CN110006459B - 一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车间动态作业环境下R‑LATs测量网络的自修正系统及方法，不会对实际操作产生影响，能够实时的对精度进行感知，进行自动修正，经济性良好。所述方法通过布置有限的标定杆或自由加入手持式靶标的作为R‑LATs测量网络的感知数据源，然后在总控软件中周期性的对感知源数据进行校核，通过辨识参数误差从而进行自动的修正或主动提供警示报告，由此实现车间内R‑LATs测量网络的工作精度保持。所述的方法可以后台运行模式内嵌入车间的测量总服务器端控软件中，对实际测量作业任务无任何影响，且无需大量传感器配置，经济性良好，系统运行智能化。

Description

一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统及 方法

技术领域

本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及大规模旋转激光经纬仪测量网络(R-LATs)组网测量，具体为一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统及方法。

背景技术

旋转激光经纬仪网络(R-LATs)是大尺寸空间测量的一种重要方法，通过合理的布站，可以实现任意尺寸的测量空间扩展，其测量精度能够保持在±0.2mm，目前广泛的应用于飞机装配制造、火箭装配制造、船舶制造、大型天线制造等大型高端装备制造领域。

R-LATs测量网络工作中，每一台旋转激光经纬仪发出两个具有夹角的扇形平面光，并按照指定速度匀速回转，同时，在每一回转角度的零点发出一覆盖全空间的脉冲光。如此，这三个光平面扫过空间中的一个光电传感器P，使之得到三个时间触发信号。这时，基于这三个时间信号和旋转激光经纬仪的转速，可以确定出空间内的唯一一条射线L，其通过旋转激光经纬仪激光面发射中心点O和光电传感器P。如此，当有两台以上旋转激光经纬仪时，它们的空间直线L在空间交汇于一点，即为传感器P的空间位置点。因此，在旋转激光经纬仪的空间相对位置确定后，即可实现大尺寸空间内光电传感器的坐标测量。

在车间动态作业环境下，一些大型的冲击振动，如行车的启停、大型装备的间断性负载作业等，会造成整个车间地基与承重物等的波动与轻微位移。R-LATs测量网络组网时必须精确的标定出每一发射机在全局测量场中的外参数，精确的外参数是确保R-LATs测量网络测量精度的关键。而车间动态环境带来的振动可能会引发发射机的实际物理位置改变，会导致发射机外参数不再与实际一致，将造成测量精度的衰退。因此，动态工况下R-LATs测量网络的自感知与自修复对于维持其良好的作业性能至关重要。

发明内容

针对现有技术中车间的动态作业工况引发的R-LATs测量网络旋转激光经纬仪发射机位姿改变，进而造成发射机外参数失真工作精度衰退的问题，本发明提供一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统及方法，不会对实际操作产生影响，能够实时的对精度进行感知，进行自动修正，经济性良好。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，R-LATs测量网络达到稳定工作状态后，进入R-LATs测量网络的正常测量作业状态；在车间动态作业环境下，存储标定杆或手持式靶标传感器的触发时间，按照设置的循环周期进入如下循环操作：

步骤1，根据旋转激光经纬仪对标定杆或手持式靶标的各个传感器形成触发得到的触发时间，进而确定其在R-LATs测量网络中的激光平面方程，计算传感器初始坐标P_n距离当前测量激光平面的偏差Δ_n’；同时，按照R-LATs测量网络的坐标计算方法，求各个传感器的当前坐标P_n’，然后得到标定杆的当前测量杆长L_i’；

步骤2，检查所有标定杆的当前测量杆长，与原始标定杆长的误差是否大于设定的阈值εmm：否则表示杆长变化可接受，执行步骤3；是则表示旋转激光经纬仪的外参数发生超范围失真，发出提示信号；

步骤3，检查所有传感器对应各台旋转激光经纬仪的偏差Δ_n’，是否满足偏差大于交汇残差Δ_n的120％，即Δ_n’>1.2Δ_n；

不满足，表明当前R-LATs各台旋转激光经纬仪的外参数无超范围失真，跳出当前循环，保持正常测量作业；

满足，表明激光旋转经纬仪实际位置发生变换，当前的外参数失真，利用标定杆测量数据进行全部外参数的标定以修正外参数；

步骤4，对当前R-LATs测量网络外参数修正计数值加1；

步骤5，判断R-LATs测量网络外参数修正计数值是否大于设定的报警阈值：否则完成当前循环，保持正常测量作业状态；是则发出提示信号。

优选的，使R-LATs测量网络达到稳定工作状态前，对R-LATs测量网络进行初始化；

启动R-LATs测量网络，旋转激光经纬仪对标定杆或手持式靶标的各个传感器形成触发得到触发时间并形成时间序列，按照当前R-LATs的外参数计算得到各个标定杆或手持式靶标传感器的空间坐标；

