利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析_刘少春.pdf

收稿日期2019-07-08 基金项目开滦 （集团） 有限责任公司2019年科技创新计划科技攻关项目 （编号 GN2019-06） 。 作者简介刘少春 （1965） ， 男， 高级工程师， 注册测绘师。 总第 528 期 2020 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE 利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析 刘少春 1 （河北能源职业技术学院矿产资源与建工系， 河北 唐山 063000） 摘要联系测量是进行矿山控制测量的一项重要工作， 传统的联系测量是通过矿井定向和高程传递两种方 式实现， 对测量条件要求较高且测量误差较大。因此， 随着测量仪器的自动化、 智能化程度越来越高， 需要开展自 动化程度和效率高的联系测量方法研究。提出了采用测量机器人与陀螺全站仪联合进行联系测量的方法。分析 了利用测量机器人测三角高程代替水准测量进行高程传递， 以及利用测量机器人测导线和陀螺全站仪进行定向的 精度。针对井上下连接测量时井下测量机器人寻找上部棱镜困难的问题， 研制了连接专用工具， 并结合工程实例 进行了方法可行性验证。研究表明 该方法能够满足矿井联系测量精度要求， 与传统方法相比具有技术可行、 精度 可靠、 简单方便的优点， 有较好的应用价值。 关键词测量机器人陀螺全站仪联系测量高程传递定向 中图分类号TD175文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -06-216-05 DOI10.19614/ki.jsks.202006034 of Connecting Survey and Its Precision Analysis by Using Measuring Robot Liu Shaochun3 （Department of Mineral Resource and Construction Engeering， Hebei Energy College of Vocational and Technology， Tangshan 063000， China） AbstractConnecting survey is an important work in control survey of coal mining．Traditional connecting survey is achieved by the two ways of transferring mining direction and elevation．However it has the drawback of higher surveying con⁃ dition and wider measuring error．As the automation and intelligence of the surveying instrument become much stronger， it′s necessary to carry out the research of more automated and higher efficiency of connecting survey．The connecting sur⁃ vey of combing the surveying robot and gyroscopic station is proposed．The elevation transmission by applying survey robot to measure the trigonometric levelling in substitution of water level as well as traverse survey by robot and directional accuracy by using gyroscopic total station is discussed．A special tool was developed to overcome the problem of robot being difficult to find the surface prism during the connecting survey between the surface and underground．Based on the above dis⁃ cussion results， the feasibility of the proposed is validated in combination with practical engineering．