CN106646507B - 基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本发明集成了惯性测量装置与激光跟踪测量设备构成组合测量系统，发明了基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法。其中，惯性测量装置自主地以较高频率工作，不受现场环境影响，实时连续地为激光跟踪测量设备提供引导信息；同时，激光跟踪测量设备输出精确稳定的测量结果能够用来修正惯性测量装置的累积误差。本发明将两类测量方法及设备优势结合，同时弥补了对方的劣势，形成具备更佳综合性能的测量装置。

Description

基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置
技术领域
本发明涉及精密测量方法与技术领域，尤其涉及一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置。
背景技术
数字化测量技术已广泛应用于航空、航天、船舶及桥梁隧道等多个领域中的大型部件生产及装配中，是提升产品及工程生产质量和效率的关键技术。在飞机机翼装配、运载火箭舱段对接，航天发动机安装、船舶分段合拢、桥梁隧道盾构中均有广泛应用。其中，激光跟踪测量设备，包括：激光跟踪仪，全站仪等，具有测量精度高、量程覆盖范围大(从一米至上百米)、布局灵活、操作方便及自动化程度高等优点，是目前现场应用最多的一类测量设备。该类全站式测量设备通过测量多个基准点获取目标的精确位置和姿态信息。考虑到成本、现场布局灵活性等因素，一般采用单台设备测量。激光跟踪测量设备自身不具备同时测量多个目标点的能力，需要逐个手动瞄准目标完成测量。手动瞄准速度慢，要求目标必须处于静止状态，影响测量及生产效率。针对运动目标，必须要有辅助手段及装置引导激光束快速自动瞄准多个目标。目前，该类设备主要采用视觉引导方法，通过视觉传感器测量基准点的位置，根据预先标定的视觉传感器与激光跟踪测量设备的坐标系转换关系，将基准点位置发送至伺服跟踪机构，从而实现激光束自动瞄准。
但是，视觉引导方法在实际应用时具有一定局限性：
第一，现场光照条件，机械运动，以及人员走动等均会形成干扰信息，导致视觉传感器的图像场景发生变化。另外，合作目标在场景图像中所占比例非常小。在复杂且不断变化的场景中准确识别出小尺寸特征对图像质量、图像预处理及特征识别和提取算法的精度和可靠性要求很高；
第二，在测量现场，环境往往比较复杂，现场人员及设施，以及被测目标自身姿态变化均可能在动态跟踪过程中形成遮挡，导致视觉方法失效；
第三，视觉传感器应具有较大视场才能保证目标移动过程中基准点不出视场，大视场相机标定相对困难，引导精度会受到标定精度的影响。
总之，基于视觉引导的方法及装置在精度、效率、灵活性及适应性等方面尚存在诸多不足。亟需一种有效引导手段，能在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备自动对多个目标点快速逐点测量。
发明内容
本发明提供了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本发明以惯性测量作为辅助测量手段，将惯性测量方法与激光跟踪测量方法结合，实现在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备对多个目标点自动逐点测量，详见下文描述：
一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，所述方法包括以下步骤：
使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；
目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；
惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；
根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。
所述惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体为：
根据惯性测量装置的动态模型及性能，选取合适的状态量，并建立状态方程；
根据标定结果确定观测矩阵并建立观测方程；根据惯性测量装置的误差统计特性，建立系统噪声矩阵；
根据激光跟踪测量设备的误差分布，建立观测噪声矩阵；
激光跟踪测量设备输出测量值时，利用上述状态方程、观测方程、系统噪声矩阵及观测噪声矩阵对状态量进行最优估计，得到被测目标位姿的最优估计值；
根据最优估计值得到误差系数，以此修正惯性测量装置的误差模型。
一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法的测量装置，所述激光跟踪测量设备为一台激光跟踪全站式测量仪器，惯性测量装置为一个惯性测量单元或惯性位姿参考系统，包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，
