CN108020243B - 一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法 - Google Patents

一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法 Download PDF

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Abstract

提供一种不依赖于载体外部物理基准平面的棱镜标定方法。通过载体携带标定仪进行滚转，即可获得标定仪、载体、棱镜之间的相对关系，完成棱镜与其载体安装偏差的标。不需要载体有固定用的物理基准面，和载体外部形状、体积、重量无关。标定结果为棱镜参考载体的测量坐标系的角度，减少了载体基准面向测量坐标系的传递过程，使得标定更直接、便捷。

Description

一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法
技术领域
本发明属于参数标定领域，具体涉及一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法。
背景技术
标定棱镜和载体的安装参数的基本原理也是利用棱镜的光路传播特性：棱镜棱脊所表述的左指向矢量相对于水平面的倾角β、投影于水平面的方位γ，光电自准直瞄准棱镜时的光轴仰角θ、方位α，有固定关系式sin(α-γ-π/2)＝tan(β)tan(θ)。
现有公开的标定方法是基于上述原理的直接测量法，使用花岗岩平板为参考水平基准，两台自准直仪构成测量单元，被测载体的安装座与自准直仪之间固定连接。在载体安装座上放置装有已知棱镜偏差角的标准体，对测量单元的零位进行修正，之后再将载体安装至安装座，因为标准体与被测载体的外部基准面一致，被测载体上的棱镜与标准体上棱镜的差值会通过自准直仪示值显示，结合标准体上棱镜相对与基准面的已知安装偏差，即可得到被测棱镜的安装参数。
但在被测棱镜安装于不规则形状的载体时，通过现有标定方法无法在不改变外部结构形式的条件下完成标定。同理，当棱镜的载体很规则，但已安装至不可拆卸的大型装置上时，也同样不能使用花岗岩平板形式的标定仪进行标定。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种不依赖于载体外部物理基准平面的棱镜标定方法。通过载体携带标定仪进行滚转，即可获得标定仪、载体、棱镜之间的相对关系，完成棱镜与其载体安装偏差的标
本发明的技术方案如下：一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法,包括以下步骤：
S1:双路自准直仪与三轴倾角测量仪构成标定仪，O-XMYMZM为载体坐标系，
Figure BDA0001496685120000021
为棱镜棱脊矢量，
Figure BDA0001496685120000022
为棱镜棱脊在载体坐标系O-XMYMZM的XMOYM平面上的投影，αE为
Figure BDA0001496685120000023
与XM轴的夹角，βE为
Figure BDA0001496685120000024
与
Figure BDA0001496685120000025
轴的夹角，αE与βE为待标定量；
S2：三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC，而双路自准直仪中与O-XCYCZC重合的坐标系为O-XHYHZH，O-XHYHZH对棱镜自准直读数为AH，而与YC有夹角的坐标系为O-XVYVZV，且O-XVYVZV坐标系XH轴与O-XCYCZC坐标系XC轴重合，YV与YC夹角为20°，O-XVYVZV对棱镜自准直读数为AV，载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC各坐标轴相对于水平面的倾角使用E表示；
S3：将标定仪固定，YH光轴对棱镜准直时的倾角为θ1＝0°，YV轴对棱镜准直时的倾角为θ2＝-20°，双路自准直仪中两个坐标系的读数差dA有：
dA＝AH-AV (1)
根据直角棱镜的光学准直特性有：
dA＝arcsin(tanβH·tanθ1)-arcsin(tanβH·tanθ2) (2)
由式(1)、(2)可得：
βH＝arctan(sindA/tan20°) (3)
棱镜棱脊
Figure BDA0001496685120000026
在O-XCYCZC坐标系中的表达式为
VLC＝[-cosβHcosAH cosβHsinAH sinβH] (4)
S4：记录载体坐标系O-XMYMZM的倾角EXM1、EYM，三轴倾角测量仪三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾角EXC1、EYC，并假设载体坐标系O-XMYMZM的YM轴方位为零；
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM1、EYM转换为相应的欧拉角ρM1、γM1，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理姿态
Figure BDA0001496685120000027
Figure BDA0001496685120000031
Figure BDA0001496685120000032
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000033
Figure BDA0001496685120000034
式中ψYC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的YC方位；
S5：通过载体绕XM轴滚转的方式，使得载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴水平，记录载体坐标系O-XMYMZM的倾斜角EXM2、EZM，三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾斜角EXC2、EZC，并假设载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴方位为零；
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM2、EZM转换为相应的欧拉角ρM2、γM2，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000035
其中：
Figure BDA0001496685120000036
Figure BDA0001496685120000037
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000038
Figure BDA0001496685120000039
式中ψZC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的ZC方位；
S6：由于载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC为固定关系，在滚转前后两者的相对关系不变；
定义
Figure BDA0001496685120000047
满足
Figure BDA0001496685120000048
则：
Figure BDA0001496685120000041
将上述公式(6)(7)(9)(10)代入后可以解出ψYC、ψZC，并得到
Figure BDA0001496685120000042