The study results show that the propsoed can meet the requirement of accuracy in the connecting survey of coal mining，has the feature of technical feasibility， reliable accuracy， simple and convenience， besides that， its application value is ideal． KeywordsMeasuring robot， Gyroscopic total station， Connecting survey， Elevation transmission， Orienteering Series No． 528 June 2020 联系测量技术应用范围广， 城市轨道交通工程、 隧道工程、 地下采矿工程都需要利用该技术建立井 上下统一的测量系统， 保证地下工程按设计施工， 确 保贯通。传统方法是通过矿井定向和高程传递两种 方式实现， 为了解决传统方法投点、 连接测量、 高程 传递分开进行， 对测量条件要求较高且测量误差较 大的问题， 需要利用先进的测量技术和手段， 开展自 动化、 高效率的联系测量方法研究。本研究在利用 全站仪、 光学铅垂仪、 陀螺经纬仪进行一体化联系测 量成果 ［1-4］的基础上， 提出采用测量机器人与陀螺全 站仪联合进行联系测量的方法。分析了利用测量机 器人测三角高程代替水准测量进行高程传递， 以及 利用测量机器测导线和陀螺全站仪进行定向的精 度。针对井上下连接测量时井下测量机器人寻找上 216 ChaoXing 部棱镜困难的问题， 研制了连接专用工具， 解决了黑 暗环境下测量机器人自动搜索棱镜困难的问题， 并 结合工程实例进行了方法可行性验证， 可为井下测 量系统建立提供可靠的技术支撑。 1测量机器人与陀螺全站仪联合进行联系测 量技术 1. 1连接测量 如图1所示， 在井盖传递孔O上安置专用上下连 接装置， 在井上定向连接点D上安置测量机器人， 后 视C点， 前视O点， 城市轨道交通工程按测角中误 差2.5″ ， 即四等导线的导线要求， 隧道及矿山工程 按5″ 导线要求测出棱镜中心坐标 ［5-8］。 井下利用参照物在图1中O′点处安置测量机器 人， 后视O点下棱镜， 前视在井底车场稳固的岩石中 或碹体中埋设的永久导线点C′上所安置的棱镜， 同 样城市轨道交通工程按测角中误差2.5″ ， 即四等导 线的导线要求， 隧道及矿山工程按5″ 导线要求测 角、 测距、 测高差、 量取视高， 测完后在O′点处安置棱 镜作为后视， 在C′点上安置陀螺全站仪， 前视D′点测 水平角、 距离， 对边C′D′进行陀螺定向， 定向程序为 2-2-2。 井下定向边C′D′的坐标方位角为 αC′D′ αT C′D′ Δ - γC′，（1） 式中，α为坐标方位角；αT为陀螺方位角；Δ为仪器常 数；γ为子午线收敛角。 根据井下连接测量测出的水平角βC′、βO′以及距 离DC′O′、DO′O、 陀螺定向求出的αC′D′， 按式 （2） 计算边 C′O′与边O′O的方位角αC′O′、αO′O ■ ■ ■ αC′O′ αC′D′ 360 - βC′ αO′O αO′C′ 360 - βO′ .（2） 井下起始点C′点坐标XC′,YC′,HC′可进行如下计 算 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ XC′XO DOO′cosαO′O 180 DO′C′cosαC′O′ 180 YC′YO DOO′sinαO′O 180 DO′C′sinαC′O′ 180 HC′HO- hO′O hO′C′- vC′ ， （3） 式中，XO,YO,HO为O点坐标， m；DOO′为O点与O′点的 水平距离， m；DO′C′为O′点与C′点的水平距离， m； αO′O、αC′O′为坐标方位角；hO′O为O′点与O点高差， m； hC′O′为C′点与O′点高差， m；vC′为仪器高， m； 1. 2误差分析 1. 2. 1利用测量机器人测三角高程代替水准测量 的误差分析 利用测量机器人进行三角高程测量时， 垂直角 水平距离对观测高差的影响可进行如下分析 ［2-3］。井 上部分有下式成立 hDO SDOsinδ iD- vO，（4） 式中，hDO为D点和O点的高差， m；SDO为D点仪器中 心和O点棱镜中心的斜距， m；δ为垂直角；iD为D点的 仪器高， m；vO为O点棱镜至连接装置底部棱镜中心 高度， m。 