CN109581327A - 全封闭激光发射基站及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业大尺度测量与定位领域，为解决定位测量实时性要求越来越高导致发射站的工作转速不断提高而严重影响发射站安全性与稳定性的问题，提出一种全封闭激光发射基站结构，本发明采取的技术方案是全封闭激光发射基站及其实现方法，步骤如下：外部密封结构主体由4块平板玻璃拼接而成，或者，外部密封结构主体由1整块筒形玻璃构成，由于平板玻璃或圆筒形玻璃在加工装配时无法保证厚度完全一致，当厚度不同时，激光发射站光面将产生形变，同时还会受到光学折射效应，使其不再满足理想平面方程测量模型，对平面形变本发明采用插值方式补偿。本发明主要应用于现场封闭、测试场合。

Description

全封闭激光发射基站及其实现方法

技术领域

本发明涉及工业大尺度测量与定位领域，特别涉及一种不受外界干扰的安全、可靠、全封闭激光发射基站及参数修正方法，具体涉及一种用于现场测量定位的全封闭激光发射基站及其参数修正方法。

背景技术

当前我国以航空航天为代表的大型装备制造业发展迅速，以AGV、智能机器人为代表的可移动柔性平台和集成测量、定位功能的智能工具已成为公认的发展方向，具备多目标、多自由度、实时信息同步获取能力的大空间测量技术及装备正在成为覆盖大型装备数字化制造全流程的核心支撑技术。现有大空间测量定位方法中，以工作空间测量定位系统(即《扫描平面激光空间定位系统测量网络的构建》所描述的wMPS测量定位系统)为代表的多站分布式整体测量网络通过多种类型、空间分布的多个测量站(激光发射站)构造类似地球GPS、独立成体系的高精度室内空间测量定位系统，可从原理上减少累积误差，有效平衡大空间测量定位问题的量程-精度矛盾，具有系统伸缩性好、现场适应性强、并行高效率等独特优点，是匹配上述大型制造数字化测量需求的最佳手段。

wMPS测量网络由覆盖测量空间的一定数量激光发射基站组成。发射站采用精密机械扫描结构，通过匀速旋转两束红外激光扇面扫描测量空间，并在每转零点发射同步光脉冲作为标记。被测点处的光电接收器接收各发射站扇面光和同步光脉冲，通过对两种信号计时计算基站扫描旋转角，巧妙实现全方位空间二维方位角度自动测量，进而在观测到两个以上发射站时利用空间角度交会完成自身三维坐标的自主识别、计算。在优化布局下wMPS坐标测量精度可接近激光跟踪仪，并可通过增加基站拓展测量范围，保证局部与整体精度一致。

随着现场机器人、柔性工装等移动平台对定位测量实时性的要求越来越高，发射站的工作转速正在不断提高，并将很快突破每分钟万转。必须强调的是，现有发射站由于旋转部分采用开放结构，即发射站旋转平台部件外露，在以每分钟万转高速运行时将引起以下严重问题，极大威胁现场发射站使用的安全性与稳定性：

1、发射站工作时由于转台外表面存在激光出射窗口，不能保证绝对光滑，转台高速旋转时激光窗口将带动周围空气产生剧烈气流变化，造成激光出射窗口附近空气折射率剧烈变化，严重影响光平面稳定性，降低发射站测量精度；

2、在造船船坞、航空机库等恶劣外场检测环境下，现场灰尘、残渣异物一旦进入发射站轴系，将严重影响成发射站轴系稳定性，甚至造成轴系损坏；

3、在机器人、AGV等高动态现场应用中，发射站一旦与柔性运动结构(机械臂、执行机构)间发生意外干涉碰撞造成高速旋转平台或设备破损，特别平台破碎所产生残片会在自身速度作用下向外飞射，严重威胁现场设备、人员安全。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对现场机器人、柔性工装等移动平台对定位测量实时性要求越来越高导致发射站的工作转速不断提高而严重影响发射站安全性与稳定性的问题，本发明旨在用高透射率光学玻璃对发射站旋转部分进行密封，提出一种全封闭激光发射基站结构，将发射站旋转平台与外部隔离，最大限度降低现场气流灰尘对发射站光学机械性能的影响，提高发射站使用安全性，并采用基于RBF的非参插值拟合的方式补偿发射站密封玻璃在径向上厚度不均匀所引起的光平面参数变化，保证激光发射站在航空、航天、造船等恶劣现场环境下的安全可靠运行。为此，本发明采取的技术方案是全封闭激光发射基站实现方法，步骤如下：

(1)外部密封结构主体由4块平板玻璃拼接而成，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用，或者，

