CN104315983B - 利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，步骤是：(1)现场构建多个长度基准：在多个刚性杆两端安装激光跟踪仪靶球座作为测量点，利用激光跟踪仪标定刚性杆两端测量点间的距离；(2)布设多个激光跟踪仪靶球座作为全局测量点，安置基准长度的多个刚性杠，将刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点；(3)在m个站位下设置激光跟踪仪，测量所有全局测量点的三维坐标；(4)利用所有m个站位下全局测量点的三维坐标，实现方位定向，计算得到迭代初值；(5)建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程，构建长度基准的约束方程，优化全局测量点的三维坐标。本方法构造成本低，效率高，能够有效增强坐标测量场精度。

Description

利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法

技术领域

本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量技术领域，特别涉及一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法。

背景技术

大型装备制造、装配过程中的精密测量问题已成为航空航天、船舶制造等大型装备制造领域常见的迫切问题。这类测量问题面临的复杂技术难题在于：一是测量空间庞大，通常测量范围在十几米至几十米；二是测量精度高，需要实现亚毫米的高精度测量，同时兼顾两者具有相当难度。因此，为了解决此类测量问题，实现大空间的全局测量和精度控制，必须在测量空间内构建精密三维坐标测量场。

激光跟踪仪作为一种大尺寸三维坐标测量仪器，是构建精密坐标测量场的常用手段，但面对局部更高的测量精度需求，必须减小全局定向过程中的转站误差，增强区域的测量场精度。目前存在利用激光跟踪仪单个站位测量实现坐标测量场构建的方法，该方法精度不高、适用性较差，要求所有全局测量点必须在激光跟踪仪的测量范围内，且测量过程中不能存在空间遮挡，无法满足现场大尺寸测量需求。

近年来发展了一种利用激光跟踪仪多站位测量构建精密坐标测量场的方法，该方法实现了空间测量范围的扩展，满足了大空间测量的量程要求。然而激光跟踪仪的测角误差较大(±15μm+6μm/m)，制约了三维坐标测量场精度的提高。为了进一步提高测量场的精度，目前一种比较有效的方法是在测量场中引入长度基准。现有的长度基准多采用现成的实物基准尺构造，存在构建条件依赖性强，携带维护不方便，测量灵活性不高等缺点，无法适应工业测量现场的要求，因此急需一种能够现场实现、成本较低、灵活可靠的长度约束构建方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，现场构建空间长度基准，并利用所构建的多长度约束增强坐标测量场精度。该方法利用高精度的激光干涉测距，在恶劣的工业测量环境下，通过跟踪仪靶球座配合碳纤维或殷钢杆现场构造多个空间长度基准(μm量级精度)，长度基准可灵活布置于所需空间区域，构建成本低，解决了实物基准尺携带、维护困难的问题。将构造的长度基准作为约束，加入到跟踪仪多站位对测量点的冗余测量过程当中，从而克服单站空间遮挡问题并优化跟踪仪测角误差，将测量场的三维坐标测量精度溯源至激光干涉测距的精度，进一步提高所构建长度基准的测量点坐标精度，实现区域测量场的精度增强。

为了解决上述技术问题，本发明一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，包括以下步骤：

步骤一、现场构建多个长度基准：在多个刚性杆两端安装激光跟踪仪靶球座作为测量点，利用激光跟踪仪高精度的激光干涉测距，现场标定刚性杆两端测量点间的距离；包括：

1-1、把刚性杆架设在激光跟踪仪正前方放置的两个三角架上；

1-2、将激光跟踪仪靶球分别置于刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座上，反复调整两个三角架的姿态，使激光跟踪仪的干涉测距方向与激光跟踪仪的Y坐标轴方向一致，进而标定刚性杆两端测量点间的距离；

1-3、重复上述步骤1-1和1-2，从而现场标定出多个基准长度刚性杆，把这些标定好的刚性杆在测量空间中随意放置，从而现场构建多个长度基准；

步骤二、在测量空间内的稳固位置布设多个激光跟踪仪靶球座作为全局测量点，把步骤一标定好的基准长度的多个刚性杠稳固安置在工位型架上，将刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点加入到测量场中；上述布设的激光跟踪仪靶球座的点与刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座的点之和为n；

