CN107782293B - 基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息测量方法 - Google Patents

基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，该方法利用六自由度激光跟踪靶与激光跟踪仪或全站仪，通过各个设备激光跟踪靶坐标系相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系的相对位姿关系，由坐标系传递运算实现不同设备坐标系间相对位姿关系的测量。本发明解决了当前利用多台经纬仪准直及互瞄实现测量存在的测量效率低、测量难度大及占用人员多的问题，在保证较高测角精度基础上，大大提高航天器总装现场设备安装精度测量的便捷度、灵活性及测量效率，有效满足航天器研制需求。

Description

基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息测量方法
技术领域
本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种结合六自由度激光跟踪靶，利用激光跟踪仪或全站仪测点即可实现航天器设备间相对位姿关系快速测量的方法，可以应用于以立方镜为坐标系基准的设备间位姿关系快速测量。
背景技术
在以航天器总装为代表的现代大型精密系统集成制造过程中，需要精密测量大量不同设备之间的相对姿态角度。需要高精密装配的设备的基准通常采用光学平面镜或光学立方镜，用立方镜或平面镜的法线代表设备的坐标轴指向，立方镜中心点作为坐标系原点。其中，图1显示了本行业中的立方镜的结构示意图，立方镜为一个用光学玻璃做成的正交六面体，包括顶面、底面和4个侧面，每个面均镀有反射膜。3个相互正交的镜面法线可以代表设置立方镜的设备本体坐标系的x轴、y轴、z轴指向，立方镜中心点代表坐标系原点。航天器设备的坐标系通常由立方镜表示，不同立方镜分别代表不同设备的坐标系，如图2所示。
通常，由于经纬仪具有较高的测角精度，当前航天器设备间相对姿态关系测量普遍采用经纬仪建站测量方法，即利用带有准直功能的高精度经纬仪如徕卡TM5100A等，分别准直待测的平面镜、立方镜，然后通过经纬仪之间的互瞄，利用经纬仪的码盘数值计算得到航天器设备坐标轴之间的夹角。上述测量过程需要人工搬动及架设经纬仪与目标立方镜实现准直及互瞄，为了满足现场测量要求，一般需配备3-4台设备及3-4名测量人员。特别是对于大型航天器上分布较高的设备，由于架设及准直难度的加大，完成一台设备测量的时间需要1个小时左右。
然而，随着国家发展需要，航天器的研制数量越来越多，且尺寸越来越大，这导致现场测量任务大大增加，难度也越来越大，传统采用人工准直及测量的方法效率低，严重影响了航天器制造周期。单纯通过增加人员数量及工作时间等方式已无法适应当前需求。在航天器制造时间紧、任务重的研制条件下，亟待研究摆脱利用经纬仪准直互瞄完成航天器设备定向的新测量方法，以提高测量效率，减少人员占用率，有效满足航天器研制需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种单纯通过激光跟踪仪或全站仪测靶标单点即可实现航天器设备位姿测量的方法，解决了当前利用多台经纬仪准直及互瞄实现测量存在的测量效率低、测量难度大及占用人员多的问题，在保证较高测角精度基础上，大大提高航天器总装现场设备安装精度测量的便捷度、灵活性及测量效率，有效满足航天器研制需求。
本发明是通过如下技术方案实现的：
基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，包括如下步骤：
(1)在航天器设备安装之前，将六自由度激光跟踪靶固定在一设备立方镜上，形成相对位姿关系固定的组合刚体，标定设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci与六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi的相对位姿关系(Rbici，Tbici)；
(2)航天器设备完成装配后，在全部覆盖被测设备处架设激光跟踪仪或全站仪并调水平；
(3)通过激光跟踪仪或全站仪对被测设备的六自由度激光跟踪靶的角锥棱镜进行测量，获取各个设备激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RbiL，TbiL)；
(4)结合步骤(1)中的标定结果及步骤(3)的测量结果，确定各个被测设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RciL，TciL)，通过坐标系传递运算实现不同设备坐标系间相对位姿关系(Rcicj，Tcicj)(i≠j)的测量。
其中，步骤(1)中的所述标定包括以下步骤：
