CN111157948B - 基于大尺度三维空间的六自由度定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统及定位方法，其中，该系统包括：三维空间全局定位基准和被测模块；三维空间全局定位基准用于通过多个激光面的交点确定目标定位点；被测模块安装在被测设备上，在三维空间全局定位基准确定的三维空间内移动，用于测量被测模块与目标定位点之间的六自由度的位姿差异，以根据位姿差异对被测设备进行位置和姿态补偿，在三维空间内对被测设备进行定位。该系统可对移动式机器人和机械臂等在大尺度三维空间内非接触测量的情况下实现六自由度精确定位，系统结构简单、用途广泛。
Description
技术领域
本发明涉及空间定位技术领域，特别涉及一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统及定位方法。
背景技术
随着人口老龄化加剧、劳动力成本上升等社会问题的出现，制造业对能够在大尺度三维空间内(如工厂、仓库内)实现自由移动和定位操作的设备，如机器人、机械臂、AGV等的需求陡然提升。不难看出，实现上述功能的一项关键的技术难点是如何在大尺度三维空间内对被定位设备进行全局的精确定位。否则，在无法保证精度的基础上难以实现上述设备在空间内的准确操作。然而，考虑到(1)三维空间基准的尺寸较大，保证全局定位精度的难度较高；(2)定位系统不能够干扰被定位设备的正常运行，需要进行非接触式定位。故传统的市面上的定位测量方案难以直接应用于大尺度三维空间内的定位。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统，该系统可以解决移动式机器人、机械臂等在大尺度三维空间内的六自由度精确定位问题，具有结构简单、非接触测量、用途广泛等优点。
本发明的另一个目的在于提出一种基于大尺度三维空间的六自由度定位方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统，包括：
三维空间全局定位基准(1)和被测模块(2)；
所述三维空间全局定位基准(1)用于通过多个激光面的交点确定目标定位点；
所述被测模块安装在被测设备上，在所述三维空间全局定位基准确定的三维空间内移动，用于测量所述被测模块与所述目标定位点之间的六自由度的位姿差异，以根据所述位姿差异对所述被测设备进行位置和姿态补偿，在三维空间内对所述被测设备进行定位。
本发明实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统，通过合理设计三维空间全局定位基准对目标定位点进行指示，设计安装在被测设备(机器人、机械臂等)上的被测模块，通过被测模块上的感应元件(一维光敏感位置传感器等)反映被测模块相对于目标定位点的位姿，进而引导被测设备的最终精确定位。该系统结构简单，测量为非接触测量，在三维空间内(尤其指工厂、仓库等三维空间内)实现六自由度定位，具有广阔的应用前景。
另外，根据本发明上述实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三维空间全局定位基准(1)包括：第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)、第四水平直线运动模组(6)、第一竖直直线运动模组(7)、第二竖直直线运动模组(8)；
所述第一水平直线运动模组(3)与所述第三水平直线运动模组(5)互相平行，设置在所述三维空间全局定位基准(1)的两侧；
所述第二水平直线运动模组(4)与所述第四水平直线运动模组(6)互相平行，设置在所述三维空间全局定位基准(1)的另外两侧；
所述第一水平直线运动模组(3)和所述第三水平直线运动模组(5)与所述第二水平直线运动模组(4)和所述第四水平直线运动模组(6)互相垂直；
所述第一竖直直线运动模组(7)与所述第二竖直直线运动模组(8)互相平行，所述第一竖直直线运动模组(7)和所述第二竖直直线运动模组(8)与第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)和第四水平直线运动模组(6)互相垂直。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在第一水平直线运动模组(3)上安装有第一激光微调装置(9)，所述第一激光微调装置(9)安装有第一面激光器(15)，所述第一面激光器(15)发出第一面激光(22)，所述第一面激光(22)与所述第一水平直线运动模组(3)的轴向垂直，所述第一面激光器(15)及发出的所述第一面激光(22)通过所述第一激光微调装置(9)沿所述第一水平直线运动模组(3)的轴向运动；
在第二水平直线运动模组(4)上安装有第二激光微调装置(10)，所述第二激光微调装置(10)安装有第二面激光器(16)，所述第二面激光器(16)发出第二面激光(21)，所述第二面激光(21)与所述第二水平直线运动模组(4)的轴向垂直，所述第二面激光器(16)及发出的所述第二面激光(21)通过所述第二激光微调装置(10)沿所述第二水平直线运动模组(4)的轴向运动；