步骤三、在测量空间的某一站位设置激光跟踪仪，将激光跟踪仪靶球依次放在每个激光跟踪仪靶球座上，测量全局测量点的三维坐标，将激光跟踪仪分别移到到另一新的站位，重复上述过程，实现在m个站位下对全局测量点三维坐标的测量，在每个站位下激光跟踪仪至少测量3个以上的公共测量点；

步骤四、利用激光跟踪仪在m个站位下对全局测量点三维坐标的观测值，完成所有m个站位的方位定向，得到全局测量点和站位三维坐标的迭代初值；

步骤五、建立激光跟踪仪自身球坐标系的测长、水平角、垂直角约束方程，同时利用步骤一中构建的长度基准建立长度约束方程，利用步骤四方位定向得到的全局控制点和站位三维坐标迭代初值，采用最优化方法求取全局测量点三维坐标的优化值，从而利用长度约束增强三维坐标场的测量精度，实现将测量场的精度溯源至激光干涉测距的精度；包括：

5-1、根据激光跟踪仪在m个站位下对n个全局测量点的测量，得到mn组球坐标测量参数其中,i表示第i个测量点，i＝1,2,…,n，j表示第j个站位，j＝1,2,…,m，构造的长度约束为其中，k表示第k个长度约束，k＝1,2,…,m₁，m₁为构造的长度约束个数；其中n是布设的点和所有基准长度刚性杆上的测量点之和；

5-2、以某一站位坐标系作为全局坐标系，完成各个站位坐标系的方位定向，求得全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和定向过程中的旋转矩阵为

5-3、每个测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标由全局坐标系下测量点的三维坐标通过式(1)转换得到：

式(1)中，R_j为全局坐标系到站位j局部坐标系的旋转矩阵，矩阵为3×3形式；在测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标转换为球坐标测量参数为

5-4、在全局坐标系下，构造长度基准的两个全局测量点间的距离L_k表示为：

式(2)中，(x_k1,y_k1,z_k1)和(x_k2,y_k2,z_k2)分别为全局坐标系下第k个长度基准两端全局测量点的三维坐标；

5-5、建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程及高精度的长度约束方程：

式(3)中，反正切转换用以量纲的统一，对于m个站位、n个全局测量点和m₁个长度约束，建立3mn+m₁个约束方程；

5-6、利用全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和采用非线性最优化方法，求解全局测量点三维坐标的优化值，从而实现利用长度约束增强坐标测量场的精度，其中的非线性最优化方法选用最小二乘法或牛顿法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用激光跟踪仪高精度的激光干涉测距，在恶劣的工业测量环境下，现场实现了长度基准的高精度构造，构造成本低，效率高；在三维坐标测量场中，通过引入高精度的长度基准作为约束，实现了激光跟踪仪测角误差的优化，将测量场整体的测量精度溯源至激光干涉测距的精度水平。

附图说明

图1激光跟踪仪标定刚性杆两端测量点间距离示意图；

图2精密三维坐标测量场示意图；

图3激光跟踪仪测量原理数学模型。

图中：

101为激光跟踪仪，102为跟踪仪靶球，103为跟踪仪靶球座，104为刚性杆，105为三脚架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，包括以下步骤：

步骤一、现场构建多个长度基准：在多个刚性杆104两端安装激光跟踪仪靶球座103作为测量点，利用激光跟踪仪101高精度的激光干涉测距，现场标定刚性杆两端测量点间的距离；具体内容如下：

1-1、把刚性杆架设在激光跟踪仪正前方放置的两个三角架上；

1-2、将激光跟踪仪靶球分别置于刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座上，反复调整两个三角架的姿态，使激光跟踪仪的干涉测距方向与激光跟踪仪的Y坐标轴方向一致，即测量点的X、Z坐标基本为0，调整好后固定三脚架，将激光跟踪仪靶球置于刚性杆另一端的跟踪仪靶球座上，重复上述过程，利用跟踪仪干涉测距精度高的特性(0.5um/m)，标定刚性杆两端测量点间的距离。