利用标定结果，将惯性测量单元的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪仪，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。
本发明集成了激光跟踪测量与惯性测量两类测量方法，发挥了两者各自优势，形成综合性能更加的测量装置，具备如下有益效果：
1、使激光跟踪测量设备具备了自动跟踪测量多个目标点的能力；
2、使激光跟踪测量设备在环境恶劣、干扰较多，通视性条件较差的测量现场，仍然能够稳定工作，输出连续的测量结果；
3、激光跟踪测量设备与惯性测量装置构成的组合式测量系统在保证精度的前提下，显著提高测量频率；
4、与现有的视觉引导测量方法相比，本方法在精度、量程和效率上均有优势；涉及的装置结构简单，稳定可靠。
附图说明
图1为一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法的流程图；
图2为本发明所涉及的测量装置的一个实施例的示意图；
图中：101：激光跟踪仪；102：惯性测量单元；103：被测目标；104：反射靶球。
图3为本发明所涉及的坐标系示意图；
图中：201：工件坐标系；102：惯性测量装置坐标系；203：世界坐标系；204：激光跟踪测量坐标系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为达到上述目的，本发明实施例集成了惯性测量装置与激光跟踪测量设备构成组合测量系统，发明了基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法。其中，惯性测量装置自主地以较高频率工作，不受现场环境影响，实时连续地为激光跟踪测量设备提供引导信息；同时，激光跟踪测量设备输出精确稳定的测量结果能够用来修正惯性测量装置的累积误差。本发明实施例将两类测量方法及设备优势结合，同时弥补了对方的劣势，形成具备更佳综合性能的测量装置。
所述基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法与装置，装置包括激光跟踪测量设备(如激光跟踪仪、全站仪等)和惯性测量装置(如惯性测量单元和惯性位姿参考系统等)。
实施例1
11；使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；
12：目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；
13：惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；
14：根据步骤11和12中的标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。
其中，上述步骤13中的惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体为：
1)根据惯性测量装置的动态模型及性能，选取合适的状态量(例如：速度、位置和姿态角及惯性测量装置的误差修正系数)，并建立状态方程；
2)根据步骤11和12中的标定结果确定观测矩阵并建立观测方程；
3)根据惯性测量装置的误差统计特性，建立系统噪声矩阵；
4)根据激光跟踪测量设备的误差分布，建立观测噪声矩阵；
5)激光跟踪测量设备输出测量值时，利用上述状态方程、观测方程、系统噪声矩阵及观测噪声矩阵对状态量进行最优估计，得到被测目标位姿的最优估计值；
6)根据最优估计值得到误差系数，以此修正惯性测量装置的误差模型。
由于惯性测量装置比激光跟踪测量设备测量频率高(一般高几十到上百倍)，在激光跟踪测量设备测量周期间隔内，惯性测量装置在上述目标位姿的最优估计值的基础上，按照自身频率继续自主输出校正后的测量结果。
综上所述，本发明实施例以惯性测量作为辅助测量手段，将惯性测量方法与激光跟踪测量方法结合，实现在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备对多个目标点自动逐点测量。
实施例2
下面结合具体的图1、图2和图3、以及数学公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
需要声明的是，本实施例只是本方法和装置的示范性实施例，但是并不仅仅局限于上述示范性实施例。本方法和装置适用于所有激光跟踪测量设备对任何运动载体位姿测量。
本实施例采用的激光跟踪测量设备为一台激光跟踪仪101；采用的惯性测量装置为一个惯性测量单元102，包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。
使惯性测量装置与被测目标103刚性连接，在目标上表面固定多个反射靶球104作为基准点，以基准点P1,P2,P3建立工件坐标系Op-XpYpZp201。标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系Oi-XiYiZi202的转换关系。
