[发明专利]全站仪免置平的定位方法

权利要求书

1.全站仪免置平的定位方法，其特征在于：所述方法包括：

以全站仪的光心作为坐标系原点，建立三个坐标系；其中，三个坐标系分别为全站仪坐标系、全站仪外框坐标系和全站仪内框坐标系；

根据三个坐标系，利用全站仪测量N个基准点的斜距、水平角和垂直角；其中，N≥3；

根据每个基准点的斜距、水平角和垂直角，转换得到每个基准点在全站仪坐标系下的坐标；

选定一个全局坐标系，测量每个基准点在全局坐标系下的坐标；

根据每个基准点在全局坐标系下的坐标和全站仪坐标系下的坐标，求解出全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵，以定位任意全站仪坐标系下的待测点在全局坐标系下的坐标；

所述以全站仪的光心作为坐标原点，建立三个坐标系，具体包括：

以全站仪的光心作为全站仪坐标系原点，全站仪坐标系的三个坐标轴分别为X轴、Y轴和Z轴，将水平角置零方向设置为Y轴，垂直角置零方向设置为Z轴，利用右手定则确定X轴，建立全站仪坐标系；

以全站仪的光心作为全站仪外框坐标系原点，全站仪外框坐标系的三个坐标轴分别为X₁轴、Y₁轴和Z₁轴，将垂直于外框主视平面的方向设置为Y₁轴，将全站仪坐标系的Z轴方向设置为Z₁轴，将仪器中心标志的方向设置为X₁轴，建立全站仪外框坐标系；

以全站仪的光心作为全站仪内框坐标系原点，全站仪内框坐标系三个坐标轴分别为X₂轴、Y₂轴和Z₂轴，将内框的物镜中心方向设置为Y₂轴，将垂直于内框主视平面的方向设置为Z₂轴，将全站仪外框坐标系的X₁轴方向设置为X₂轴，建立全站仪内框坐标系；

所述水平角和垂直角用坐标轴之间的夹角表示，水平角为Y轴到Y₂轴的夹角，垂直角为Z轴到Z₂轴的夹角。

2.根据权利要求1所述的全站仪免置平的定位方法，其特征在于：所述根据每个基准点的斜距、水平角和垂直角，转换得到每个基准点在全站仪坐标系下的坐标，转换公式如下：

X＝-S·sinβ·sinα

Y＝S·sinβ·cosα

Z＝S·cosβ

其中，S为斜距，α为水平角，β为垂直角，X、Y和Z分别为任意基准点在全站仪坐标系下的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标。

3.根据权利要求1所述的全站仪免置平的定位方法，其特征在于：所述根据每个基准点在全局坐标系下的坐标和全站仪坐标系下的坐标，求解出全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵，具体为：

将每个基准点在全局坐标系下的坐标和全站仪坐标系下的坐标代入坐标转换公式，采用高斯-牛顿迭代法求解出全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵；

当基准点为三个时，直接采用求解出的全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵；当基准点为四个或以上时，选择其中三个全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵误差较小的基准点，重新求解出全局坐标系与全站仪坐标系的转换矩阵。

4.根据权利要求3所述的全站仪免置平的定位方法，其特征在于：所述坐标转换公式，如下：

其中，X_C、Y_C和Z_C分别为任意基准点在全局坐标系下的X_C轴坐标、Y_C轴坐标和Z_C轴坐标；X、Y和Z分别为任意基准点在全站仪坐标系下的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标；T为全站仪坐标系转换到全局坐标系的平移矩阵，R为全站仪坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵。

5.根据权利要求4所述的全站仪免置平的定位方法，其特征在于：所述旋转矩阵为正交矩阵，其满足下式：