1-3、重复上述步骤1-1和1-2，从而现场标定出多个基准长度刚性杆，把这些标定好的刚性杆在测量空间中随意放置，从而现场构建多个长度基准；

步骤二、如图2所示，在测量空间内的稳固位置布设多个激光跟踪仪靶球座103作为全局测量点，把步骤一标定好的基准长度的多个刚性杠104的稳固安置在工位型架上，将刚性杆104两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点加入到测量场中；上述布设的激光跟踪仪靶球座的点与刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座的点之和为n；

步骤三、如图2所示，在测量空间的站位1上设置一台激光跟踪仪101，将激光跟踪仪靶球102依次放在每个激光跟踪仪靶球座103上，测量全局测量点的三维坐标，将激光跟踪仪分别移到到另一新的站位，重复上述过程，实现在m个站位下对全局测量点三维坐标的测量，在每个站位下激光跟踪仪至少测量3个以上的公共测量点；

步骤四、利用激光跟踪仪在m个站位下对全局测量点三维坐标的观测值，完成所有m个站位的方位定向计算，得到全局测量点和激光跟踪仪站位三维坐标的迭代初值；

步骤五、根据激光跟踪仪测量原理的数学模型，建立激光跟踪仪自身球坐标系的测长、水平角、垂直角约束方程，激光跟踪仪101是球坐标测量系统，其数学模型如图3所示，设被测空间目标点P为(x,y,z)，则其干涉测距值r、水平角α、垂直角β可表示为式(1)

同时利用步骤一中构建的长度基准建立长度约束方程，利用步骤四方位定向得到的全局控制点和站位三维坐标迭代初值，采用最优化方法求取全局测量点三维坐标的优化值，从而利用长度约束增强三维坐标场的测量精度，实现将测量场的精度溯源至激光干涉测距的精度；具体内容如下：

5-1、根据激光跟踪仪在m个站位下对n个全局测量点的测量，得到mn组球坐标测量参数其中,i表示第i个测量点，i＝1,2,…,n，j表示第j个站位，j＝1,2,…,m，构造的长度约束为其中，k表示第k个长度约束，k＝1,2,…,m₁，m₁为构造的长度约束个数；其中n是布设的点和所有基准长度刚性杆上的测量点之和；

5-2、以某一站位坐标系作为全局坐标系，完成各个站位坐标系的方位定向，求得全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和定向过程中的旋转矩阵为

5-3、每个测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标由全局坐标系下测量点的三维坐标通过式(2)转换得到：

式(2)中，R_j为全局坐标系到站位j局部坐标系的旋转矩阵，矩阵为3×3形式；在测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标转换为球坐标测量参数为

5-4、在全局坐标系下，构造长度基准的两个全局测量点间的距离L_k表示为：

式(3)中，(x_k1,y_k1,z_k1)和(x_k2,y_k2,z_k2)分别为全局坐标系下第k个长度基准两端全局测量点的三维坐标；

5-5、建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程及高精度的长度约束方程：

式(4)中，反正切转换用以量纲的统一，对于m个站位、n个全局测量点和m₁个长度约束，建立3mn+m₁个约束方程；

5-6、利用全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和采用非线性最优化方法，求解全局测量点三维坐标的优化值，从而实现利用长度约束增强坐标测量场的精度，其中的非线性最优化方法选用最小二乘法或牛顿法。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法，包括以下步骤：

步骤一、现场构建多个长度基准：在多个刚性杆两端安装激光跟踪仪靶球座作为测量点，利用激光跟踪仪高精度的激光干涉测距，现场标定刚性杆两端测量点间的距离；包括：

1-1、把刚性杆架设在激光跟踪仪正前方放置的两个三角架上；

1-2、将激光跟踪仪靶球分别置于刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座上，反复调整两个三角架的姿态，使激光跟踪仪的干涉测距方向与激光跟踪仪的Y坐标轴方向一致，进而标定刚性杆两端测量点间的距离；