在第三水平直线运动模组(5)上安装有第三激光微调装置(11)，所述第三激光微调装置(11)安装有第三面激光器(17)，所述第三面激光器(17)发出的面激光与所述第一面激光(22)重合，所述第三面激光器(17)及发出的面激光通过所述第三激光微调装置(11)沿所述第三水平直线运动模组(5)的轴向运动；
在第四水平直线运动模组(6)上安装有第四激光微调装置(12)，所述第四激光微调装置(12)上安装有第四面激光器(18)，所述第四面激光器(18)发出的面激光与所述第二面激光(21)重合，所述第四面激光器(18)及发出的面激光通过所述第四激光微调装置(12)沿所述第四水平直线运动模组(6)的轴向运动；
所述第一竖直直线运动模组(7)上安装有第五激光微调装置(13)，所述第五激光微调装置(13)上安装有第五面激光器(19)，所述第五面激光器(19)发出的第三面激光(23)，第三面激光(23)与所述第一竖直直线运动模组(7)的轴向垂直，所述第五面激光器(19)及发出的所述第三面激光(23)通过所述第五激光微调装置(13)沿所述第一竖直直线运动模组(7)的轴向运动；
所述第二竖直直线运动模组(8)上安装有第六激光微调装置(14)，所述第六激光微调装置(14)上安装有第六面激光器(20)，所述第六面激光器(20)发出的面激光应与所述第三面激光(23)重合，所述第六面激光器(20)及发出的面激光通过所述第六激光微调装置(14)沿所述第二竖直直线运动模组(8)的轴向运动。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一面激光(22)、所述第二面激光(21)和所述第三面激光(23)在所述三维空间全局定位基准确定的三维空间内汇交于面激光交点(24)，所述面激光交点(24)为所述目标定位点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过多个激光微调装置调节多个面激光器发出面激光的位置，所述多个激光微调装置的结构包括但不限于平动微调平台(25)、第一转动微调平台(26)和第二转动微调平台(27)。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一转动微调平台(26)与所述平动微调平台(25)连接，所述第一转动微调平台(26)的转动轴线与所述平动微调平台(25)的轴线垂直，所述第二转动微调平台(27)与所述第一转动微调平台(26)相连接，所述第二转动微调平台(27)的转动轴线与所述平动微调平台(25)的轴线和所述第一转动微调平台(26)的轴线相互垂直。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述被测模块(2)包括模块底板(28)、模块连接法兰(29)和多个一维光敏位置传感器；
所述模块底板(28)通过所述模块连接法兰(29)与所述被测设备相连，以对所述模块底板(28)与所述被测设备的相对位姿进行固定；
所述多个一维光敏位置传感器设置在所述模块底板(28)上，用于反映面激光在一维光敏位置传感器上照射点相对于一维光敏感位置传感器中点的位置，以得到所述被测模块与所述目标定位点之间的六自由度的位姿差异。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个一维光敏位置传感器设置在所述模块底板(28)上，具体包括：
第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)安装在模块底板(28)上，所述第一一维光敏感位置传感器(30)和所述第二一维光敏感位置传感器(32)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的两侧；
第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)安装在模块底板(28)上，所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的另外两侧，所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)与所述第一一维光敏感位置传感器(30)和所述第二一维光敏感位置传感器(32)均相互垂直；
第五一维光敏感位置传感器(34)、第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)、第八一维光敏感位置传感器(39)、第九一维光敏感位置传感器(36)、第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)、第十二一维光敏感位置传感器(41)分别安装在模块底板28上，其中，所述第五一维光敏感位置传感器(34)和所述第六一维光敏感位置传感器(35)、所述第七一维光敏感位置传感器(38)和所述第八一维光敏感位置传感器(39)、所述第九一维光敏感位置传感器(36)和所述第十一维光敏感位置传感器(37)、所述第十一一维光敏感位置传感器(40)和所述第十二一维光敏感位置传感器(41)分别位于所述模块底板(28)中心的四边；
