智能终端与全站仪一体化立靶坐标测量方法

　　摘要: 为提高靶场立靶坐标测量的工作效率和数据处理的准确率，充分发挥智能手持终端集成蓝牙在短距离数据传输方面的技术优势，提出了智能终端与全站仪一体化立靶坐标测量方法。通过对智能终端 Android 编程设计，实现蓝牙 API 接口与全站仪蓝牙模块的无线通讯，遥控全站仪实施数据测量，完成立靶坐标解算，并将立靶弹着点分布图及坐标数据显示于智能手持终端。通过模拟立靶试验对本文方法的工作效率和准确性进行验证，结果表明: 基于 Android 及蓝牙技术的智能终端与全站仪一体化立靶坐标测量方法，测量精度可达 2 mm。满足靶场试验任务要求，极大地提高了立靶坐标测量的工作效率和数据处理的准确率。

　　于国栋; 王春阳; 何子清; 徐鹏宇， 兵器装备工程学报 发表时间：2021-08-25

　　关键词: 立靶; 无线通讯; 一体化

　　1 引言

　　目前，靶场试验中，测量立靶坐标主要采用 2 种方式: 接触式立靶和非接触式立靶[1 - 2]。非接触方式受环境影响较大，弹丸 捕 获 率 一 般低 于 98% ，对于一些需要捕获率为 100% 的试验任务难以满足要求。所谓接触式立靶，即采用钢板或木板作为材料，制作一个垂直于地面的靶面，火炮以靶面十字丝为目标进行射击，利用皮尺或测量设备量取弹孔到靶心的平面坐标。

　　常用的接触式立靶测量主要有 3 种方法，第一，为皮尺测量; 第二，为相机测量法; 第三，基于串口的全站仪立靶坐标测量法。皮尺测量，对于边长大于 5 m 的靶面，需要将靶面放倒在地上或者用吊车将试验人员送到靶面前方，效率极低，而且受人为因素影响较大，精度较差; 相机测量法，相机测量法需要畸变较小，且焦距较短的测量式相机，拍摄的照片必须为上万行像素，价格较为昂贵，加之，系统复杂，无论前期准备还是后期数据处理都比较费时。基于串口的全站仪立靶坐标测量法，必须采用有线模式，因此，限制了设备的灵活性，连接线插口来回插拔也会对设备带来一定的损耗。

　　随着蓝牙技术应用的普及，新一代全站仪都配备了蓝牙功能，另外，基于 Android 系统的智能手持终端可编程技术逐渐趋于成熟[3 - 8]，文章提出了一种基于 Android 及蓝牙技术的智能终端与全站仪一体化立靶坐标测量方法，该方法能够实现立靶坐标快速测量及试验数据可视化显示功能，采用蓝牙技术，使智能手持终端与全站仪之间实现无线远程通信，既可以克服有线连接设备在恶劣野外环境使用带来的局限性，又可以快速将存储在智能手持终端的试验数据形成报表，提高试验数据处理效率。

　　2 原理及数学模型

　　本文提出的立靶坐标测量方法仅需要一部 Ts30 或者更新型号的全站仪和一部基于 Android 系统的智能手持终端设备( 手机、平板电脑、掌上电脑) 便能测量出毫米级精度的立靶坐标。具体实现如下:

　　如图 1 所示，共有两个坐标系，分别为全站仪局部坐标系( xyz) 和靶面局部坐标系( XYZ) 。在靶面正前方或斜前方 50 ～ 200 m 位置处 S 架设全站仪，并完成整平。为了后续的计算方便，在全站仪局部坐标系下，将全站仪当前位置平面坐标设置为( 0，0) ，高程坐标不变。分别测量靶面左下角 A ( x1，y1，z1 ) 和右下角 B( x2，y2，z2 ) 的坐标，点 A 和点 B 在水平面上可以确定靶面的方向。将全站仪标定靶心 O 处，记录全站仪当前的方位角 α0 和高低角 λ0。到此，准备工作已完成。

　　进入正式测量阶段，将全站仪标定靶面弹孔 T，记录全站仪当前的方位角 α 和高低角 λ。

　　此时，已知数据为: S( 0，0，z) ，A( x1，y1，z1 ) ，B( x2，y2， z2 ) ，L0 ( α0，λ0 ) ，LT ( α，λ) ;待求数据为: 弹孔在靶面局部坐标系下的坐标( XT，YT ) 。