根据误差传播率有 m2 hDO m 2 SDOsin 2δ S2 DOcos 2δ m2 δ ρ2 m2 iD m 2 vO，（5） 式中，mh DO、 ms DO、 mδ、mi D、 mv O为对应量的中误差。 井下部分有下式成立 Δh SO′C′sinδ2- vC′- SO′Osinδ1，（6） 式中，Δh为O点处底部棱镜中心和C′点的高差， m； SO′C′为O′点仪器中心和C′点棱镜中心的斜距， m；δ2 为O′点仪器中心和C′点棱镜中心的垂直角；SO′O为 O′点仪器中心和O点处连接装置底部棱镜中心的斜 距， m；δ1为O′点仪器中心和O点处连接装置底部棱 镜中心的垂直角；vC′为C′点至棱镜中心高度， m。 m2 Δh m 2 SO′C′sin 2δ 2 S 2 O′C′cos 2δ 2 m2 δ2 ρ2 m2 vC′ m2 SO′Osin 2δ 1 S 2 O′Ocos 2δ 1 m2 δ1 ρ2 , （7） 式中，mΔh为Δh中误差， mm；mS O′C′为SO ′C′的中误差， mm；mS O′O为SO′O的中误差， mm； mδ1、mδ2分别为δ1、δ2的 中误差， s；mv C′为vC′的中误差， mm。 以目前常用的测量机器人TS60、 索佳SX-101T 、 SX-102T 为例， TS60测量机器人具有0.5″ 测角精度、 0．6 mm 1．0 10 -6 ⋅ S（S为观测距离， km） 测距精 度 ［7， 9-10］， 并且设置双照相系统， 操作简便。索佳SX- 101T具有1″ 测角精度、 SX-102T具有2″ 测角精度， 两 2020年第6期刘少春 利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析 217 ChaoXing 种仪器3种测距模式主要技术指标为 ①棱镜测距精 度为1．5 mm 2．0 10-6⋅ S； ②无棱镜测距精度为 2．0 mm 2．0 10-6⋅ S； ③反射片测距精度为 2．0 mm 2．0 10 -6 ⋅ S。 本研究高程和平面点位精度分析中， 均以2″ 测 角精度，2．0 mm 2．0 10-6⋅ S棱镜测距精度的测 量机器人为例进行。在不考虑起始点误差的情况 下 ， 仪 器 高 、 棱 镜 高 测 量 误 差 均 设 定 为 1 mm， mδ 2″，mS 2．0 mm 2．0 10-6⋅ S，SDOSO′C′ 50 m，δ 2,δ2 2 C′点高程中误差mHC′与O′点仪器中心和O点处 连接装置底部棱镜中心的垂直角δ1的关系可表示为 m2 HC′ m2 SO′Osin 2δ 1 S 2 O′Ocos 2δ 1 m2 δ1 ρ2 3．48， （8） 式中，mHC′为C′点高程中误差， mm；δ1为O′点仪器 中心和O点连接装置底部棱镜中心的垂直角；mδ1为 δ1的测角中误差；SO′O为O′点仪器中心和O点连接 装置底部棱镜中心的斜距， m；mS O′O为SO′O的中误差， mm。 以O′点安置测量机器人的仪器中心至O点连接 装置底部棱镜中心的水平距离 200 mm 为例， 进行 mHC′与矿井深度关系的分析， 具体计算结果见表1。 注DO′O为O′处安置测量机器人的仪器中心至O点处连接装置 底部棱镜中心的水平距离， m；VO′O为矿井深度， m；SO′O为O′处安置测 量机器人的仪器中心至O点处连接装置底部棱镜中心的倾斜距离， mm；δ1为O′点仪器中心和O点处连接装置底部棱镜中心的垂直角； mHC′为C′点高程中误差， mm。 由表 1 可知 采用测量机器人进行三角高程测 量， 可满足矿井联系测量高程传递的精度要求。 1. 2. 2利用测量机器人测导线井下起始点的点位 误差分析 井下起始点C′的点位误差为 ［4］ mC′ m2 上 m2 下， （9） 式中，mC′为C′点点位误差， mm；m上为井上测量误差 引起的O点处连接装置底部棱镜中心的点位误差， mm；m下为井下测角、 测距、 定向引起的C′点的点位 误差， mm。 设井上下一测回方向观测中误差m 2″， 采用棱 镜测距精度为2．0 mm 2．0 10-6⋅ S的测量机器人 进行导线测量， 一测回角值测量中误差mβ 2．83″， 两测回测量中误差为mβ平 2″， 本研究按mβ 2．5″ 四等导线的精度要求进行计算。井上部分点位测量 中误差计算公式为 m2 上 m2 0 m 2 DDO D 2 DO m2 β ρ2 m2 e1 2m 2 e2，（10） 式中，mO为O点的点位误差， mm；DDO为D点仪器中 心和O点棱镜中心R的平距， 取50 m；mD DO为DDO中误 差， mm；me1、me2分别为仪器和前后视棱镜对中误差， 取1 mm。经计算，m2 上 7．78 mm。 