所述第一一维光敏感位置传感器(30)、所述第二一维光敏感位置传感器(32)、所述第五一维光敏感位置传感器(34)、所述第六一维光敏感位置传感器(35)、所述第七一维光敏感位置传感器(38)和所述第八一维光敏感位置传感器(39)均与所述第九一维光敏感位置传感器(36)、所述第十一维光敏感位置传感器(37)、所述第十一一维光敏感位置传感器(40)、所述第十二一维光敏感位置传感器(41)、所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)垂直。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对直线运动模组的个数和位置进行调节，至少包括两对相互垂直的水平直线运动模组以及至少一对相互垂直的竖直直线运动模组；
对激光微调装置的个数和位置进行调节，在三维空间中至少包括三个可移动的、相对姿态关系确定且不相互平行的面激光；
对一维光敏感位置传感器的个数和位置进行调节，在被测模块(2)上安装有至少三组一维光敏感位置传感器，其中前两组中的每一组中包含至少两个相互平行且分别位于模块底板(28)两侧的一维光敏感位置传感器，最后一组包含至少四个相互平行且分别位于模块底板(28)四边的一维光敏感位置传感器，各组之间的一维光敏感位置传感器相互垂直，且各一维光敏感位置传感器相对于模块底板(28)的中心点相对位置为已知。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于大尺度三维空间的六自由度定位方法，包括：
通过多个面激光器发出多个面激光，根据所述多个面激光的交点确定目标定位点，将安装有被测模块的被测设备放置在所述目标定位点位置；
通过所述多个面激光照射多个一维光敏感位置传感器，根据所述多个一维光敏感位置传感器的读数得到被测模块的模块底板中心相对于所述多个面激光的相对位置和所述模块底板相对于所述多个面激光的姿态的多个方程；
对所述多个方程进行联立求解，计算出所述模块底板中心相对于所述目标定位点的三个自由度的位置误差以及所述模块底板相对于多个面激光的三个自由度的姿态误差；
根据计算出的所述位置误差和所述姿态误差对所述被测模块的位置和姿态进行补偿，将所述被测模块定位到所述目标定位点，以对所述被测设备进行定位。
本发明实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位方法，通过合理设计三维空间全局定位基准对目标定位点进行指示，设计安装在被测设备(机器人、机械臂等)上的被测模块，通过被测模块上的感应元件(一维光敏感位置传感器等)反映被测模块相对于目标定位点的位姿，进而引导被测设备的最终精确定位。该方法为非接触测量，在三维空间内(尤其指工厂、仓库等三维空间内)实现六自由度定位，具有广阔的应用前景。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的三维空间全局定位基准结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的面激光微调装置结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的被测模块结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统级定位方法。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统。
图1为根据本发明一个实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统结构示意图。
如图1所示，该基于大尺度三维空间的六自由度定位系统包括：三维空间全局定位基准(1)和被测模块(2)。
其中，三维空间全局定位基准(1)用于通过多个激光面的交点确定目标定位点。
被测模块安装在被测设备(图中未标明被定位设备)上，在三维空间全局定位基准确定的三维空间内移动，用于测量被测模块与目标定位点之间的六自由度的位姿差异，以根据位姿差异对被测设备进行位置和姿态补偿，在三维空间内对被测设备进行定位。
如图2所示，三维空间全局定位基准(1)包括：第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)、第四水平直线运动模组(6)、第一竖直直线运动模组(7)、第二竖直直线运动模组(8)。
其中，第一水平直线运动模组(3)与第三水平直线运动模组(5)互相平行，设置在三维空间全局定位基准(1)的两侧。
第二水平直线运动模组(4)与第四水平直线运动模组(6)互相平行，设置在三维空间全局定位基准(1)的另外两侧。
第一水平直线运动模组(3)和第三水平直线运动模组(5)与第二水平直线运动模组(4)和第四水平直线运动模组(6)互相垂直。