S7：由式(4)所得棱镜棱脊相对于三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的表达式VLC、载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的转换关系
Figure BDA0001496685120000043
可以得到棱镜棱脊
Figure BDA0001496685120000044
在O-XMYMZM坐标系的表达式VLM；
Figure BDA0001496685120000045
对VLM按照定义进行分解可得αE、βE
Figure BDA0001496685120000046
式中VLM(i)(i＝1,2,3)分别表示矢量VLM的第i个分量。
所述S2中，EZM表示ZM轴的倾角。
所述S3中，将标定仪固定到载体外部，且双路自准直仪能够观测到棱镜。
本发明技术效果：通过载体滚转法实现棱镜安装参数的标定方法，要求载体可滚转，不需要载体有固定用的物理基准面，和载体外部形状、体积、重量无关。标定结果为棱镜参考载体的测量坐标系的角度，减少了载体基准面向测量坐标系的传递过程，使得标定更直接、便捷。
附图说明
图1为本发明所述基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法标定测量关系示意图
图2为本发明所述基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法棱镜安装参数示意图
图3为本发明所述基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法标定仪各坐标系定义指向示意图
具体实施方式
一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法,包括以下步骤：
S1:双路自准直仪与三轴倾角测量仪构成标定仪，O-XMYMZM为载体坐标系，
Figure BDA0001496685120000051
为棱镜棱脊矢量，
Figure BDA0001496685120000052
为棱镜棱脊在载体坐标系O-XMYMZM的XMOYM平面上的投影，αE为
Figure BDA0001496685120000053
与XM轴的夹角，βE为
Figure BDA0001496685120000054
与
Figure BDA0001496685120000055
轴的夹角，αE与βE为待标定量。
S2：三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC，而双路自准直仪中与O-XCYCZC重合的坐标系为O-XHYHZH，O-XHYHZH对棱镜自准直读数为AH，而与YC有夹角的坐标系为O-XVYVZV，且O-XVYVZV坐标系XH轴与O-XCYCZC坐标系XC轴重合，YV与YC夹角为20°，O-XVYVZV对棱镜自准直读数为AV，载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC各坐标轴相对于水平面的倾角使用E表示，(如EZM表示ZM轴的倾角)。
S3：将标定仪固定到载体外部，且双路自准直仪能够观测到棱镜，YH光轴对棱镜准直时的倾角为θ1＝0°，YV轴对棱镜准直时的倾角为θ2＝-20°，双路自准直仪中两个坐标系的读数差dA有：
dA＝AH-AV (14)
根据直角棱镜的光学准直特性有：
dA＝arcsin(tanβH·tanθ1)-arcsin(tanβH·tanθ2) (15)
由式(1)、(2)可得：
βH＝arctan(sindA/tan20°) (16)
棱镜棱脊
Figure BDA0001496685120000056
在O-XCYCZC坐标系中的表达式为
VLC＝[-cosβHcosAH cosβHsinAH sinβH] (17)
S4：记录载体坐标系O-XMYMZM的倾角EXM1、EYM，三轴倾角测量仪三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾角EXC1、EYC，并假设载体坐标系O-XMYMZM的YM轴方位为零；
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM1、EYM转换为相应的欧拉角ρM1、γM1，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理姿态
Figure BDA0001496685120000061
Figure BDA0001496685120000062
Figure BDA0001496685120000063
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000064
Figure BDA0001496685120000065
式中ψYC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的YC方位；
S5：通过载体绕XM轴滚转的方式，使得载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴水平，记录载体坐标系O-XMYMZM的倾斜角EXM2、EZM，三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾斜角EXC2、EZC。并假设载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴方位为零。
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM2、EZM转换为相应的欧拉角ρM2、γM2，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000066
其中
Figure BDA0001496685120000067
Figure BDA0001496685120000068
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure BDA0001496685120000069
Figure BDA00014966851200000610
式中ψZC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的ZC方位。
S6：由于载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC为固定关系，在滚转前后两者的相对关系不变。
定义
Figure BDA0001496685120000071
满足
Figure BDA0001496685120000072
则：
Figure BDA0001496685120000073
将上述公式(6)(7)(9)(10)代入后可以解出ψYC、ψZC，并得到
Figure BDA0001496685120000074
S7：由式(4)所得棱镜棱脊相对于三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的表达式VLC、载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的转换关系
Figure BDA0001496685120000075
可以得到棱镜棱脊
Figure BDA0001496685120000076
在O-XMYMZM坐标系的表达式VLM；
Figure BDA0001496685120000077
对VLM按照定义进行分解可得αE、βE
Figure BDA0001496685120000078
式中VLM(i)(i＝1,2,3)分别表示矢量VLM的第i个分量。