a在实现激光跟踪靶测量处架设激光跟踪仪或全站仪并调水平，通过角锥棱镜测量确定六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZb相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RbL，TbL)；
b架设两台经纬仪分别对立方镜两个相邻正交面进行准直测量，同时利用前方交会测量方法，结合角锥棱镜靶球实现对现场靶标点Ti三维坐标的测量，进而确定靶标点Ti在立方镜坐标系Oc-XcYcZc下的坐标(Xci，Yci，Zci)；
c利用激光跟踪仪或全站仪对现场靶标点Ti进行测量，确定靶标点Ti在激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL下的坐标(XLi，YLi，ZLi)；
d利用步骤b、c中的部分公共靶标点Ti的测量结果，结合公共点坐标系转换关系，实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL位姿关系(RcL，TcL)确定；
e结合步骤a、d部分的测量结果，利用坐标系传递计算实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc与六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZi的相对位姿关系(Rbc，Tbc)的标定。
其中，i≥4。
其中，所述六自由度激光跟踪靶由角锥棱镜、面阵相机及水平倾角仪构成，激光跟踪仪或全站仪的测量激光通过跟踪测量目标角锥棱镜，大部分光被原路返回，另一部分透过切口被后方的成像系统接收，根据全站仪入射光在面阵相机上的成像位置，可以得到六自由度激光跟踪靶方位和俯仰两个方向上的姿态信息。
其中，角锥棱镜的角锥处有小切口。
与现有的方法相比，本发明结合六自由度激光跟踪靶，单纯利用激光跟踪仪或全站仪测量靶标单点即可完成航天器设备立方镜位姿信息测量，大大提高现场测量效率，将传统经纬仪测量一项至少30分钟的时间缩短到每2分钟一项；减少测量人员及设备占有率，将传统经纬仪测量至少需要3个人及3台经纬仪，缩减到只需要1个人及1台激光跟踪仪或全站仪便可完成测量；且测量精度高，姿态测量精度优于30″，位置测量精度优于0.1mm；
附图说明
图1为现有技术中，航天器设备上设置的立方镜的示意图；
图2为现有技术中航天器设备上立方镜的分布示意图；
图3本发明的方法中六自由度激光跟踪靶的组成示意图；
其中，1－六自由度激光跟踪靶、2－角锥棱镜、3－面阵相机、4—水平倾角仪；
图4为本发明的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法示意图；
其中，虚线表示的转换关系通过标定和测量直接确定，实线表示的转换关系通过计算间接确定；
图5为本发明方法中立方镜坐标系与六自由度激光跟踪靶坐标系之间的相对位姿关系标定示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
参见图3，图3显示了本发明的方法中六自由度激光跟踪靶的组成示意图；其中，本发明方法中的六自由度激光跟踪靶：由角锥棱镜、面阵相机及水平倾角仪构成，角锥棱镜的角锥处有小切口。激光跟踪仪或全站仪的测量激光通过跟踪测量合作目标角锥棱镜，大部分光被原路返回，与普通棱镜测量无异，另一部分透过切口被后方的成像系统接收。这样，根据全站仪入射光在面阵相机上的成像位置，可以得到六自由度激光跟踪靶方位和俯仰两个方向上的姿态信息。考虑到全站仪使用时需要精密调平和补偿，而倾角传感器能实现自身相对水平面的倾角，因此通过倾角传感器可实现对滚转方向测量的补充，即可实现全部三个姿态量的测量。激光跟踪仪或全站仪通过跟踪测量合作目标角锥棱镜可实时确定六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZb相对激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RbL，TbL)，具体装置构成及测量原理可参见参考文献《A monocular vision andinclinometer combined system for 6DOF measurement of double shield TBM》(YangGao,Jiarui Lin,Feiyan He,et al.Sensors and Actuators A:Physical,2016,249:155-162)、《Development and calibration of an accurate 6-DOF measurement systemwith total station》(Yang Gao,Jiarui Lin,Linghui Yang,et al.MeasurementScience&Technology,2016,27(12):125103)、《视觉与倾角传感器组合相对位姿测量方法》(陈洋，林嘉睿，高扬等，光学学报，2015(12)：165-173)。