　　2. 1 测量靶面水平坐标 XT

　　为便于计算，需要进行平面坐标转换，如图 2 所示，即坐标系 xoy 转换成坐标系 x' oy'，这两个坐标的原点一样，仅仅旋转 θ 角，转换关系如下: x'1 = x1 cosθ + y1 sinθ y'1 = y1 cosθ - x1 sin { θ x'2 = x2 cosθ + y2 sinθ y'2 = y2 cosθ - x2 sin { θ ( 1) 因此，首先需要计算 θ 角，公式如下: θ = arctan( y2 - y1 x2 - x1 ) ( 2)

　　根据式( 1) ，将 A( x1，y1，z1 ) 、B( x2，y2，z2 ) 、O'( x0，y0，z0 ) 转换为 A( x'1，y'1，z1 ) 、B( x'2，y'2，z2 ) 、O'( x'0，y'0，z0 ) 。此时， y'1≈y'2≈y'0。方位角 α0、α 也要转换成对应的方位角 α'0、α'。转换公式如下:

　　方位角 α0、α 也要转换成对应的方位角 α'0、α'。转换公式如下: α'0 = α0 + θ α' = α + { θ ( 3) 根据图 2 的几何关系，可得靶面平面坐标为 XT = y'0 × ( tanα'0 - tanα') ( 4)

　　2. 2 测量靶面垂直坐标 YT

　　根据图 3 的几何关系，可得靶面的垂直坐标为 YT = y'0 sinα' × tanλ - y'0 sinα'0 × tanλ0 ( 5)

　　3 技术实现 3. 1 硬件实现

　　全站仪与外接设备的通讯方式有 2 种，分别为: 有线连接模式和无线连接模式。基于蓝牙的通讯方式属于无线连接。蓝牙连接的两端，分别为智能终端设备和全站仪。智能终端设备可选平板电脑、手机、掌上电脑任意一种。

　　根据任务需求，建议选择平板电脑作为智能终端设备，将其作为设备操作、数据处理和存储的技术平台，具有灵活、方便、功耗低、功能齐全和图形可视化效果好等优点。当进行连发射击打靶试验时，可以制作放样图，将所有弹孔的位置信息显示出来，对照实际靶面，避免了数据记录时，看错和写错等一些人为失误，而显示屏幕大的特点无疑会将测量结果直观的显示出来，方便操作人员及时核对。以 Leica 全站仪为例，其通讯协议基于 GeoCOM，与智能终端设备的蓝牙连接方式如图 4 所示。

　　系统具体实现流程如下:

　　1) 在靶面正前方或斜前方 50 ～ 200 m 位置处架设全站仪，整平并开机。对设备进行初始化，将智能终端设备与全站仪进行蓝牙连接;

　　2) 坐标归零，全站仪当前位置平面坐标设置为( 0，0) ，高程坐标不变;

　　3) 全站仪测量靶面两侧坐标，发送到智能终端设备;

　　4) 将全站仪光轴指向靶心，测量高低角和水平角并保存;

　　5) 智能终端设备中的程序将标定靶心处的靶面平面坐标设置为( 0，0) ;

　　6) 将全站仪光轴指向弹孔，测量高低角和水平角并发送到智能终端设备中;

　　7) 依据第 2 节中的计算模型求出弹孔到靶心的靶面坐标;

　　8) 将结果保存在智能终端设备中，并在智能终端设备的屏幕中显示。流程如图 5 所示。

　　3. 2 软件设计

　　程序设计 包 括 2 个 模 块，试验准备模块和正式试验模块。

　　试验准备模块具备设备连接、坐标归零、棱镜模式选择、靶面左侧坐标测量、靶面右侧坐标测量、靶心标定、数据清除等功能，该模块负责试验前准备工作。

　　正式试验模块具备靶面坐标放样图、立靶坐标测量与显示、数据显示列表等功能，该模块负责试验数据采集、存储、计算和显示。

　　4 精度分析

　　文章方法的测量精度主要受仪器本身的测量误差影响，例如全站仪的测角误差和测距误差等。市场上出售的全站仪测的角精度一般为 0. 5″或 1″，假设全站仪到靶面的距离约为 100 m，则立靶坐标的测量精度为: 100 * sin( 1 /3 600 * π/180) ≈0. 000 5。由于距离较近，距离误差对立靶精度的影响更小。

　　除考虑仪器测量误差对结果产生的影响外，还需要考虑靶面因素。实际应用中发现，相对于仪器误差，靶面倾斜对测试精度的影响更大。靶面倾斜分为十字丝倾斜( 左右倾斜) 和靶面前后倾斜。

　　4. 1 十字丝倾斜

　　十字丝倾斜即靶面左右倾斜，施工时难以保证十字丝横轴完全与 地 面 平 行，致使仪器测量结果与实际结果产生偏差。

　　仪器测量是基于理想十字丝，而实际上，十字丝是倾斜的，两者的差异问题本质是坐标转换的问题。如图 6 所示，由于原点不变，因此只要获得倾角 φ，既可以获得两者的转换关系，公式如下: u' = ucosφ + vsinφ v' = vcosφ - usin { φ ( 6)