被测目标103移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系Ow-XwYwZw203。定义激光跟踪仪自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系Ot-XtYtZt204，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系。
惯性测量单元102自主连续地测量目标位姿。但是，其结果含有累积误差，若误差过大，直接反馈至激光跟踪仪将导致锁定激光束过程缓慢，甚至超出激光跟踪仪的光束捕获能力。利用激光跟踪仪高精度的测量结果修正惯性测量单元的累积误差。
误差修正方法包括下列步骤：
根据惯性测量单元102的动态模型及性能，选取状态量：
其中，表示姿态角，表示速度，表示位置，表示加速度计误差修正系数，表示陀螺误差修正系数。
以状态量的误差量建立状态方程：
其中，Fk/k-1为k-1到k时刻的状态转移矩阵，ξk-1为系统噪声。
根据标定结果确定观测矩阵Hk并建立观测方程：
其中，为激光跟踪测量设备的测量结果，具体包括位置和姿态，vk为观测噪声。
在激光跟踪仪101测量到基准点的时刻k，利用上述建立的状态方程、观测方程、系统噪声及观测噪声对状态量进行最优估计，得到各个状态量的最优估计值。
其中，最优估计方法如下：
状态量xk最优估计值由系统预测值及实际观测值共同决定：
式中，为状态量xk的误差量，为上一时刻状态量的误差量，为由状态量误差更新得到的状态量误差的估计值。Kk为增益系数。按照最优估计准则，Kk应使状态量Xk均方差矩阵最小：
式中，Pk/k-1为上一时刻均方差递推得到的均方差估计值，Rk为观测噪声矩阵，由激光跟踪仪101的误差分布特性确定。
均方差矩阵Pk由系统预测模型、系统噪声以及观测模型和观测噪声共同决定：
式中，Qk-1为系统噪声矩阵，由惯性测量单元102的误差统计特性决定。
根据最优估计得到误差系数修正惯性测量单元102的误差模型。在激光跟踪仪101输出测量值的时刻k-1与时刻k之间，惯性测量单元102在上述最优估计值的基础上继续高频率自主输出误差修正后的测量值。
利用标定结果，将惯性测量单元102的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪仪101，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；
目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；
惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；
根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量；
其中，所述惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体为：
根据惯性测量装置的动态模型及性能，选取以下状态量：
其中，为姿态角，为速度，为位置，为加速度计误差修正系数，为陀螺误差修正系数；
以状态量的误差量建立状态方程：
其中，Fk/k-1为k-1到k时刻的状态转移矩阵，ζk-1为系统噪声；
根据标定结果确定观测矩阵并建立观测方程：
其中，为激光跟踪测量设备的测量结果，具体包括位置和姿态，观测噪声vk；观测矩阵Hk；
激光跟踪测量设备输出测量值时，利用上述状态方程(2)、观测方程(3)、系统噪声ξk及观测噪声vk对状态量xk进行最优估计，得到被测目标位姿的最优估计值；
根据最优估计值得到误差系数，以此修正惯性测量装置的误差模型；
其中，最优估计方法如下：
状态量xk最优估计值由系统预测值及实际观测值共同决定：
式中，为状态量xk的误差量，为上一时刻状态量的误差量，为由状态量误差更新得到的状态量误差的估计值；Kk为卡尔曼增益系数，按照最优估计准则，Kk应使状态量Xk均方差矩阵最小：
式中，Pk/k-1为上一时刻均方差递推得到的均方差估计值，Rk为观测噪声矩阵，由激光跟踪仪的误差分布特性确定；
均方差矩阵Pk由系统状态转移矩阵Fk/k-1、系统噪声矩阵Qk-1、观测矩阵Hk和卡尔曼增益系数Hk共同决定：
式中，Qk-1为系统噪声矩阵，由惯性测量单元的误差统计特性决定。
2.一种用于实施权利要求1所述的一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法的测量装置，其特征在于，
所述激光跟踪测量设备为一台激光跟踪全站式测量仪器，惯性测量装置为一个惯性测量单元或惯性位姿参考系统，包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，
利用标定结果，将惯性测量单元或惯性位姿参考系统的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪全站式测量仪器，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。
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