根据时间序列和空间坐标，结合每一旋转激光经纬仪的测角误差σ_k，计算得到每一个传感器位置的交汇残差。

进一步，所述的标定杆或手持式靶标固定安装在车间内R-LATs测量网络的有效覆盖区域中；R-LATs测量网络中的每一台旋转激光经纬仪发出的激光面都能够覆盖到至少两根标定杆或至少一根手持式标靶。

进一步，所述的标定杆的两端为两个光电传感器，且两者之间的距离L_i已知，i＝1，2，…，m；手持式靶标的机械结构上安装有n(n≥3)个光电传感器，每一个光电传感器在手持式靶标自身测量坐标系中的初始坐标P_n已知。

进一步，计算各个标定杆或手持式靶标传感器的空间坐标时，R-LATs测量网络工作在静态模式下，采集30秒以上并对数据进行均化后计算。

进一步，计算得到每一个传感器位置的交汇残差时，根据时间序列和空间坐标，结合每一旋转激光经纬仪的测角误差σ_k，按照±3σ原则施加误差带，对每一个传感器的初始坐标P_n＝[x_n,y_n,z_n]^T由下式计算每一个传感器距离触发第k台发射机激光平面的最大可能偏差Δ_k,n，定义为交汇残差：

优选的，步骤3中，利用标定杆测量数据进行全部外参数的标定时，通过基于标定杆自由组网标定操作构建出冗余方程组，按照标定杆的激光触发时间平均值和各个标定杆长L_i进行常规的自由组网标定，即得到系统修正的外参数。

一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统，包括车间内R-LATs测量网络的有效覆盖区域中固定安装的标定杆或手持式靶标，以及存储器和处理器；

所述的存储器用于存储执行上述任意一项所述自修正方法的自修正程序；

所述的处理器用于执行存储器中存储的自修正程序。

优选的，自修正程序嵌入R-LATs测量网络的后台执行，提示信号由人机交互界面显示。

优选的，所述的R-LATs测量网络包括，车间内配置的k台旋转激光经纬仪；每一台旋转激光经纬仪发射机的测角精度σ_k为已知的R-LATs测量网络自身属性；R-LATs测量网络在车间静态作业环境下完成标定，每一发射机的外参数(R_k,T_k)确定；每一发射机的内参数确定，即激光面的方程确定如下a_k1x+b_k1y+c_k1z＝0和a_k2x+b_k2y+c_k2z＝0。

其中，a_k1、b_k1、c_k1和a_k2、b_k2、c_k2分别是两个激光面的内参数，是R-LAT系统自身固有参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统和方法，通过布置有限的标定杆或自由加入手持式靶标的作为R-LATs测量网络的感知数据源，然后在总控软件中周期性的对感知源数据进行校核，通过辨识参数误差从而进行自动的修正或主动提供警示报告，由此实现车间内R-LATs测量网络的工作精度保持。所述的方法可以后台运行模式内嵌入车间的测量总服务器端控软件中，对实际测量作业任务无任何影响，且无需大量传感器配置，经济性良好，系统运行智能化。

附图说明

图1为本发明实例中所述R-LATs测量网络覆盖区域的标定杆布置关系示意图。

图2为本发明所述系统的运行工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的系统包括车间内的硬件配置和R-LATs测量网络两方面实施：

首先，对于R-LATs测量网络有如下先决条件：

(1)车间内配置k台旋转激光经纬仪构成R-LATs测量网络；

(2)每一发射机的测角精度σ_k为已知的R-LATs测量网络自身属性；

(3)R-LATs测量网络已经在车间静态作业环境下完成标定，每一发射机的精确外参数(R_k,T_k)已经确定；

(4)每一发射机的精确内参数已经确定，即激光面的方程确定如下a_k1x+b_k1y+c_k1z＝0和a_k2x+b_k2y+c_k2z＝0。

车间内的硬件配置：

如图1所示，在车间内R-LATs测量网络的有效覆盖区域内固定安装m根标定杆，或自由选用手持式靶标固定于某一位置。要求保证整个R-LATs测量网络中的每一台旋转激光经纬仪发出的激光面都能够覆盖到两根以上标定杆，同时并且尽量减少标定杆数量以减少系统成本。这里，标定杆和手持式靶标都为R-LATs测量网络的标准配套工具，采用热膨胀系数小的材料如铟钢、碳纤维等制备。其中，标定杆的两端为两个光电传感器，且两者之间的距离L_i精确已知，i＝1，2，…，m；手持式靶标机械结构上安装有n(n≥3)个光电传感器，每一个光电传感器在其自身测量坐标系中的初始坐标P_n已知。