(2)外部密封结构主体由1整块筒形玻璃构成，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用；

(3)由于平板玻璃或圆筒形玻璃在加工装配时无法保证厚度完全一致，当厚度不同时，激光发射站光面将产生形变，同时还会受到光学折射效应，使其不再满足理想平面方程测量模型。对平面形变本发明采用插值方式补偿。

步骤(3)进一步具体地，采用基于径向基函数RBF(Radial Basis Functions)的插值方法:具体是利用离散采样的方式建立发射站扫描角θ₁,θ₂与接收器真实水平角α垂直角β之间的一一对应关系，测量时对视场内任意一个合作目标点，其在发射站坐标系下的水平角和垂直角可通过径向基函数插值的方式求得：RBF插值运用径向基φ_i(x)和多项式基p_j(x)构造一个估计函数z(x)来穿过给定的n个离散点x_i和对应的函数值f_i，i＝1,2,…,n，如估计函数z(x)为空间水平角α及垂直角β，则表示为：

式中,w_i和c_j分别是径向基φ_i(θ₁,θ₂)和多项式基p_j(θ₁,θ₂)的权重系数，m表示多项式的维度，径向基φ_i(θ₁,θ₂)是关于距离r_i＝[(θ₁-θ_1i)²+(θ₂-θ_2i)²]^1/2的函数，多项式基p_j(θ₁,θ₂)＝[1,θ₁,θ₂,θ₁ ²,θ₁θ₂,θ₂ ²,…]。

为保证RBF插值唯一，需附加约束条件：

全封闭激光发射基站，结构如下：

(1)外部密封结构主体由4块平板玻璃拼接而成，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用，或者，

(2)外部密封结构主体由1整块筒形玻璃构成，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。

本发明的特点及有益效果是：

本发明采用高透射率光学玻璃对发射站旋转部分进行密封，提出一种全封闭激光发射基站结构，将发射站旋转平台与外部隔离，可最大限度降低现场气流、灰尘对发射站光学机械性能的影响，有效避免发射站轴系碰撞损坏，提高发射站使用安全性。同时采用基于RBF等方法的非参数化拟合插值拟合的方式补偿发射站密封玻璃在径向上厚度不均匀所引起的光平面参数变化，保证激光发射站测量精度，并最终保证wMPS发射站在航空、航天、造船等恶劣现场环境下的安全可靠运行。

附图说明：

图1基于平玻璃面拼接的发射站密封方法。

图2基于环形玻璃套的激光发射站密封方法。

图3全封闭激光发射站扫描光面变形。

具体实施方式

针对现场机器人、柔性工装等移动平台对定位测量实时性要求越来越高导致发射站的工作转速不断提高而严重影响发射站安全性与稳定性的问题，本发明采用高透射率光学玻璃对发射站旋转部分进行密封，提出一种全封闭激光发射基站结构，将发射站旋转平台与外部隔离，最大限度降低现场气流灰尘对发射站光学机械性能的影响，提高发射站使用安全性，并采用基于RBF的非参插值拟合的方式补偿发射站密封玻璃在径向上厚度不均匀所引起的光平面参数变化，保证激光发射站在航空、航天、造船等恶劣现场环境下的安全可靠运行。

1、发射站旋转平台密封结构，所述结构包含以下两种实现方案：

(1)外部密封结构(密封罩)主体由4块平板玻璃拼接而成，如图1所示，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。

(2)外部密封结构(密封罩)主体由1整块筒形玻璃构成，如图2所示，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。

2、视现场情况要求，发射站密封罩可充一定保护气体，保护轴系及转台内部激光器，或抽真空最大限度降低转台旋转引起的气流影响。

3、由于平板玻璃或圆筒形玻璃在加工装配时无法保证厚度完全一致，当厚度不同时，激光发射站光面将产生形变，使其不再满足理想平面方程。对平面形变可采用插值方式补偿形变，插值方法包括但不限于多项式插值及基于神经网络的预测插值等，典型如基于径向基函数的插值方法:径向基函数(Radial Basis Functions，以下简称RBF)插值主要核心思想是利用离散采样的方式建立发射站扫描角θ₁,θ₂与接收器真实水平角α垂直角β之间的一一对应关系，测量时对视场内任意一个合作目标点，其在发射站坐标系下的水平角和垂直角可通过径向基函数插值的方式求得。RBF插值运用径向基φ_i(x)和多项式基p_j(x)构造一个估计函数z(x)来穿过给定的n个离散点x_i(i＝1,2,…,n)和对应的函数值f_i(i＝1,2,…,n)，如估计函数z(x)为空间水平角α及垂直角β，则表示为：

