一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法

摘要

一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，a由单套或多套基准系统组成旋转激光基准参考面；b基准系统得到旋转激光基准参考面的海拔高度；c步骤b的海拔高度传送给移动测量端；d移动测量端接收；e移动测量端得到自身海拔高度和平面定位信息；f移动测量端获得激光高程传感器相对旋转激光基准参考面的激光高程偏差；g融合步骤b的海拔高度、激光高程偏差、步骤e的海拔高度，获得融合高程值；h采用移动测量端的姿态传感器的倾斜信息进行倾斜校正，得到毫米级高程测量值；i采用姿态传感器的倾斜信息进行投影校正，得到厘米级精度的平面定位。本发明具有较高测量精度，可满足现代化智能平整技术的要求，属于智能机械领域。

权利要求

1.一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：包括如下步骤：a、由单套或多套基准系统组成旋转激光基准参考面；

b、基准系统的位置测量模块获得海拔高度和平面定位信息，通过转换得到旋转激光基准参考面的海拔高度；

c、旋转激光基准参考面的海拔高度和位置测量模块的平面定位信息通过基准系统的通讯模块传送给移动测量端；

d、移动测量端接收到旋转激光基准参考面的海拔高度；

e、移动测量端的GNSS测量得到移动测量端的海拔高度和平面定位信息；

f、移动测量端的激光高程传感器感应旋转激光信号，获得激光高程传感器相对旋转激光基准参考面的激光高程偏差；

g、融合旋转激光基准参考面的海拔高度、激光高程偏差、移动测量端的海拔高度，获得融合高程值；

h、采用移动测量端的姿态传感器的倾斜信息对融合高程值进行倾斜校正，得到毫米级高程测量值；

i、采用移动测量端的姿态传感器的倾斜信息对移动测量端的平面定位信息进行投影校正，得到厘米级精度的平面定位；

步骤b中，基准系统的位置测量模块安装于相对旋转激光面Si固定垂直距离的位置，基准系统的位置测量模块测量得到毫米级海拔高度H1Si，通过相对位置转换得到旋转激光基准参考面的海拔高度HSi；

步骤e中，移动测量端的GNSS天线安装于激光高程传感器相对垂直距离为h1的位置，姿态传感器安装在激光高程传感器和移动测量端的GNSS天线的角度固定；

步骤g中，移动测量端的GNSS接收得到海拔高度H2，移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1＝H2‑HSi‑h1，激光高程传感器相对旋转激光面Si的激光高程偏差ΔH2；根据激光高程传感器的方差特性，采用变系数加权滤波算法将移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1与激光高程偏差ΔH2融合得到高程融合偏差ΔH及高程融合值H3，ΔH＝αkΔH1+(1‑αk)ΔH2 k取正整数H3＝HSi+ΔH

其中，ΔH1是GNSS高程偏差；ΔH2是激光高程偏差；HSi是旋转激光面Si的海拔高度；αk为权重系数由激光接收器的方差α激光和GNSS方差αGNSS共同确定，a,b表示激光高程传感器上不同位置对应绝对高程值。

2.按照权利要求1所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：采用基准端和移动测量端；基准端包括单套或多套基准系统，每套基准系统均包括位置测量模块、激光发射器和通信模块；移动测量端包括GNSS、激光高程传感器、姿态传感器和通信模块。

3.按照权利要求2所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：位置测量模块采用GNSS静态测量，或采用全站仪测量。

4.按照权利要求2所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：步骤a中，当采用单套基准系统时，旋转激光基准参考面为基准系统的激光发射器的旋转激光面。

5.按照权利要求2所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：步骤a中，当采用多套基准系统时，旋转激光基准参考面为同一参考平面或阶梯级参考平面，基准系统的位置测量模块获得海拔高度和平面定位信息，通过基准系统的通讯模块将旋转激光基准参考面的海拔高度和位置测量模块的平面定位信息传送给移动测量端。

6.按照权利要求5所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：阶梯级参考平面中，只有同一阶梯平面对应的基准系统的激光发射器同时启动工作；对于不同阶梯平面对应的基准系统的激光发射器，通过基准端的通讯模块发送的基准参考面的海拔高度，与移动测量端的GNSS当前定位海拔高度比较，将比较结果通过移动测量端的通信模块反馈给基准端，决定是否开启该阶梯平面对应的基准系统的激光发射器和是否关闭其它阶梯平面对应的基准系统的激光发射器；根据基准端的位置测量模块的平面定位信息、移动测量端的GNSS平面定位信息求出基准端的GNSS与移动测量端的GNSS之间的距离，用最近的基准系统作为参考基准，移动测量端通过通信模块反馈给所有基准，关闭除参考基准外的其他基准的激光发射器。

