徐寿志，程鹏飞，吴秀娟

（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079；2.国家测绘产品质量检验测试中心，北京 100830；3.国家光电测距检测中心，北京 100039）

一、引 言

在工业测量中，经常需要对空间圆形物体或圆柱体进行检测，通过测量得到其空间圆的圆心、半径、圆度，以及平整度等相关信息，以确定该工业器件是否满足设计要求。PDA作为一种新型的个人掌上电脑，内置功能强大的Windows Mobile操作系统，能够与全站仪、GPS进行实时通信，近年来在测绘行业也有了一些应用。文献［1］研究和开发了基于PDA的全站仪桥梁检测系统软件，该系统具有良好的输入、输出、管理分析等功能，较好地满足了桥梁检测的需要；文献［2］研究和解决了PDA在野外数字测图中的应用问题，实现了数字测图的内外业结合，提高了工作效率。而通过PDA控制全站仪在工业测量中的应用相对较少。本文通过PDA控制全站仪，以盾构机的法兰为例，对其进行检测，解算出法兰的圆形参数。而在实际测量中由于空间物体过大，全站仪一测站无法观测空间圆形物体的全部轮廓，经常需要搬站测量，此时需要通过PDA对全站仪采集数据进行坐标转换，将数据统一到一个坐标系下再进行解算。

二、空间圆形物体检测方法

1.PDA和全站仪的数据通信

全站仪的通信方式通常有4种:红外、蓝牙、串口同步、串口异步，本文采用蓝牙通信的方式。全站仪的通信参数有:串口号、波特率、奇偶检校位、数据位、停止位，且全站仪的参数应与PDA参数设置一致才能通信。全站仪的通信指令:不同品牌的全站仪的指令都不太一样，不过大同小异，都是通过这些指令对全站仪进行控制，以徕卡全站仪为例，根据实际测量需要选择通讯指令。本文采用的通信指令为 GET/M/WI31/WI21/WI22/WI81/WI82/WI83，具体表示为斜距、水平角、竖直角、N、E、H。PDA开发程序串口通信的过程为:①打开串口，通过CreateFile函数打开串口；② 配置串口，通过SetCommState函数来配置通信参数，当全站仪的串口配置与PDA的参数配置匹配以后才能通信；③读写串口，通过ReadFile和WriteFile函数完成数据的读写工作；④关闭串口，通过CloseHandle函数来完成。

2.全站仪一站测量检测方法

当物体较小可以通过全站仪一个测站进行测量，首先通过全站仪自由设站的方法测量空间物体上面均匀分布的点，将这些点利用球面方程进行拟合，并使它们在一个球面上；然后再根据这些点拟合出其平面方程，通过球面方程和平面方程联立即可求得物体的圆形参数。具体过程如下:

空间圆球方程

通过间接平差模型

则

空间平面方程

平面方程中的4个参数存在线性关系，取D=1，代入式（4）得

通过间接平差求得平面方程的参数，并与空间球面方程联立求解出空间圆形物体的半径、圆度和平整度。各点圆度和平整度计算公式为

式中，（ox，oy，oz）为空间圆形物体的圆心坐标；r0为空间圆形物体的半径；Δr为圆度；Δd为平整度。

3.全站仪多站测量检测方法

由于场地限制，或由于障碍物遮挡视线时，需要多次设站。在厂房中一般无控制点，这样多站之间需要通过公共点进行坐标转换，将坐标统一到一个坐标系下。以两个测站为例通过全站仪自由设站方法进行坐标数据采集，具体过程如下:

1）首先连接PDA和全站仪，进行通信参数设置，使它们能够正常的数据通信。

2）在第一个测站上通过自由设站，先观测两个公共点（一般至少两个公共点），然后在空间圆形物体上进行选点测量。

3）搬站时，也是自由设站先观测两个公共点，然后对空间圆形物体的剩余部分进行选点测量。

4）通过PDA中的坐标转换模块将采集到的两测站坐标数据统一到一个坐标系上，然后再进行空间球面拟合和空间平面拟合联合解算空间圆形物体参数，具体过程见上一节。坐标转换方法如图1所示。

图1 坐标转换示意图

坐标转换公式为

式中，x0、y0、h0为平移参数；α 为旋转参数。

由于式（8）进行解算时需要线性化，可以将该公式进行简化。在实际测量过程中，仪器需要精确整平，使得xoy面水平，这样式（8）可转换为

根据式（3）解算出坐标转换参数（x0，y0，h0，cos α，sin α），再根据式（8）将两坐标系统一到相同坐标系中，最后进行空间圆参数解算。

三、工程实例

在盾构机的建造过程中，需要对其组成构件进行检测，从而确定其参数是否符合设计要求。通过PDA控制全站仪进行数据采集，可以对盾构机的圆形构件进行检测。本文采用徕卡TCR402全站仪，用一个小工件沿着法兰的边缘利用全站仪无反射棱镜进行观测，法兰的采集数据见表1。

表1 盾构机法兰的采集数据 m

将采集到的数据导到PDA中进行圆形参数解算。其解算结果:圆心坐标为（-8.857 6 m，11.067 6 m，-1.7272 m），直径为2.9916 m，周长为9.398 7 m。各点的圆度和平整度见表2，已知圆的直径为2.992 0 m，测量所得结果的误差为-0.4 mm。

表2 法兰的圆度和平整度解算结果 mm

四、结束语

本文以盾构机的法兰为例，介绍了通过PDA控制全站仪解算空间圆形物件的圆形参数的方法，通过该方法可以确定圆形物体的圆心、半径、圆度和平整度。数据采集过程中应取圆形物体上均匀分布的点，并且取的点应尽量在一个平面上。该方法较盾构机圆形参数确定的传统方法相比可操作性好、省时、省力，该方法同样适用于工业测量中的其他圆形物体的参数确定，具有一定的参考价值。

［1］ 刘国军.基于PDA全站仪桥梁检测系统研究［D］.重庆:重庆交通大学，2009.

［2］ 吴宗祥.PDA控制全站仪的测绘模式研究［D］.昆明:昆明理工大学，2007.

［3］ 葛永慧，赵刚，杨晓琴.PDA与全站仪的串口通信［C］∥《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛论摘要集.北京:测绘出版社，2008.

［4］ 李建平，张柏，徐志强.基于EVC的PDA和全站仪数据通信［J］.测绘科学，2005，30（6）:87-89.

［5］ 易致礼，刘韶军.全站仪与PDA及其蓝牙通信研究［J］.测绘通报，2010（7）:33-36.

［6］ 潘国荣，陈晓龙.空间圆形物体数据拟合新方法［J］.大地测量与地球动力学，2008，28（2）:92-94.

［7］ 张晶，黄琴，兰红军，等.工程测量中空间圆的拟合方法研究［J］.计量与测试技术，2011，38（9）:31-32.

［8］ 刘学求，沈彦文.基于多公共点基准转换的计算方法及精度评定［C］∥2007全国测绘科技信息交流会暨信息网成立30周年庆典论文集.北京:［s.n.］，2007.

［9］ 杨国清，张予东.平面控制网四参数法坐标转换与残差内插［J］.测绘通报，2010（11）:48-50.