德国GYROMAT2000、 GYROMAT 3000型全自动 陀螺仪一次定向精度mα可达3.6″ ［5］， 国产 AGT-1 和AFS-1型自动陀螺经纬仪一次定向精度mα在5″ 以内， Y/JTG-1tu′p′luo陀螺全站仪一次定向精度mα 在7″ 以内， NTS-342G型陀螺全站仪一次定向精度 mα有10″ 和15″ 两种。综合分析国内外陀螺全站 仪一次定向精度， 本研究mα 10″。那么， 井下部分 点位测量中误差计算公式为 m2 下 m2 α ρ2 R2 OC ′ R2 OC ′ R2O′C ′ m2 β ρ2 m2 DOO′m 2 DO′C′ m 2 e2， （11） 式中，ROC′、RO′C′为C′点与O和O′的连线长度， m；me2 为C′处棱镜对中误差， 取1 mm；mD OC′、 mD O′C′为与OO′和 O′C′距离中误差， mm。经计算，m2 下 16．07 mm。 于是，C′点位误差为mC′ m 2 上 m2 下 4．89 mm。可见， 利用测量机器人与陀螺仪进行平 面联系测量的精度远高于传统方法。 2井上下连接专用工具的研制及使用方法 2. 1井上下连接专用工具研制 平面联系测量包括投点和连接两部分， 高程联 系测量有长钢丝、 长钢尺、 全站仪天顶3种方法。传 统的平面和高程联系测量是分开进行的， 利用测量 机器人与陀螺全站仪联合进行联系测量， 导线和三 角高程测量同时进行， 则无需投点， 只需进行井上下 的连接测量， 因而研制一个连接井上下的专用工具 很有必要 ［11-14］。该连接装置需要重点解决两个问题 首先上下测量机器人瞄准的棱镜同心问题， 其次井 下测量机器人后视棱镜的照明问题。 本研究研制小型专用工具如图 2 和图 3 所示。 本研究研制的连接工具上部保留了微型全站仪棱镜 三脚架的功能， 由棱镜、 水准器、 可调节三脚架组成， 金属矿山2020年第6期总第528期 218 ChaoXing 下部在对中杆的下端加工连接一个与上边棱镜同心 的棱镜， 为解决下部棱镜扣在井盖孔上后发光照明 问题 ［15-17］， 在棱镜下部内壁粘贴LED 5 V防水电池盒 灯条， 并对电池盒和开关位置进行了设计， 可有效解 决井上下连接测量和井下测量机器人寻找上部棱镜 困难的问题。 2. 2微型连接装置使用方法 在井盖上设置一个φ30 mm左右的一个传递孔， 将微型连接装置的下部棱镜放置于传递孔上， 打开 电源开关， 张开三脚架整平， 上部棱镜对准井上定向 连接点上安置的测量机器人， 井上下进行导线测量 和三角高程测量 ［7］， 井下配合陀螺仪定向， 便可将测 量系统传递到井下。 3工程实例 为了建立图古日格金矿井上下统一的测量系 统 ［16］， 采用全站仪、 陀螺全站仪、 钢丝投点、 全站仪天 顶导入高程和测量机器人与陀螺全站仪联合进行联 系测量两种方法进行了对比测试 ［6］， 测试区域为该矿 十六号竖井的一水平和二水平 ［15］。首先， 地面在近 井网的基础上， 导线按5″要求， 高程采用三角高程对 向观测的方法， 测出下放钢丝平面坐标和棱镜中心 的三维坐标， 实测路线为A4A10XK1XK2XK3 ZX 钢 丝 ，A4A10XK1XK2XK3ZXO （棱镜中心） ； 井下一水平实测路线为ⅠSM2ⅠSM1 钢丝， ⅠSM2ⅠSM1O′ O； 井下二水平实测路 线为ⅡSM2ⅡSM1ZD钢丝， ⅠSM2ⅠSM1 ZDO′ O。一水平陀螺定向ⅠSM1ⅠSM2坐标 方位角为 2406′ 27″ ， 二水平陀螺定向ⅡSM1Ⅱ SM2坐标方位角为2420′ 45″ 。按井上下连接测量的 方法进行观测 ［17］， 对观测数据进行整理和计算， 求得 两种方法的对比计算结果见表2。 由表2可知 高程传递利用全站仪天顶法和测量 机器人三角高程测量的一水平差值为-5 mm， 二水平 差值为3 mm， 平面坐标采用下放钢丝和陀螺仪全站 仪测量机器人与陀螺全站仪两种方法传递， 一水平 ⅠSM1点差值Δx -5 mm，Δy 3 mm； ⅠSM2点差 值Δx -5 mm，Δy 4 mm。二水平ⅡSM1 点差值 Δx -8 mm，Δy -9 mm； ⅡSM2点差值 Δx -8 mm，Δy -9 mm。可见， 两种方法投点误差 在规程允许的20 mm以内， 说明本研究采用测量机器 人与陀螺全站仪联合进行联系测量的方法可行， 精 度可靠， 简单方便。 4结论 （1）采 用 测 角 精 度 2″、测 距 精 度 2．0 mm 2．0 10 -6 ⋅ S的测量机器人进行三角高程 2020年第6期刘少春 利用测量机器人进行联系测量的方法与精度分析 219 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ 测量， 能够满足城市轨道交通、 隧道、 地下采矿等工 程高程传递的精度要求。 （2） 利用2″ 及以上测量机器人， 按四等要求施测 导线， 陀螺全站仪一次定向精度10″ 进行平面联系测 量， 井下起始点平面点位误差可控制在10 mm以内， 精度优于传统方法。 （3） 小型连接专用工具的研制， 可有效解决上下 连接测量棱镜同心和井下测量机器人寻找上部棱镜 困难的问题， 具有推广价值。采用测量机器人与陀 螺全站仪联合进行联系测量， 精度可靠， 简单方便， 具有可行性。 参 考 文 献 刘少春 ． 一体化联系测量方法及关键点分析 ［J］ ． 煤炭工程， 2018， 50 （1） 48-51． Liu Shaochun． Integrated contact measurement and key point analysis ［J］ ．Coal Engineering， 2018， 50 （1） 48-51． 邹进贵， 朱勇超， 徐亚明．基于智能全站仪的机载精密三角高程 测量系统设计与实现 ［J］ ．测绘通报， 2014 （3） 1-5． Zou Jingui， Zhu Yongchao， Xu Yaming．Design and implementation of airborne precision triangular elevation measurement system based on intelligent total station ［J］ ．Bulletin of Surveying and Map⁃ ping， 2014 （3） 1-5． 何宝喜．全站仪测量技术 ［M］ ．郑州 黄河水利出版社， 2010． He Baoxi．Total Station Measurement Technology［M］ ．Zhengzhou Yellow River Water Conservancy Press， 2010． 成枢， 武光耀， 纪萍， 等．地铁隧道贯通测量方法的改进与 精度分析 ［J］ ．测绘通报， 2017 （1） 115-118． Cheng Shu， Wu Guangyao， Ji Ping， et al．Improvement and accuracy analysis of metro tunnel through measurement ［J］ ．Bulletin of Surveying and Mapping， 2017 （1） 115-118． 王涛， 杨志强， 石震， 等．新型陀螺全站仪方位定向误差分 析及工程应用 ［J］ ．煤炭科学技术， 2014， 42 （11） 90-92． Wang Tao， Yang Zhiqiang， Shi Zhen， et al．Azimuth directional er⁃ ror analysis and engineering application of new gyro total station ［J］ ．Journal of Coal Science and Technology， 2014， 42 （11） 90-92． 张国胜， 贾继堂．控制点坐标的计算与管理简易系统的开发 ［J］ ． 中小企业管理与科技， 2012 （12） 256-257． Zhang Guosheng， Jia Jitang．Development of simple system for cal⁃ culation and management of control point coordinates ［J］ ．SME Man⁃ agement and Technology， 2012 （12） 256-257． 李英会．高职工程测量专业群建设实践与思考 ［J］ ．辽宁农业职 业技术学院学报， 2018 （3） 29-31． Li Yinghui．Practice and thinking on the construction of engineering survey professional group in higher vocational colleges ［J］ ．Journal of Liaoning Agricultural Vocational and Technical College， 2018 （3） 29-31． 袁钢， 方向明．山区路线勘测中不同投影面间的坐标简易换 算方法 ［J］ ．测绘通报， 2012 （4） 58-60． Yuan Gang， Fang Xiangming．A simple conversion for coor⁃ dinates between different projections in mountainous route survey ［J］ ．Bulletin of Surveying and Mapping， 2012 （4） 58-60． 吴庆忠， 独知行， 梁勇．测距仪导入高程新方法的探讨 ［J］ ．