7.按照权利要求1所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：步骤f中，当激光高程传感器未检测到激光射入时，通过基准端发送的旋转激光基准参考面的海拔高度，与移动测量端的海拔高度比较，调节移动测量端的激光高程传感器感应到激光面。

8.按照权利要求1所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：步骤h中，姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，对融合高程H3进行校正，倾斜校正得到毫米级高程H＝H3cosφcosθ。

9.按照权利要求8所述的一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其特征在于：步骤i中，移动测量端的GNSS接收平面定位信息(X0，Y0)，姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，姿态传感器的倾斜信息对移动端GNSS平面定位信息进行投影校正，投影校正值为

说明书

一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及智能机械领域，具体涉及一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法。

背景技术

[0002] 目前我国已从传统仿形平整技术发展为激光平整技术、卫星平整技术等高精度的平整方式，其中激光平整技术、卫星平整技术大大改善传统的平整方式，极大的提高了施工
平整精度。

[0003] 激光平整技术和卫星平整技术已在世界各地各个领域广泛应用，GNSS全球导航卫星系统是覆盖全球自主空间定位的卫星系统，集成美国GPS、中国BDS、俄罗斯GLONASS等导
航系统，具有良好的稳定性能性和精度。

[0004] 随着施工要求提升，具有平面定位和毫米级精度的高程测量在施工中需求越来越迫切。然而，激光平整技术仅测得高精度的高程信息，难以满足现代化的智能平整技术的三
维地形、路径规划和智能控制等要求，而卫星平整技术高程精度难以满足高精度平整场合
的要求，所以有必要提出一种具有平面定位和毫米级高程测量精度的方案。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种精度高且满足现代化智能平整技术的具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，包括如下步骤：a、由单套或多套基准系统组成旋转激光基准参考面；b、基准系统的位置测量模块获得海拔高度和平面定
位信息，通过转换得到旋转激光基准参考面的海拔高度；c、旋转激光基准参考面的海拔高
度和位置测量模块的平面定位信息通过基准系统的通讯模块传送给移动测量端；d、移动测
量端接收到旋转激光基准参考面的海拔高度；e、移动测量端的GNSS测量得到移动测量端的
海拔高度和平面定位信息；f、移动测量端的激光高程传感器感应旋转激光基准参考面的旋
转激光信号，获得激光高程传感器相对旋转激光基准参考面的激光高程偏差；g、融合旋转
激光基准参考面的海拔高度、激光高程偏差、移动测量端的海拔高度，获得融合高程值；h、
采用移动测量端的姿态传感器的倾斜信息对融合高程值进行倾斜校正，得到毫米级高程测
量值；i、采用移动测量端的姿态传感器的倾斜信息对移动测量端的平面定位信息进行投影
校正，得到厘米级精度的平面定位。

[0008] 作为一种优选，一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，采用基准端和移动测量端；基准端包括单套或多套基准系统，每套基准系统均包括位置测量模块、激光发
射器和通信模块；移动测量端包括GNSS、激光高程传感器、姿态传感器和通信模块。

[0009] 作为一种优选，位置测量模块采用GNSS静态测量，或采用全站仪测量。

[0010] 作为一种优选，步骤a中，当采用单套基准系统时，旋转激光基准参考面为基准系统的激光发射器的旋转激光面。

[0011] 作为一种优选，步骤a中，当采用多套基准系统时，旋转激光基准参考面为同一参考平面或阶梯级参考平面，基准系统的位置测量模块获得海拔高度和平面定位信息，通过
基准系统的通讯模块将旋转激光基准参考面的海拔高度和位置测量模块的平面定位信息
传送给移动测量端。

[0012] 作为一种优选，阶梯级参考平面中，只有同一阶梯平面对应的基准系统的激光发射器同时启动工作；对于不同阶梯平面对应的基准系统的激光发射器，通过基准端的通讯
模块发送的基准参考面的海拔高度，与移动测量端的GNSS当前定位海拔高度比较，将比较
结果通过移动测量端的通信模块反馈给基准端，决定是否开启该阶梯平面对应的基准系统
的激光发射器和是否关闭其它阶梯平面对应的基准系统的激光发射器。根据基准端的位置
测量模块的平面定位信息、移动测量端的GNSS平面定位信息求出基准端的GNSS与移动测量
端的GNSS之间的距离，用最近的基准系统作为参考基准，移动测量端通过通信模块反馈给
所有基准，关闭除参考基准外的其他基准的激光发射器。

