射的线束型激光保持水平状态、激光测距传感器发射的线束型激光保持垂直状态及所述激光发射器发射的水平状态线束型激光旋转调整照射的方向；光源安装杆上还设置有RTK模块，RTK模块坐标位置、激光发射器发射点位置及激光测距传感器光源发射点位置均设置在光源安装杆的轴线上；

所述激光接收基准杆包括可升降式立杆及套设在可升降式立杆上的环形激光接收传感器。