第一竖直直线运动模组(7)与第二竖直直线运动模组(8)互相平行；第一竖直直线运动模组(7)和第二竖直直线运动模组(8)与第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)和第四水平直线运动模组(6)互相垂直。
通过上述直线进给轴的布置保证了在空间内包络了一个各轴相互垂直的三维空间。
一般地，为保证冗余性，水平直线运动模组的数量可改变，但至少保证有两对相互垂直的水平直线运动模组。同理，为保证冗余性，竖直直线运动模组的数量可改变，但至少保证有一对相互垂直的竖直直线运动模组。
如图2所示，在第一水平直线运动模组(3)上安装有第一激光微调装置(9)，第一激光微调装置(9)安装有第一面激光器(15)，第一面激光器(15)发出第一面激光(22)，第一面激光(22)与第一水平直线运动模组(3)的轴向垂直，第一面激光器(15)及发出的第一面激光(22)通过第一激光微调装置(9)沿第一水平直线运动模组(3)的轴向运动。
在第二水平直线运动模组(4)上安装有第二激光微调装置(10)，第二激光微调装置(10)安装有第二面激光器(16)，第二面激光器(16)发出第二面激光(21)，第二面激光(21)与第二水平直线运动模组(4)的轴向垂直，第二面激光器(16)及发出的第二面激光(21)通过第二激光微调装置(10)沿第二水平直线运动模组(4)的轴向运动。
在第三水平直线运动模组(5)上安装有第三激光微调装置(11)，第三激光微调装置(11)安装有第三面激光器(17)，第三面激光器(17)发出的面激光与第一面激光(22)重合，第三面激光器(17)及发出的面激光通过第三激光微调装置(11)沿第三水平直线运动模组(5)的轴向运动。
在第四水平直线运动模组(6)上安装有第四激光微调装置(12)，第四激光微调装置(12)上安装有第四面激光器(18)，第四面激光器(18)发出的面激光与第二面激光(21)重合，第四面激光器(18)及发出的面激光通过第四激光微调装置(12)沿第四水平直线运动模组(6)的轴向运动。
第一竖直直线运动模组(7)上安装有第五激光微调装置(13)，第五激光微调装置(13)上安装有第五面激光器(19)，第五面激光器(19)发出的第三面激光(23)，第三面激光(23)与第一竖直直线运动模组(7)的轴向垂直，第五面激光器(19)及发出的第三面激光(23)通过第五激光微调装置(13)沿第一竖直直线运动模组(7)的轴向运动。
第二竖直直线运动模组(8)上安装有第六激光微调装置(14)，第六激光微调装置(14)上安装有第六面激光器(20)，第六面激光器(20)发出的面激光应与第三面激光(23)重合，第六面激光器(20)及发出的面激光通过第六激光微调装置(14)沿第二竖直直线运动模组(8)的轴向运动。
上述结构保证了空间中存在三个相互垂直的可移动面激光：第一面激光(22)、第二面激光(21)和第三面激光(23)。而三个面激光始终汇交于一点，面激光交点(24)，面激光交点(24)即为空间中的目标定位点，由于面激光可以在水平或竖直直线运动模组(3～8)运动，因此，面激光交点(24)也可以在三维空间全局定位基准(1)所确定的三维空间内任意移动。
通过在三维空间全局定位基准确定的三维空间内汇交于面激光交点(24)，面激光交点(24)为目标定位点。
一般地，为保证冗余性，激光器和面激光的数量可改变，并且面激光之间的夹角无需严格保证垂直。但至少应保证在空间中存在三个可移动的，相对姿态关系确定且不相互平行的面激光。
在本申请的六自由度定位系统中，激光微调装置用于调节多个面激光器发出面激光的位置，其中，激光微调装置的结构可以根据实际定位情况进行设置，作为一种实施方式，激光微调装置的结构可以为图3所示的结构。
如图3所示，第一激光微调装置(9)、第二激光微调装置(10)、第三激光微调装置(11)、第四激光微调装置(12)、第五激光微调装置(13)和第六激光微调装置(14)结构相同，包括平动微调平台(25)、第一转动微调平台(26)和第二转动微调平台(27)。
其中，第一转动微调平台(26)与平动微调平台(25)连接，第一转动微调平台(26)的转动轴线与平动微调平台(25)的轴线垂直，第二转动微调平台(27)与第一转动微调平台(26)相连接，第二转动微调平台(27)的转动轴线与平动微调平台(25)的轴线和第一转动微调平台(26)的轴线相互垂直。上述结构保证了面激光器能够实现两个转动自由度和一个平动自由度的微调。
如图4所示，被测模块(2)包括模块底板(28)、模块连接法兰(29)和多个一维光敏位置传感器。其中，一维光敏感位置传感器呈一维长条状，可以反映面激光在其上照射点相对于其中点的位置。
模块底板(28)通过模块连接法兰(29)与被测设备(机器人、机械臂、无人机、AGV等)相连，保证模块底板(28)与被定位设备的相对位姿固定。
其中，多个一维光敏位置传感器设置在模块底板(28)上，用于反映面激光在一维光敏位置传感器上照射点相对于一维光敏感位置传感器中点的位置，以得到被测模块与目标定位点之间的六自由度的位姿差异。
如图4所示，多个一维光敏位置传感器设置在模块底板(28)上，具体位置为：