[0013] 作为一种优选，步骤f，当激光高程传感器未检测到激光射入时，通过基准端发送的旋转激光基准参考面的海拔高度，与移动测量端的海拔高度比较，根据比较后的值，通过
电机调节移动测量端的激光高程传感器感应到激光面。

[0014] 作为一种优选，步骤b中，基准系统的位置测量模块安装于相对旋转激光面Si垂直距离固定的位置，基准系统的位置测量模块测量得到毫米级海拔高度H1Si，通过相对位置转
换得到旋转激光基准参考面的海拔高度HSi。

[0015] 步骤e中，移动测量端的GNSS天线安装于激光高程传感器相对垂直距离为h1的位置，姿态传感器安装在激光高程传感器和移动测量端的GNSS天线的角度固定。

[0016] 步骤g中，移动测量端的GNSS接收得到海拔高度H2，移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1＝H2‑HSi‑h1，激光高程传感器相对旋转激光面Si的激光高程偏差ΔH2；根据激光高程传感
器的方差特性，采用变系数加权滤波算法将移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1与激光高程偏
差ΔH2融合得到高程融合偏差ΔH及高程融合值H3，

[0017] ΔH＝αkΔH1+(1‑αk)ΔH2(k＝1，2，3，...)

[0018] H3＝HSi+ΔH

[0019]

[0020]

[0021] 其中，ΔH1是GNSS高程偏差；ΔH2是激光高程偏差；HSi是旋转激光面Si的海拔高度；αk为权重系数由激光接收器的方差α激光和GNSS方差αGNSS共同确定，a,b表示激光高程传感
器上不同位置对应绝对高程值。

[0022] 作为一种优选，步骤h中，姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，对融合高程H3进行校正，倾斜校正得到毫米级高程H＝H3cosφcosθ。

[0023] 作为一种优选，步骤i中，移动测量端的GNSS接收平面定位信息(X0，Y0)，姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，姿态传感器的倾斜信
息对移动端GNSS平面定位信息进行投影校正，投影校正值为

[0024]

[0025] 本发明具有如下优点：

[0026] 1.本发明采用GNSS和激光传感测量到毫米级精度的高程信息和厘米级平面定位信息，具有较高的测量精度。

[0027] 2.本发明的旋转激光基准参考面可由多套激光基准系统组成，可满足大面积施工要求；阶梯级参考平面还可满足非平面地形施工需求。

[0028] 3.本发明结合卫星定位技术和激光传感技术，提高了高程精度且具有平面信息，可用于混凝土平整、道路施工测绘、道路摊铺控制、智能农业平整等领域。

[0029] 4.可满足现代化的智能平整技术的三维地形、路径规划和智能控制等要求。

附图说明

[0030] 图1是一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法的流程图。

[0031] 图2是本发明的旋转激光基准参考面由多套基准系统组成的示意图。

[0032] 图3是本发明应用在平地机工作的示意图。

[0033] 其中，1为三脚架，2为基准端的通信模块，3为激光发射器，4为位置测量模块，5为GNSS，6为激光高程传感器，7为移动测量端的通信模块，8为姿态传感器，9为平地铲，10为拖
拉机，11为升降平台。

具体实施方式

[0034] 下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

[0035] 实施例一

[0036] 如图3，本实施例采用平地机来具体说明一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法，其旋转激光基准参考面由单套基准系统组成，位置测量模块采用GNSS，包括激光
发射器、激光高程传感器、基准端的通信模块、基准端的GNSS、移动测量端的GNSS、移动测量
端的通信模块、平地机控制器、移动测量端的姿态传感器、三脚架、平地铲和拖拉机。

[0037] 三脚架架设在地面上，激光发射器安装于三脚架上，基准系统的位置测量模块GNSS安装于相对旋转激光面Si垂直距离固定的位置，基准端的通信模块固定在三脚架上。

[0038] 将激光高程传感器固定在机具桅杆上，其中激光高程传感器高程零位为光电传感器阵列纵向中心，移动测量端的GNSS安装在光电传感器阵列中心相对垂直距离为h1位置，
姿态传感器安装在激光高程传感器和移动测量端GNSS天线的角度固定，移动测量端的通信
模块固定在姿态传感器的上方。