式中,w_i和c_j分别是径向基φ_i(θ₁,θ₂)和多项式基p_j(θ₁,θ₂)的权重系数，m表示多项式的维度，径向基φ_i(θ₁,θ₂)是关于距离r_i＝[(θ₁-θ_1i)²+(θ₂-θ_2i)²]^1/2的函数，多项式基p_j(θ₁,θ₂)＝[1,θ₁,θ₂,θ₁ ²,θ₁θ₂,θ₂ ²,…]。为保证RBF插值唯一，需附加约束条件：

具体实例如下：

1、发射站旋转平台密封结构，所述结构包含以下两种实现方案：

(1)外部密封结构(密封罩)主体由4块平板玻璃拼接而成，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。

(2)外部密封结构(密封罩)主体由1整块筒形玻璃构成，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。

2、视现场情况要求，发射站密封罩可充一定保护气体，保护轴系及转台内部激光器，或抽真空最大限度降低转台旋转引起的气流影响。

3、由于平板玻璃或圆筒形玻璃在加工装配时无法保证厚度完全一致，当厚度不同时，激光发射站光面将产生形变，使其不再满足理想平面方程。对平面形变可采用插值方式补偿形变，插值方法包括但不限于多项式插值及基于神经网络的预测插值等，典型如基于径向基函数(RBF)的插值方法:径向基函数(Radial Basis Functions，以下简称RBF)插值主要核心思想是利用离散采样的方式建立发射站扫描角θ₁,θ₂与接收器真实水平角α垂直角β之间的一一对应关系，测量时对视场内任意一个合作目标点，其在发射站坐标系下的水平角和垂直角可通过径向基函数插值的方式求得。RBF插值运用径向基φ_i(x)和多项式基p_j(x)构造一个估计函数z(x)来穿过给定的n个离散点x_i(i＝1,2,…,n)和对应的函数值f_i(i＝1,2,…,n)，如估计函数z(x)为空间水平角α及垂直角β，则表示为：

式中w_i和c_j分别是径向基φ_i(θ₁,θ₂)和多项式基p_j(θ₁,θ₂)的权重系数，m表示多项式的维度，径向基φ_i(θ₁,θ₂)是关于距离r_i＝[(θ₁-θ_1i)²+(θ₂-θ_2i)²]^1/2的函数，多项式基p_j(θ₁,θ₂)＝[1,θ₁,θ₂,θ₁ ²,θ₁θ₂,θ₂ ²,…]。为保证RBF插值唯一，需附加约束条件：

Claims (4)

1.一种全封闭激光发射基站实现方法，其特征是，步骤如下：

(1)外部密封结构主体由4块平板玻璃拼接而成，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用，或者，

(2)外部密封结构主体由1整块筒形玻璃构成，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用；

(3)由于平板玻璃或圆筒形玻璃在加工装配时无法保证厚度完全一致，当厚度不同时，激光发射站光面将产生形变，同时还会受到光学折射效应，使其不再满足理想平面方程测量模型，对平面形变本发明采用插值方式补偿。

2.如权利要求1所述的全封闭激光发射基站实现方法，其特征是，步骤(3)进一步具体地，采用基于径向基函数RBF(Radial Basis Functions)的插值方法:具体是利用离散采样的方式建立发射站扫描角θ₁,θ₂与接收器真实水平角α垂直角β之间的一一对应关系，测量时对视场内任意一个合作目标点，其在发射站坐标系下的水平角和垂直角可通过径向基函数插值的方式求得：RBF插值运用径向基φ_i(x)和多项式基p_j(x)构造一个估计函数z(x)来穿过给定的n个离散点x_i和对应的函数值f_i，i＝1,2,…,n，如估计函数z(x)为空间水平角α及垂直角β，则表示为：

式中,w_i和c_j分别是径向基φ_i(θ₁,θ₂)和多项式基p_j(θ₁,θ₂)的权重系数，m表示多项式的维度，径向基φ_i(θ₁,θ₂)是关于距离r_i＝[(θ₁-θ_1i)²+(θ₂-θ_2i)²]^1/2的函数，多项式基p_j(θ₁,θ₂)＝[1,θ₁,θ₂,θ₁ ²,θ₁θ₂,θ₂ ²,…]。

3.如权利要求2所述的全封闭激光发射基站实现方法，其特征是，为保证RBF插值唯一，需附加约束条件：

4.一种全封闭激光发射基站，其特征是，结构如下：

(1)外部密封结构主体由4块平板玻璃拼接而成，具体包含顶盖、支架和玻璃平板，玻璃平板采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用，或者，

(2)外部密封结构主体由1整块筒形玻璃构成，具体包含顶盖、支架和玻璃圆筒，玻璃圆筒采用粘接等密封工艺与顶盖支架无缝连接，形成密封罩，密封罩与发射站间通过紧固螺丝或密封粘接与发射站本体连接，最终达到对发射站顶部转台密封作用。