第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)安装在模块底板(28)上，第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的两侧。其中，第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)相对于模块底板(28)中心点的相对位置已知。第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)用于反映第一面激光(22)在其上照射点的位置，进而反映第一面激光(22)相对于模块底板的位姿。
第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)安装在模块底板(28)上，第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的另外两侧，第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)与第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)均相互垂直。其中，第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)相对于模块底板(28)中心点的相对位置已知。第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)用于反映第二面激光(21)在其上照射点的位置，进而反映第二面激光(21)相对于模块底板的位姿。
第五一维光敏感位置传感器(34)、第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)、第八一维光敏感位置传感器(39)、第九一维光敏感位置传感器(36)、第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)、第十二一维光敏感位置传感器(41)分别安装在模块底板28上，其中，第五一维光敏感位置传感器(34)和第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)和第八一维光敏感位置传感器(39)、第九一维光敏感位置传感器(36)和第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)和第十二一维光敏感位置传感器(41)分别位于模块底板(28)中心的四边。其中，上述光敏感位置传感器相对于模块底板(28)中心点的相对位置已知。上述八个一维光敏感位置传感器用于反映第三面激光(23)在其上照射点的位置，进而反映第三面激光(23)相对于模块底板的位姿。
第一一维光敏感位置传感器(30)、第二一维光敏感位置传感器(32)、第五一维光敏感位置传感器(34)、第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)和第八一维光敏感位置传感器(39)均与第九一维光敏感位置传感器(36)、第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)、第十二一维光敏感位置传感器(41)、第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)垂直。
一般地，为了保持冗余性，一维光敏感位置传感器的数量可以改变，且一维光敏感位置传感器之间的位置关系亦可改变。但应保证在被测模块(2)上安装有至少三组一维光敏感位置传感器，其中前两组中的每一组中包含至少两个相互平行且分别位于模块底板(28)两侧的一维光敏感位置传感器。最后一组包含至少四个相互平行且分别位于模块底板(28)四边的一维光敏感位置传感器。各组之间的一维光敏感位置传感器相互垂直。并且各光敏位置传感器相对于模块底板(28)的中心点相对位置已知。
本申请实施例的定位系统搭建成本较低，累积误差小，并且暂时的激光遮挡对精度没有影响，适用范围广，只要将被测模块安装在对应的被测设备上，不但可以用于机器人、机械臂末端在大尺度三维空间内的精确定位，还可以用于非机器人化设备(无人机、AGV等)的定位，并且一经搭建完毕，可长时间应用于各种需要完成定位操作的任务中。
结合附图对本申请的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统工作原理进行说明。
首先，控制被定位设备(机器人、机械臂、无人机、AGV等)，即通过被定位设备带动被测模块(2)粗略的移动至面激光交点(24)的附近。