[0039] 通过手持式交互软件对基准端的GNSS、移动测量端的GNSS参数设置，同时开启基准系统和平地机控制器。

[0040] 基准系统的位置测量模块GNSS静态测量得到测量模块GNSS毫米级海拔高度H1Si，通过转换得到旋转激光基准参考面的海拔高度HSi。

[0041] 旋转激光基准参考面的海拔高度HSi通过通讯模块传送给移动测量端。

[0042] 移动测量端接收到旋转激光基准参考面海拔高度HSi。

[0043] 移动测量端的GNSS测量得到移动测量端的海拔高度H2和平面定位信息(X0，Y0)。

[0044] 将基站端发送的基准参考面的海拔高度，与移动测量端的GNSS当前定位海拔高度H2比较，将激光高程传感器升降至能感应到激光的范围。

[0045] 移动测量端的激光高程传感器感应旋转激光信号，获得激光高程传感器相对基准参考面的激光高程偏差ΔH2。

[0046] 移动测量端的GNSS接收得到海拔高度H2，移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1＝H2‑HSi‑h1，激光高程传感器相对基准参考面Si的激光高程偏差ΔH2；根据激光高程传感器的方
差特性，采用变系数加权滤波算法将移动测量端的GNSS高程偏差ΔH1与激光高程偏差ΔH2
融合得到高程融合偏差ΔH及高程融合值H3

[0047] ΔH＝αkΔH1+(1‑αk)ΔH2(k＝1,2,3,...)

[0048] H3＝HSi+ΔH

[0049]

[0050]

[0051] 其中ΔH1是GNSS高程偏差；ΔH2是激光高程偏差；HSi是旋转激光面Si的海拔高度；αk为权重系数由激光接收器的方差α激光和GNSS方差αGNSS共同确定，a,b表示激光高程传感器
上不同位置对应绝对高程值。

[0052] 姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，对融合高程H3进行校正，倾斜校正得到毫米级高程H＝H3cosφcosθ。

[0053] 移动测量端的GNSS接收平面定位信息(X0，Y0)，姿态传感器检测激光高程传感器和移动测量端的GNSS的横滚角φ和俯仰角θ，姿态传感器的倾斜信息对移动端GNSS平面定
位信息进行投影校正，投影校正值为

[0054]

[0055] 通过毫米级高程解算得到校正后毫米级高程偏差ΔH校正＝H‑HSi，对得到的毫米级高程偏差ΔH校正进行判断，是否接通电磁阀，驱动油缸实现平地铲的运动。此测量方法可以
得到毫米级的绝对高程且可实时已知平地机的平面位置信息。

[0056] 实施例二

[0057] 本实施例中，参见图2来说明旋转激光基准参考面由多套基准系统组成。

[0058] 当对于基准参考面为同一参考平面组成的多套基准系统，基准系统分别命名为基准1、基准2...基准i，旋转激光面分别命名为S1、S2...Si，各个基准系统相隔一段距离，位
置测量模块均采用GNSS，包括激光发射器、激光高程传感器、基准端的通信模块、基准端的
GNSS、移动测量端的GNSS、移动测量端的通信模块、移动测量端的姿态传感器、三脚架。

[0059] 三脚架架设在地面上，激光发射器安装在升降平台上，升降平台安装于三脚架上。各个基准系统同时开启。各个基准系统的位置测量模块GNSS静态测量得到测量模块GNSS毫
米级海拔高度H1S1、H1S2...H1Si，通过转换得到各个旋转激光基准参考面的海拔高度HS1、
HS2...HSi。基准1通过通信模块将旋转激光面S1的海拔高度HS1发送给基准2...基准i的接受
模块，将旋转激光面S1的海拔高度HS1与旋转激光面S2...Si的海拔高度HS2...HSi比较，根据
比较后的值将升降平台调节至旋转激光面S1、S2...Si的海拔高度相等HS1＝HS2...HSi。

[0060] 当多套基准系统组成阶梯级基准参考面时，只有同一阶梯平面的基准系统的激光发射器同时启动工作。对于不同阶梯平面基准系统的激光发射器，通过基站端通讯模块发
送的基准参考面的海拔高度HSi和基准端的GNSS平面定位信息，与移动测量端的GNSS当前定
位海拔高度H2比较，得到能否在测量量程范围内将激光高程传感器调节至该阶梯平面，然
后将比较结果通过通信模块反馈给基站端，决定是否开启该阶梯平面的基准系统的激光发
射器和关闭其它阶梯平面的基准系统的激光发射器。

[0061] 根据基准端的GNSS平面定位信息、移动测量端的GNSS平面定位信息求出基准端的GNSS与移动测量端的GNSS之间的距离，用最近的基准系统作为参考基准，移动测量端通过
通信模块反馈给所有基准，关闭除参考基准外的其他基准的激光发射器。

[0062] 本实施例未提及部分同实施例一。

[0063] 以上所述仅为本发明专利较佳实施例，然而并非用以限定本发明。本发明专利的保护范围并不局限于此，还可用于混凝土平整、道路施工、智能农业平整等邻域。这些变换
方式均在本发明的保护范围内。

[0064] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。