CN102252663A - 一种局域空间定位系统的现场标定方法 - Google Patents

Abstract

一种局域空间定位系统的现场标定方法，先将12台发射机布置成两行，在两行之间划出一个矩形区域，在其四个顶点上分别布置一个参考基准，再给发射机分别设置一个转速，按转速对发射机进行编号，分为四个组合并选择一个参考基准，然后对每个测量单元进行标定，再设公共位置，用四个测量单元分别测量公共位置，得到其在各自空间坐标系下的坐标数据，最后将得到的坐标数据采用四元素坐标变换方法，将四个小测量空间统一到一个坐标空间中，完成了小测量空间拼接成大的测量空间，本发明能够实现9m×9m范围内的快速标定，从而实现全方位、大范围的精确测量，提高了工作效率及测量精度。

Description

一种局域空间定位系统的现场标定方法

技术领域

本发明涉及一种现场标定方法，具体涉及一种局域空间定位系统的现场标定方法。

背景技术

在工业生产中，测量技术发挥着举足轻重的作用，对于一些大型装备与系统的制造，比如飞机制造、船舶制造、大型电站和重机装备制造等，需要使用大尺寸测量技术，目前国际上应用的一些大尺寸测量技术有光电经纬仪、激光跟踪仪以及大视场视觉测量系统等。但是，这些技术都存在着一些缺点，如：激光跟踪仪需要人为控制靶球进行识别和瞄准且容易丢光，测量效率低；光电经纬仪测量时需要人工对准，在对准过程中人为因素较大，对测量结果会产生较大影响。在大尺寸测量技术中，有单位申报了名称为基于双旋转激光平面发射机网络的空间定位方法，申请号：2008010150383.5的专利，该专利公开了一种使用双旋转激光平面扫描进行空间定位的方法，但没有涉及具体现场标定方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种局域空间定位系统的现场标定方法，能够实现9mx9m范围内的快速标定，从而实现全方位、大范围的精确测量，提高了工作效率及测量精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种局域空间定位系统的现场标定方法，包括以下步骤：

1)将12台发射机布置成两行，一行6台发射机，行距为10m，每行内相邻的发射机间距为2m，在两行发射机之间划出一个9mx9m的矩形区域，在矩形的四个顶点上分别布置一个参考基准，

2)给12台发射机分别设置一个转速，转速范围从1900r/min依次递增到3000r/min，按转速对12台发射机进行编号，然后将12台发射机分为四个组合：一号发射机、二号发射机、三号发射机和四号发射机组合为测量单元i，三号发射机、四号发射机、五号发射机和六号发射机组合为测量单元ii，七号发射机、八号发射机、九号发射机和十号发射机组合为测量单元iii，九号发射机、十号发射机、十一号发射机和十二号发射机组合为测量单元iv，并给每个测量单元选择一个参考基准，

3)分别对每个测量单元进行标定，标定步骤如下：

I)将一个1000mmx500mm大小的平面靶标17竖直放置于该测量单元前方3m处，平面靶标17上面布置有一个二维垂直轨道，将激光接收器置于轨道上，建立以二维轨道方向分别为y轴、z轴，平面靶标17平面法向为x轴，原点取轨道上任意一个定点的靶标坐标系，

II)粗测发射机在靶标坐标系中的位置，设定初始值，

III)在轨道上移动接收器采集信号，作为标定数据，移动方式为：沿z轴方向移动3行，每行采集11个标定点，每次移动步长为50mm，

IV)进行标定，求解模型参数是S_1k、S_2k及M_k，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S_{11}}^T{R}_{11}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{21}}^T{R}_{21}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{12}}^T{R}_{12}{M}_2{X}_W=0\\ {S_{22}}^T{R}_{22}{M}_2{X}_W=0\\ M\\ {S_{1k}}^T{R}_{1k}{M}_k{X}_W=0\\ {S_{2k}}^T{R}_{2k}{M}_k{X}_W=0\end{array}\right.$