在航天器设备安装之前，将六自由度激光跟踪靶固定在一设备立方镜上，形成相对位姿关系固定的组合刚体，标定设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci与六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi的相对位姿关系(Rbici，Tbici)，本部分将结合图5对该技术的具体实施方法进行举例说明，图5显示了本发明方法中立方镜坐标系与六自由度激光跟踪靶坐标系之间的相对位姿关系标定示意图。
a.在可实现激光跟踪靶测量处架设激光跟踪仪或全站仪并调水平，通过角锥棱镜测量确定六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZb相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RbL，TbL)，如下表所示：
表1六自由度激光跟踪靶坐标系与激光跟踪仪坐标系相对位姿关系值
b.架设两台经纬仪分别对立方镜两个相邻正交面进行准直测量，同时利用前方交会测量方法，结合角锥棱镜靶球实现对现场靶标点Ti(i＝5)三维坐标的测量，进而确定靶标点Ti在立方镜坐标系Oc-XcYcZc下的坐标(Xci，Yci，Zci)；
表2公共靶标点在立方镜坐标系下坐标值
点号 X(mm) Y(mm) Z(mm)
P1 -96.624598 312.687896 -794.741
P2 -725.948734 272.575316 -782.699
P3 90.983499 945.413922 -482.032
P4 492.652760 805.107706 -698.262
P5 9.608178 537.277069 -481.313
c.利用激光跟踪仪对现场靶标点Ti进行测量，确定靶标点Ti在激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL下的坐标(XLi，YLi，ZLi)；
表3公共靶标点在激光跟踪仪坐标系下坐标值
点号 X(mm) Y(mm) Z(mm)
P1 293.7326 938.932 -738.983
P2 824.32 598.27 -723.84
P3 -232.74 542.982 -423.743
P4 -472.84 892.43 -642.872
P5 74.743 823.43 -424.872
d.利用第b、c部分公共靶标点Ti的测量结果，结合公共点坐标系转换原理，可实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL位姿关系(RcL，TcL)确定，如下表所示：
表4设备立方镜坐标系与激光跟踪仪坐标系相对位姿关系值
e.结合第a、d部分的测量结果，利用坐标系传递计算可实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc与六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZb的相对位姿关系(Rbc，Tbc)的标定。
表5六自由度激光跟踪靶坐标系相对设备立方镜坐标系位姿关系标定值
按照上述方法完成所有设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci与对应六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi的相对位姿关系(Rbici，Tbici)的标定后，将设备安装到航天器上。本部分将通过举例描述两个设备间的相对位姿关系测量方法来对航天器设备位姿信息快速测量方法进行具体说明。参见图4，图4为本发明的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法示意图；其中，虚线表示的转换关系通过标定和测量直接确定，实线表示的转换关系通过计算间接确定。本发明的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，包括如下步骤：
(1)在航天器设备安装之前，将六自由度激光跟踪靶固定在设备立方镜上，形成相对位姿关系固定的组合刚体，分别标定两套设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci与对应六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi的相对位姿关系(Rbici，Tbici)(i＝2)；
表6设备1立方镜与六自由度激光跟踪靶坐标系相对位姿关系标定值
表7设备2立方镜与六自由度激光跟踪靶坐标系相对位姿关系标定值
(2)上述航天器设备完成装配后，在可全部覆盖被测设备处架设激光跟踪仪；
(3)通过激光跟踪仪对被测设备的六自由度激光跟踪靶的角锥棱镜进行测量，获取两个设备激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi相对于激光跟踪仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RbiL，TbiL)(i＝2)；