Claims (3)

1.一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法,其特征在于：包括以下步骤：
S1:双路自准直仪与三轴倾角测量仪构成标定仪，O-XMYMZM为载体坐标系，
Figure FDA0002759678980000011
为棱镜棱脊矢量，
Figure FDA0002759678980000012
为棱镜棱脊在载体坐标系O-XMYMZM的XMOYM平面上的投影，αE为
Figure FDA0002759678980000013
与XM轴的夹角，βE为
Figure FDA0002759678980000014
与
Figure FDA0002759678980000015
轴的夹角，αE与βE为待标定量；
S2：三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC，而双路自准直仪中与O-XCYCZC重合的坐标系为O-XHYHZH，O-XHYHZH对棱镜自准直读数为AH，而与YC有夹角的坐标系为O-XVYVZV，且O-XVYVZV坐标系XH轴与O-XCYCZC坐标系XC轴重合，YV与YC夹角为20°，O-XVYVZV对棱镜自准直读数为AV，载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC各坐标轴相对于水平面的倾角使用E表示；
S3：将标定仪固定，YH光轴对棱镜准直时的倾角为θ1＝0°，YV轴对棱镜准直时的倾角为θ2＝-20°，双路自准直仪中两个坐标系的读数差dA有：
dA＝AH-AV (1)
根据直角棱镜的光学准直特性有：
dA＝arcsin(tanβH·tanθ1)-arcsin(tanβH·tanθ2) (2)
由式(1)、(2)可得：
βH＝arctan(sindA/tan20°) (3)
棱镜棱脊矢量
Figure FDA0002759678980000016
在O-XCYCZC坐标系中的表达式为
VLC＝[-cosβHcosAH cosβHsinAH sinβH] (4)
S4：记录载体坐标系O-XMYMZM的倾角EXM1、EYM，三轴倾角测量仪三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾角EXC1、EYC，并假设载体坐标系O-XMYMZM的YM轴方位为零；
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM1、EYM转换为相应的欧拉角ρM1、γM1，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理姿态
Figure FDA0002759678980000021
Figure FDA0002759678980000022
Figure FDA0002759678980000023
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure FDA0002759678980000024
Figure FDA0002759678980000025
式中ψYC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的YC方位；
S5：通过载体绕XM轴滚转的方式，使得载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴水平，记录载体坐标系O-XMYMZM的倾斜角EXM2、EZM，三轴倾角测量坐标系O-XCYCZC的倾斜角EXC2、EZC，并假设载体坐标系O-XMYMZM的ZM轴方位为零；
载体坐标系O-XMYMZM倾角EXM2、EZM转换为相应的欧拉角ρM2、γM2，用于表达载体坐标系O-XMYMZM的地理倾斜姿态
Figure FDA0002759678980000026
其中：
Figure FDA0002759678980000027
Figure FDA0002759678980000028
同理可得三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC地理倾斜姿态
Figure FDA0002759678980000029
Figure FDA00027596789800000210
式中ψZC为三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的ZC方位；
S6：由于载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC为固定关系，在滚转前后两者的相对关系不变；
定义
Figure FDA0002759678980000031
满足
Figure FDA0002759678980000032
则：
Figure FDA0002759678980000033
将上述公式(6)(7)(9)(10)代入后可以解出ψYC、ψZC，并得到
Figure FDA0002759678980000034
S7：由式(4)所得棱镜棱脊矢量相对于三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的表达式VLC、载体坐标系O-XMYMZM与三轴倾角测量仪坐标系O-XCYCZC的转换关系
Figure FDA0002759678980000035
可以得到棱镜棱脊矢量
Figure FDA0002759678980000036
在O-XMYMZM坐标系的表达式VLM；
Figure FDA0002759678980000037
对VLM按照定义进行分解可得αE、βE
Figure FDA0002759678980000038
式中VLM(i)(i＝1,2,3)分别表示矢量VLM的第i个分量。
2.根据权利要求1所述的一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法，其特征在于：所述S5中，EZM表示ZM轴的倾角。
3.根据权利要求1所述的一种基于载体滚转的棱镜安装参数标定方法，其特征在于：所述S3中，将标定仪固定到载体外部，且双路自准直仪能够观测到棱镜。
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