　　通常靶面大约为 10 m* 10 m，因此，u 和 v 的最大值为 ± 5 m，当倾角 φ 为 1°时，cosφ≈1，sinφ = 3. 046e - 4 式( 6) 可以简化，如下所示: Δu = u' - u = u( cosφ - 1) + vsinφ ≈ vsinφ Δv = v' - v = v( cosφ - 1) - usinφ ≈- usin { φ ( 7) 由此可得，Δu 和 Δv 在倾角 φ 为 1°时的最大值为 0. 001 5 m。

　　因此，实际测量时，必须要控制十字丝倾斜小于 1°，或者精确获得倾角 φ，然后代入式( 6) 进行修正。

　　精确获得 φ 的方法为: 如图 6 所示，在十字丝水平轴线的两端做标记点 E、F、S 为设备位置，然后全站仪测出标记点的方位角 αE、αF 和高低角 λE、λF，采用式( 4) 、式( 5) 得到点 E ( XE，YE ) 和 F ( XE，YE ) 的 坐 标，然 后 代 入 公 式 φ = arctan( YE - YF XE - XF ) ，求得 φ。当 YE ≥YF 时，φ 为正，当 YE < YF 时，φ 为负。

　　4. 2 靶面前后倾斜

　　理想的靶面是严格垂直地面的，但是实际建靶时受多种因素影响，难以实现。以靶面前倾为例，如图 7 所示，ΔL + L 为仪器测量的弹孔到地面的垂直距离，L'为弹孔到靶底的距离，仪器测量结果与实际结果的偏差为 ΔL，倾角为 ω，全站仪与射向的夹角为 ψ。偏差 ΔL 的公式如下:

　　L'的最大值为 10 m，当倾角 ω 为 1°时，cosω≈1，sinω = 3. 046e - 4 式( 8) 可以简化，如下所示: ΔL = L'sinωtanψ ≈ L'ωtanψ ≈ 3. 046 × 10 -3 tanψ ( 9) 由上式可见，受 ψ 的影响，偏差 ΔL 不能被忽视，需要修正。靶面前后倾斜只会对靶面垂直坐标 YT 产生影响。通常立靶试验射向趋于水平，因此，ψ≈λ，将 ψ 和 ω( 采用垂直校准设备获得) 代入式( 9) 即可求得偏差 ΔL。

　　5 验证

　　5. 1 实验设计

　　为了验证文章方法的可行性和准确性，设计一个模拟立靶试验。模拟试验选取的设备有 Ts50 型全站仪和 UG905 型智能平板终端。Ts50 型全站仪测角精度为 0. 5″，并且支持无棱镜测量模式，具备蓝牙功能。UG905 型智能平板终端，内置 Android 操作系统，支持蓝牙 BT4. 0，8 寸阳光彩屏。

　　在 Android studio 软件中，基于 Java 语言编写了一个立靶坐标测量的主控程序，安装在 UG905 型智能平板终端上，主控程序界面如图 8 所示。蓝色的正方形区域为靶面放样区，可见，能清楚显示测量结果。

　　选一块 1. 5 m × 1. 5 m 的平整木板，在其表面粘贴上网格间距为 1 mm 的坐标绘图纸，在纸的中间画十字丝作为靶心，分别在 4 个象限随机选取 8 个位置，作为检测目标，为方便检靶，提高检测精度，所有检测目标均处于网格交叉点处，如图 9 所示。由于，坐标绘图纸上，处于网格交叉点处的坐标可以精确获取，因此，32 个模拟目标的立靶坐标真值可认为是已知的。

　　将制作好的模拟靶面垂直于地面设置好，并用水平校准仪精确校准，确定靶面在水平和垂直方向无倾斜。设备架设在靶面左前方大约 60 m 位置处。

　　5. 2 实验数据分析

　　采用文章方法对 32 个检测目标进行测量，再与真值进行比对，结果如表 1 所示，由于篇幅限制，只列出前 10 个目 标的结果。再通过中误差公式计算得到，误差的中误差为， mx = ± 0. 11 cm，my = ± 0. 16 cm。可见，本文的方法测量精度可达 2 mm。

　　6 结论

　　提出了一种基于 Android 系统及蓝牙技术的智能终端与全站仪一体化立靶坐标测量方法，实现智能终端与全站仪蓝牙模块的无线通讯，远程遥控全站仪实施数据测量，完成立靶坐标测量解算，并将立靶坐标分布图及测量结果显示于智能手持终端。通过模拟试验证明了能极大地提高工作效率和数据处理的准确率。