表8设备1六自由度激光跟踪靶相对激光跟踪仪坐标系位姿关系测量值
表9设备2六自由度激光跟踪靶相对激光跟踪仪坐标系位姿关系测量值
(4)结合步骤(1)中的标定结果及步骤(3)的测量结果，确定各个被测设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系(RciL，TciL)(i＝2)；
表10设备1立方镜相对激光跟踪仪坐标系位姿关系计算值
表11设备2立方镜相对激光跟踪仪坐标系位姿关系计算值
(5)通过坐标系传递运算实现两个设备立方镜坐标系间相对位姿关系(Rc1c2，Tc1c2)的测量。
表12设备2立方镜与设备1立方镜间相对位姿关系计算值
与现有的方法相比，本发明结合六自由度激光跟踪靶，单纯利用激光跟踪仪或全站仪测量靶标单点即可完成航天器设备立方镜位姿信息测量，大大提高现场测量效率，将传统经纬仪测量一项至少30分钟的时间缩短到每2分钟一项；减少测量人员及设备占有率，将传统经纬仪测量至少需要3个人及3台经纬仪，缩减到只需要1个人及1台激光跟踪仪或全站仪便可完成测量；且测量精度高，姿态测量精度优于30″，位置测量精度优于0.1mm；
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，包括如下步骤：
（1）在航天器设备安装之前，将六自由度激光跟踪靶固定在一设备立方镜上，形成相对位姿关系固定的组合刚体，标定设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci与六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi的相对位姿关系（Rbici，Tbici）;
（2）航天器设备完成装配后，在全部覆盖被测设备处架设激光跟踪仪或全站仪并调水平；
（3）通过激光跟踪仪或全站仪对被测设备的六自由度激光跟踪靶的角锥棱镜进行测量，获取各个设备六自由度激光跟踪靶坐标系Obi-XbiYbiZbi相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系（RbiL，TbiL）；
（4）结合步骤（1）中的标定结果及步骤（3）的测量结果，确定各个被测设备立方镜坐标系Oci-XciYciZci相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系（RciL，TciL），通过坐标系传递运算实现不同设备坐标系间相对位姿关系（Rcicj，Tcicj）（i≠j）的测量。
2.如权利要求1所述的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，其中，步骤（1）中的所述标定包括以下步骤：
a在实现激光跟踪靶测量处架设激光跟踪仪或全站仪并调水平，通过角锥棱镜测量确定六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZb相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL的相对位姿关系（RbL，TbL）；
b架设两台经纬仪分别对立方镜两个相邻正交面进行准直测量，同时利用前方交会测量方法，结合角锥棱镜靶球实现对现场靶标点Ti三维坐标的测量，进而确定靶标点Ti在立方镜坐标系Oc-XcYcZc下的坐标（Xci，Yci，Zci）；
c利用激光跟踪仪或全站仪对现场靶标点Ti进行测量，确定靶标点Ti在激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL下的坐标（XLi，YLi，ZLi）；
d利用步骤b、c中的部分公共靶标点Ti的测量结果，结合公共点坐标系转换关系，实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc相对于激光跟踪仪或全站仪坐标系OL-XLYLZL位姿关系（RcL，TcL）确定；
e结合步骤a、d部分的测量结果，利用坐标系传递计算实现立方镜坐标系Oc-XcYcZc与六自由度激光跟踪靶坐标系Ob-XbYbZi的相对位姿关系（Rbc，Tbc）的标定。
3.如权利要求2所述的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，其中，i≥4。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，其中，所述六自由度激光跟踪靶由角锥棱镜、面阵相机及水平倾角仪构成，激光跟踪仪或全站仪的测量激光通过跟踪测量目标角锥棱镜，大部分光被原路返回，另一部分透过切口被后方的成像系统接收，根据激光跟踪仪或全站仪入射光在面阵相机上的成像位置，得到六自由度激光跟踪靶方位和俯仰两个方向上的姿态信息。
5.如权利要求4所述的基于六自由度激光跟踪靶的航天器设备位姿信息快速测量方法，其中，角锥棱镜的角锥处有小切口。
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