由于第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的两侧。则上述第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)将与第一面激光(22)相交。由于上述一维光敏感位置传感器相对于模块底板(28)中心的相对位置已知，且由于此时上述一维光敏感位置传感器的读数反映了第一面激光(22)在其上的照射点位置，因此，可以通过上述一维光敏感位置传感器的读数得到模块底板(28)中心相对于第一面激光(22)的相对位置和模块底板(28)相对于第一面激光(22)姿态的共两个方程。
由于第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)相互平行并分别位于模块底板(28)中心的两侧。并且，第三一维光敏感位置传感器(31)和第一一维光敏感位置传感器(30)相互垂直。则上述第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)将与第二面激光(21)相交。由于上述一维光敏感位置传感器相对于模块底板(28)中心的相对位置已知，且由于此时上述一维光敏感位置传感器的读数反映了第二面激光(21)在其上的照射点的位置，因此可以通过上述一维光敏感位置传感器的读数得到模块底板(28)中心相对于第二面激光(21)的相对位置和模块底板(28)相对于第二面激光(21)姿态的共两个方程。
由于第五一维光敏感位置传感器(34)和第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)和第八一维光敏感位置传感器(39)、第九一维光敏感位置传感器(36)和第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)和第十二一维光敏感位置传感器(41)分别位于模块底板(28)中心的四边，则上述一维光敏感位置传感器将与第三面激光(23)相交。由于上述一维光敏感位置传感器相对于模块底板(28)中心的相对位置已知，且由于此时上述一维光敏感位置传感器的读数反映了第三面激光(23)在其上的照射点的位置，因此可以通过上述一维光敏感位置传感器的读数得到模块底板(28)中心相对于第三面激光(23)的相对位置和模块底板(28)相对于第三面激光(23)姿态的共八个方程。
因此，在联立上述反映模块底板(28)相对于第一面激光(22)、第二面激光(21)和第三面激光(23)的相对位姿的十二个方程的基础上，通过最小二乘法解方程组可以求解出模块底板(28)中心相对于激光交点(24)的三个自由度的位置误差以及模块底板(28)相对于第一面激光(22)、第二面激光(21)和第三面激光(23)三个自由度的姿态误差，共六个自由度的位姿误差。
通过上述六个自由度的位姿误差对被测模块(2)的位置和姿态进行补偿，即可将被测模块(2)精确定位至目标点(激光交点(24))处，即对被定位设备进行定位。
根据本发明实施例提出的基于大尺度三维空间的六自由度定位系统，通过合理设计三维空间全局定位基准对目标定位点进行指示，设计安装在被测设备(机器人、机械臂等)上的被测模块，通过被测模块上的感应元件(一维光敏感位置传感器等)反映被测模块相对于目标定位点的位姿，进而引导被测设备的最终精确定位。该系统结构简单，测量为非接触测量，在三维空间内(尤其指工厂、仓库等三维空间内)实现六自由度定位，具有广阔的应用前景。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于大尺度三维空间的六自由度定位方法。
图5为根据本发明一个实施例的基于大尺度三维空间的六自由度定位方法流程图。
如图5所示，该基于大尺度三维空间的六自由度定位方法包括以下步骤：
步骤S1，通过多个面激光器发出多个面激光，根据多个面激光的交点确定目标定位点，将安装有被测模块的被测设备放置在目标定位点位置。
在大尺度三维空间的六自由度定位系统中，面激光器(15～20)共同产生了相互垂直的三个面激光：第一面激光(22)、第二面激光(21)、第三面激光(23)。上述三个面激光有且仅有一个交点，该交点为目标定位点。控制被定位设备，即通过被定位设备带动被测模块(2)粗略的移动至目标定位点的附近。
步骤S2，通过多个面激光照射多个一维光敏感位置传感器，根据多个一维光敏感位置传感器的读数得到被测模块的模块底板中心相对于多个面激光的相对位置和模块底板相对于多个面激光的姿态的多个方程。
作为一种实施方式，可以得到模块底板(28)中心相对于面激光的相对位置和模块底板(28)相对于面激光姿态的共十二个方程。
步骤S3，对多个方程进行联立求解，计算出模块底板中心相对于目标定位点的三个自由度的位置误差以及模块底板相对于多个面激光的三个自由度的姿态误差。
在联立十二个方程的基础上，通过最小二乘法解方程组可以求解出模块底板(28)中心相对于目标定位点的三个自由度的位置误差以及模块底板(28)相对于第一面激光(22)、第二面激光(21)和第三面激光(23)三个自由度的姿态误差，共六个自由度的位姿误差。
步骤S4，根据计算出的位置误差和姿态误差对被测模块的位置和姿态进行补偿，将被测模块定位到目标定位点，以对被测设备进行定位。
通过上述六个自由度的位姿误差对被测模块(2)的位置和姿态进行补偿，即可将被测模块(2)精确定位至目标定位点处，即对被定位设备进行定位。