其中：k：发射机编号，k＝1，2，3，4，

S_1k、S_2k：激光平面的平面方程系数(a，b，c，1)^T，称为平面坐标，即(a，b，c，1)^T对应的平面方程为ax+by+cz+1＝0，

R_1k、R_2k：激光平面到初始位置的旋转矩阵，分别是特征时间t_1k、t_2k的函数，

X_W：同一世界坐标系下待测点坐标，

M_k：世界坐标系到发射机坐标系的坐标变换矩阵， $M_k=\left[\begin{array}{cc}{R}_k& T_k\\ O& 1\end{array}\right],$

R_k、T_k分别为世界坐标系到发射机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，

同样对另外三个测量单元进行标定，每个测量单元负责一个小测量空间，且各有一个空间坐标系，

4)在测量区域中心地带任意布置5～10个特征点作为公共位置，用这四个测量单元分别测量这些公共位置，得到其在各自空间坐标系下的坐标数据，

5)将得到的坐标数据采用四元素坐标变换方法，将四个小测量空间统一到一个坐标空间中，完成了小测量空间拼接成大的测量空间。

由于本发明是以小测量空间拼接成大测量空间，小空间内测量精度高，所以本发明满足了在应用中大范围、高精度测量的技术要求，并且可进行全方位布站，保证待测位置都能够在有效测量区域内，同时应用平面靶标，能够在现场进行快速标定，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明发射机现场布站示意图。

图2是本发明测量单元i标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种局域空间定位系统的现场标定方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，将12台发射机布置成两行，一行6台发射机，行距为10m，每行内相邻的发射机间距为2m，然后在两行发射机之间划出一个9mx9m的矩形区域，在矩形的4个顶点上分别布置1个参考基准，

2)给12台发射机分别设置一个转速，转速范围从1900r/min依次递增到3000r/min，按转速对12台发射机进行编号，然后将12台发射机分为四个组合，分别是：一号发射机1，二号发射机2，三号发射机3，四号发射机4为一个组合，记为测量单元i，三号发射机3，四号发射机4，五号发射机5，六号发射机6为一个组合，记为测量单元ii，七号发射机7，八号发射机8，九号发射机9，十号发射机10为一个组合，记为测量单元iii；九号发射机9，十号发射机10，十一号发射机11，十二号发射机12为一个组合，记为测量单元iv，

给每个测量单元选择一个参考基准，通过软件设置，参考基准a仅输出接收的测量单元i的信号，参考基准b仅输出接收到的测量单元ii的信号，参考基准c仅输出接收到的测量单元iii的信号，参考基准d仅输出接收到的测量单元iv的信号，这样完成了四个参考基准与四个测量单元的配对，

3)使用平面靶标分别对每个测量单元进行标定，以测量单元i为例，标定步骤如下：

I)如图2所示，将一个1000mmx500mm大小的平面靶标17竖直放置于测量单元i前方3m处，平面靶标17上面布置有一个二维垂直轨道，将激光接收器置于轨道上，建立以二维轨道方向分别为y轴、z轴，靶标平面法向为x轴，原点取轨道上任意一个定点的靶标坐标系，

II)利用卷尺粗测发射机在靶标坐标系中的位置，设定初始值，

III)在轨道上移动接收器采集信号，作为标定数据，移动方式为：沿z轴方向移动3行，每行采集11个标定点，每次移动步长为50mm，

IV)进行标定，求解模型参数是S_1k、S_2k及M_k，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S_{11}}^T{R}_{11}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{21}}^T{R}_{21}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{12}}^T{R}_{12}{M}_2{X}_W=0\\ {S_{22}}^T{R}_{22}{M}_2{X}_W=0\\ M\\ {S_{1k}}^T{R}_{1k}{M}_k{X}_W=0\\ {S_{2k}}^T{R}_{2k}{M}_k{X}_W=0\end{array}\right.$

其中：k：发射机编号，k＝1，2，3，4，

S_1k、S_2k：激光平面的平面方程系数(a，b，c，1)^T，称为平面坐标，即(a，b，c，1)^T对应的平面方程为ax+by+cz+1＝0，

R_1k、R_2k：激光平面到初始位置的旋转矩阵，分别是特征时间t_1k、t_2k的函数，

X_W：同一世界坐标系下待测点坐标，

M_k：世界坐标系到发射机坐标系的坐标变换矩阵， $M_k=\left[\begin{array}{cc}{R}_k& T_k\\ O& 1\end{array}\right],$