本发明所述的方法流程如图2所示，

首先，R-LATs测量网络开启，预热达到稳定工作状态；

然后，旋转激光经纬仪对标定杆、手持式靶标的各个传感器形成触发得到时间序列，传送回测量网络的控制软件，按照当前R-LATs的外参数计算得到各个标定杆、手持式靶标传感器的空间坐标。这里要求工作在静态模式下，采集30秒以上并对数据进行均化后计算。

在此基础上，结合每一旋转激光经纬仪的测角误差σ_k，按照±3σ原则施加误差带，σ为标准差；对每一个传感器的初始坐标P_n＝[x_n,y_n,z_n]^T按照下式，计算每一个传感器距离触发第k台发射机激光平面的最大可能偏差Δ_k,n，定义为交汇残差：

这时，R-LATs测量网络的工作状态完成。自动进入R-LATs测量网络的正常作业状态，存储标定杆或手持式靶标传感器的触发时间。然后按照设置的循环周期，如1分钟，进入如下循环操作：

(1)按照各台旋转激光经纬仪对各个标定杆或手持式靶标传感器的触发时间，进而确定对应当前测量时间的激光平面方程，计算传感器初始坐标P_n距离当前测量激光平面的偏差Δ_n’。同时，按照R-LATs测量网络的坐标计算方法，求各个传感器的当前坐标P_n’，然后得到标定杆的测量长度L_i’。

(2)检查所有标定杆的当前测量杆长，是否满足杆长误差大于1mm：否则表示杆长变换可接受，执行步骤(3)；是则表示旋转激光经纬仪的外参数发生很大失真，在R-LATs测量网络控制软件界面给出提示。

(3)检查所有传感器对应各台旋转激光经纬仪的偏差，是否满足偏差Δ_n’大于120％交汇残差Δ_n，即Δ_n’>1.2Δ_n：不满足，表明当前R-LATs各台旋转激光经纬仪的外参数无较大失真，跳出当前循环，保持正常作业；满足，表明激光旋转经纬仪实际位置发生变换，当前的外参数失真，利用标定杆测量数据进行全部外参数的标定以修正外参数。

值得注意，由于在标定杆布置是要求每一旋转激光经纬仪至少对两根标定杆可视，这确保了每一个局部的若干台旋转激光经纬仪组建的局部R-LATs测量网络，按照基于标定杆自由组网标定操作可构建出冗余方程组。因此，当前按照标定杆的激光触发时间平均值，和各个标定杆长Li进行常规的自由组网标定，即得到系统修正的外参数。这里的计算时间一般在10秒以内，满足系统的实时性要求。

(4)对当前系统外参数修正计数值加1，并将当前的标定信息在日志注册；

(5)判断系统外参数修正计数值是否大于设定的报警阈值：否则完成当前循环，保持正常作业状态；是则在R-LATs测量网络控制软件界面给出提示信息。

如此循环即为自修正方法的运行流程。所述方法可以嵌入R-LATs测量网络控制软件的后台执行，可保留人机交互界面，确保工作人员主动要求检查系统精度并进行再标定。本发明从R-LATs在车间的外基准布置和测量网络实时工作状态维护角度，构建出自感知与自修复机制融入系统运行架构中，提升R-LATs的工作稳定性与精度保持能力。

Claims (8)

1.一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，其特征在于，R-LATs测量网络达到稳定工作状态后，进入R-LATs测量网络的正常测量作业状态；在车间动态作业环境下，存储标定杆或手持式靶标传感器的触发时间，按照设置的循环周期进入如下循环操作：

步骤1，根据旋转激光经纬仪对标定杆或手持式靶标的各个传感器形成触发得到的触发时间，进而确定其在R-LATs测量网络中的激光平面方程，计算传感器初始坐标P_n距离当前测量激光平面的偏差Δ_n’；同时，按照R-LATs测量网络的坐标计算方法，求各个传感器的当前坐标P_n’，然后得到标定杆的当前测量杆长L_i’；