1-3、重复上述步骤1-1和1-2，从而现场标定出多个基准长度刚性杆，把这些标定好的刚性杆在测量空间中随意放置，从而现场构建多个长度基准；

步骤二、在测量空间内的稳固位置布设多个激光跟踪仪靶球座作为全局测量点，把步骤一标定好的基准长度的多个刚性杠稳固安置在工位型架上，将刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座也当成全局测量点加入到测量场中；上述布设的激光跟踪仪靶球座的点与刚性杆两端的激光跟踪仪靶球座的点之和为n；

步骤三、在测量空间的某一站位设置激光跟踪仪，将激光跟踪仪靶球依次放在每个激光跟踪仪靶球座上，测量全局测量点的三维坐标，将激光跟踪仪移到另一新的站位，重复上述过程，实现在m个站位下对全局测量点三维坐标的测量，在每个站位下激光跟踪仪至少测量3个以上的公共测量点；

步骤四、利用激光跟踪仪在m个站位下对全局测量点三维坐标的观测值，完成所有m个站位的方位定向，从而得到全局测量点和站位三维坐标的迭代初值；

步骤五、建立激光跟踪仪自身球坐标系的测长、水平角、垂直角约束方程，同时利用步骤一中构建的多个长度基准建立多个长度约束方程，利用步骤四方位定向得到的全局控制点和站位三维坐标迭代初值，采用最优化方法求取全局测量点三维坐标的优化值，从而利用长度约束增强三维坐标测量场的精度，实现将测量场的精度溯源至激光干涉测距的精度；包括：

5-1、根据激光跟踪仪在m个站位下对n个全局测量点的测量，得到mn组球坐标测量参数其中,i表示第i个测量点，i＝1,2,…,n，j表示第j个站位，j＝1,2,…,m，构造的长度约束为其中，k表示第k个长度约束，k＝1,2,…,m₁，m₁为构造的长度约束个数；其中n是布设的点和所有基准长度刚性杆上的测量点之和；

5-2、以某一站位坐标系作为全局坐标系，完成各个站位坐标系的方位定向，求得全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和定向过程中的旋转矩阵为

5-3、每个测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标由全局坐标系下测量点的三维坐标通过式(1)转换得到：

$\left[\begin{array}{c}{x}_{ij}^s\\ y_{ij}^s\\ z_{ij}^s\end{array}\right]=R_j\·(\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{X}_j\\ Y_j\\ Z_j\end{array}\right])---\left(1\right)$

式(1)中，R_j为全局坐标系到站位j局部坐标系的旋转矩阵，矩阵为3×3形式；在测量站位局部坐标系下测量点的三维坐标转换为球坐标测量参数

5-4、在全局坐标系下，构造长度基准的两个全局测量点间的距离L_k表示为：

$L_k=\sqrt{{(x_{k1}-x_{k2})}^2+{(y_{k1}-y_{k2})}^2+{(z_{k1}-z_{k2})}^2}---\left(2\right)$

式(2)中，(x_k1,y_k1,z_k1)和(x_k2,y_k2,z_k2)分别为全局坐标系下第k个长度基准两端全局测量点的三维坐标；

5-5、建立激光跟踪仪测长、水平角、垂直角约束方程及高精度的长度约束方程：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{ij}^l=\arctan \left(\right(l_{ij}^s-l_{ij}^u)/l_{ij}^s)\\ {\mathrm{\Δ}}_{ij}^{\mathrm{\α}}={\mathrm{\α}}_{ij}^s-{\mathrm{\α}}_{ij}^u\\ {\mathrm{\Δ}}_{ij}^{\mathrm{\β}}={\mathrm{\β}}_{ij}^s-{\mathrm{\β}}_{ij}^u\\ {\mathrm{\Δ}}_k^L=\arctan \left(\right(L_k-L_k^u)/L_k)\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，分别表示激光跟踪仪球坐标系测量参数长度l、水平角α、垂直角β以及空间基准长度L所建立约束方程的优化对象；反正切转换实现量纲的统一，对于m个站位、n个全局测量点和m₁个长度约束，建立3mn+m₁个约束方程；

5-6、利用全局坐标系下全局测量点和站位三维坐标的迭代初值和采用非线性最优化方法，求解全局测量点三维坐标的优化值，从而实现利用长度约束增强坐标测量场的精度，其中的非线性最优化方法选用最小二乘法或牛顿法。