工 程勘察， 2002 （5） 55-57． Wu Qingzhong， Du Zhixing， Liang Yong． Discussion on the new of introducing height into range finder ［J］ ．Engineering In⁃ vestigation， 2002 （5） 55-57． 何波， 刘成龙， 黄志伟， 等．全站仪竖井联系测量的平差计算 原理及其精度分析 ［J］ ．铁道勘察， 2010， 36 （3） 17-20． He Bo， Liu Chenglong， Huang Zhiwei， et al．Adjustment calculation principle and accuracy analysis of total station shaft connection measurement［J］ ． Railway Investigation and Surveying， 2010， 36 （3） 17-20． 张磊， 蒲拴云， 张晓震．全站仪用于竖井高程联系测量的方法 及精度分析 ［J］ ．价值工程， 2014 （32） 107-108． Zhang Lei， Pu Shuanyun， Zhang Xiaozhen． and accuracy analysis of total station instrument for elevation connection mea⁃ surement of shaft ［J］ ．Value Engineering， 2014 （32） 107-108． 李灿飞， 侯文广．全站仪在竖井高程联系测量中的应用 ［J］ ．湖南 水利水电， 2010 （6） 35-36． Li Canfei， Hou Wenguang．Application of total station in connection measurement of shaft elevation ［J］ ．Hunan Water Resources Hy⁃ dropower， 2010 （6） 35-36． 刘绍堂， 蒋瑞波， 苏轩．陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用 ［J］ ．测绘科学， 2011， 36 （2） 94-96． Liu Shaotang， Jiang Ruibo， Su Xuan．Application of Gyro total sta⁃ tion in mine connection measurement ［J］ ．Journal of Surveying and Mapping， 2011， 36 （2） 94-96． 闫辉， 姚存伟， 魏峰．竖井联系测量的理论探讨与实践应用 ［J］ ．煤矿现代化， 2013 （3） 98-100． Yan Hui， Yao Cunwei， Wei Feng．Theoretical discussion and practi⁃ cal application of shaft connection measurement［J］ ． Coal Mine Modernization， 2013 （3） 98-100． 陈伟， 汤洪刚， 张涛， 等．陀螺全站仪在小型矿井联系测量 中的应用 ［J］ ．中州煤炭， 2009 （8） 35-36． Chen Wei， Tang Honggang， Zhang Tao， et al．Application of gyro to⁃ tal station in contact measurement of small mines［J］ ．Zhongzhou Coal， 2009 （8） 35-36． 靳朝阳， 王润平， 胡光伟， 等． TJ9000陀螺全站仪在井下导线测 量中的应用 ［J］ ．矿山测量， 2010 （6） 1-5． Jin Chaoyang， Wang Runping， Hu Guangwei， et al．Application of gyro total station in downhole traverse measurement ［J］ ．Mine Sur⁃ vey， 2010 （6） 1-5． 王宇炳， 崔保锋．TOPCONGTS-602全站仪高程联系测量的分析 及应用 ［J］ ．矿业工程， 2007 （1） 46-47． Wang Yubing， Cui Baofeng．Analysis and application of TOPCON⁃ GTS-602 total station elevation contact measurement［J］ ． Mining Engineering， 2007 （1） 46-47． 金属矿山2020年第6期总第528期 220 ChaoXing