步骤2，检查所有标定杆的当前测量杆长，与原始标定杆长的误差是否大于设定的阈值εmm：否则表示杆长变化可接受，执行步骤3；是则表示旋转激光经纬仪的外参数发生超范围失真，发出提示信号；

步骤3，检查所有传感器对应各台旋转激光经纬仪的偏差Δ_n’，是否满足偏差大于交汇残差Δ_n的120％，即Δ_n’>1.2Δ_n；

不满足，表明当前R-LATs各台旋转激光经纬仪的外参数无超范围失真，跳出当前循环，保持正常测量作业；

满足，表明激光旋转经纬仪实际位置发生变换，当前的外参数失真，利用标定杆测量数据进行全部外参数的标定以修正外参数；

步骤4，对当前R-LATs测量网络外参数修正计数值加1；

步骤5，判断R-LATs测量网络外参数修正计数值是否大于设定的报警阈值：否则完成当前循环，保持正常测量作业状态；是则发出提示信号；

使R-LATs测量网络达到稳定工作状态前，对R-LATs测量网络进行初始化；

启动R-LATs测量网络，旋转激光经纬仪对标定杆或手持式靶标的各个传感器形成触发得到触发时间并形成时间序列，按照当前R-LATs的外参数计算得到各个标定杆或手持式靶标传感器的空间坐标；

根据时间序列和空间坐标，结合每一旋转激光经纬仪的测角误差σ_k，计算得到每一个传感器位置的交汇残差；

计算得到每一个传感器位置的交汇残差时，根据时间序列和空间坐标，结合每一旋转激光经纬仪的测角误差σ_k，按照±3σ原则施加误差带，σ为标准差，对每一个传感器的初始坐标P_n＝[x_n,y_n,z_n]^T由下式计算每一个传感器距离触发第k台发射机激光平面的最大可能偏差Δ_k,n，定义为交汇残差：

其中，a_k1、b_k1、c_k1和a_k2、b_k2、c_k2分别是每一台旋转激光经纬仪发出的两个激光面的内参数，是R-LAT系统自身固有参数。

2.根据权利要求1所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，其特征在于，所述的标定杆或手持式靶标固定安装在车间内R-LATs测量网络的有效覆盖区域中；R-LATs测量网络中的每一台旋转激光经纬仪发出的激光面都能够覆盖到至少两根标定杆或至少一根手持式标靶。

3.根据权利要求1所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，其特征在于，所述的标定杆的两端为两个光电传感器，且两者之间的距离L_i已知，i＝1，2，…，m；手持式靶标的机械结构上安装有n个光电传感器，n≥3，每一个光电传感器在手持式靶标自身测量坐标系中的初始坐标P_n已知。

4.根据权利要求1所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，其特征在于，计算各个标定杆或手持式靶标传感器的空间坐标时，R-LATs测量网络工作在静态模式下，采集30秒以上并对数据进行均化后计算。

5.根据权利要求1所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正方法，其特征在于，步骤3中，利用标定杆测量数据进行全部外参数的标定时，通过基于标定杆自由组网标定操作构建出冗余方程组，按照标定杆的激光触发时间平均值和各个标定杆长L_i进行常规的自由组网标定，即得到系统修正的外参数。

6.一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统，其特征在于，包括车间内R-LATs测量网络的有效覆盖区域中固定安装的标定杆或手持式靶标，以及存储器和处理器；

所述的存储器用于存储执行权利要求1-5任意一项所述自修正方法的自修正程序；

所述的处理器用于执行存储器中存储的自修正程序。

7.根据权利要求6所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统，其特征在于，自修正程序嵌入R-LATs测量网络的后台执行，提示信号由人机交互界面显示。

8.根据权利要求6所述的一种车间动态作业环境下R-LATs测量网络的自修正系统，其特征在于，所述的R-LATs测量网络包括，车间内配置的k台旋转激光经纬仪；每一台旋转激光经纬仪发射机的测角精度σ_k为已知的R-LATs测量网络自身属性；R-LATs测量网络在车间静态作业环境下完成标定，每一发射机的外参数(R_k,T_k)确定；每一发射机的内参数确定，即激光面的方程确定如下a_k1x+b_k1y+c_k1z＝0和a_k2x+b_k2y+c_k2z＝0；

其中，a_k1、b_k1、c_k1和a_k2、b_k2、c_k2分别是两个激光面的内参数，是R-LAT系统自身固有参数。

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