R_k、T_k分别为世界坐标系到发射机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，

同样对另外三个测量单元进行标定，四个测量单元分别标定完后，每个测量单元负责一个小测量空间，且各有一个空间坐标系，即测量单元i的空间坐标系13，测量单元ii的空间坐标系14，测量单元iii的空间坐标系15，测量单元iv的空间坐标系16，

4)如图1所示，在测量区域中心地带1mx1m区域内任意布置5～10个特征点作为公共位置，图1中P表示特征点，用这四个测量单元分别测量这些公共位置，得到其在各自空间坐标系下的坐标数据，

5)将得到的坐标数据采用四元素坐标变换方法，将四个小测量空间统一到一个坐标空间中，完成了小测量空间拼接成大的测量空间，增大了测量范围，同时精度得到了保证，就可以在测量区域内进行全方位测量。

Claims (1)

1.一种局域空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将12台发射机布置成两行，一行6台发射机，行距为10m，每行内相邻的发射机间距为2m，在两行发射机之间划出一个9mx9m的矩形区域，在矩形的四个顶点上分别布置一个参考基准，

2)给12台发射机分别设置一个转速，转速范围从1900r/min依次递增到3000r/min，按转速对12台发射机进行编号，然后将12台发射机分为四个组合：一号发射机、二号发射机、三号发射机和四号发射机组合为测量单元i，三号发射机、四号发射机、五号发射机和六号发射机组合为测量单元ii，七号发射机、八号发射机、九号发射机和十号发射机组合为测量单元iii，九号发射机、十号发射机、十一号发射机和十二号发射机组合为测量单元iv，并给每个测量单元选择一个参考基准，

3)分别对每个测量单元进行标定，标定步骤如下：

I)将一个1000mmx500mm大小的平面靶标17竖直放置于该测量单元前方3m处，平面靶标17上面布置有一个二维垂直轨道，将激光接收器置于轨道上，建立以二维轨道方向分别为y轴、z轴，平面靶标17平面法向为x轴，原点取轨道上任意一个定点的靶标坐标系，

II)粗测发射机在靶标坐标系中的位置，设定初始值，

III)在轨道上移动接收器采集信号，作为标定数据，移动方式为：沿z轴方向移动3行，每行采集11个标定点，每次移

动步长为50mm，

IV)进行标定，求解模型参数是S_1k、S_2k及M_k，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S_{11}}^T{R}_{11}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{21}}^T{R}_{21}{M}_1{X}_W=0\\ {S_{12}}^T{R}_{12}{M}_2{X}_W=0\\ {S_{22}}^T{R}_{22}{M}_2{X}_W=0\\ M\\ {S_{1k}}^T{R}_{1k}{M}_k{X}_W=0\\ {S_{2k}}^T{R}_{2k}{M}_k{X}_W=0\end{array}\right.$

其中：k：发射机编号，k＝1，2，3，4，

S_1k、S_2k：激光平面的平面方程系数(a，b，c，1)^T，称为平面坐标，即(a，b，c，1)^T对应的平面方程为ax+by+cz+1＝0，

R_1k、R_2k：激光平面到初始位置的旋转矩阵，分别是特征时间t_1k、t_2k的函数，

X_W：同一世界坐标系下待测点坐标，

M_k：世界坐标系到发射机坐标系的坐标变换矩阵， $M_k=\left[\begin{array}{cc}{R}_k& T_k\\ O& 1\end{array}\right],$

R_k、T_k分别为世界坐标系到发射机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，

同样对另外三个测量单元进行标定，每个测量单元负责一个小测量空间，且各有一个空间坐标系，

4)在测量区域中心地带任意布置5～10个特征点作为公共位置，用这四个测量单元分别测量这些公共位置，得到其在各自空间坐标系下的坐标数据，

5)将得到的坐标数据采用四元素坐标变换方法，将四个小测量空间统一到一个坐标空间中，完成了小测量空间拼接成大的测量空间。

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