需要说明的是，前述对基于大尺度三维空间的六自由度定位系统实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于大尺度三维空间的六自由度定位方法，通过合理设计三维空间全局定位基准对目标定位点进行指示，设计安装在被测设备(机器人、机械臂等)上的被测模块，通过被测模块上的感应元件(一维光敏感位置传感器等)反映被测模块相对于目标定位点的位姿，进而引导被测设备的最终精确定位。该方法为非接触测量，在三维空间内(尤其指工厂、仓库等三维空间内)实现六自由度定位，具有广阔的应用前景。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于大尺度三维空间的六自由度定位系统，其特征在于，包括：三维空间全局定位基准(1)和被测模块(2)；
所述三维空间全局定位基准(1)用于通过至少包括三个激光面的交点确定目标定位点；
所述被测模块安装在被测设备上，在所述三维空间全局定位基准确定的三维空间内移动，用于测量所述被测模块与所述目标定位点之间的六自由度的位姿差异，以根据所述位姿差异对所述被测设备进行位置和姿态补偿，在三维空间内对所述被测设备进行定位。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维空间全局定位基准(1)包括：第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)、第四水平直线运动模组(6)、第一竖直直线运动模组(7)、第二竖直直线运动模组(8)；
所述第一水平直线运动模组(3)与所述第三水平直线运动模组(5)互相平行，设置在所述三维空间全局定位基准(1)的两侧；
所述第二水平直线运动模组(4)与所述第四水平直线运动模组(6)互相平行，设置在所述三维空间全局定位基准(1)的另外两侧；
所述第一水平直线运动模组(3)和所述第三水平直线运动模组(5)与所述第二水平直线运动模组(4)和所述第四水平直线运动模组(6)互相垂直；
所述第一竖直直线运动模组(7)与所述第二竖直直线运动模组(8)互相平行，所述第一竖直直线运动模组(7)和所述第二竖直直线运动模组(8)与第一水平直线运动模组(3)、第二水平直线运动模组(4)、第三水平直线运动模组(5)和第四水平直线运动模组(6)互相垂直。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
在第一水平直线运动模组(3)上安装有第一激光微调装置(9)，所述第一激光微调装置(9)安装有第一面激光器(15)，所述第一面激光器(15)发出第一面激光(22)，所述第一面激光(22)与所述第一水平直线运动模组(3)的轴向垂直，所述第一面激光器(15)及发出的所述第一面激光(22)通过所述第一激光微调装置(9)沿所述第一水平直线运动模组(3)的轴向运动；
在第二水平直线运动模组(4)上安装有第二激光微调装置(10)，所述第二激光微调装置(10)安装有第二面激光器(16)，所述第二面激光器(16)发出第二面激光(21)，所述第二面激光(21)与所述第二水平直线运动模组(4)的轴向垂直，所述第二面激光器(16)及发出的所述第二面激光(21)通过所述第二激光微调装置(10)沿所述第二水平直线运动模组(4)的轴向运动；
在第三水平直线运动模组(5)上安装有第三激光微调装置(11)，所述第三激光微调装置(11)安装有第三面激光器(17)，所述第三面激光器(17)发出的面激光与所述第一面激光(22)重合，所述第三面激光器(17)及发出的面激光通过所述第三激光微调装置(11)沿所述第三水平直线运动模组(5)的轴向运动；
在第四水平直线运动模组(6)上安装有第四激光微调装置(12)，所述第四激光微调装置(12)上安装有第四面激光器(18)，所述第四面激光器(18)发出的面激光与所述第二面激光(21)重合，所述第四面激光器(18)及发出的面激光通过所述第四激光微调装置(12)沿所述第四水平直线运动模组(6)的轴向运动；
所述第一竖直直线运动模组(7)上安装有第五激光微调装置(13)，所述第五激光微调装置(13)上安装有第五面激光器(19)，所述第五面激光器(19)发出的第三面激光(23)，第三面激光(23)与所述第一竖直直线运动模组(7)的轴向垂直，所述第五面激光器(19)及发出的所述第三面激光(23)通过所述第五激光微调装置(13)沿所述第一竖直直线运动模组(7)的轴向运动；
所述第二竖直直线运动模组(8)上安装有第六激光微调装置(14)，所述第六激光微调装置(14)上安装有第六面激光器(20)，所述第六面激光器(20)发出的面激光应与所述第三面激光(23)重合，所述第六面激光器(20)及发出的面激光通过所述第六激光微调装置(14)沿所述第二竖直直线运动模组(8)的轴向运动。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一面激光(22)、所述第二面激光(21)和所述第三面激光(23)在所述三维空间全局定位基准确定的三维空间内汇交于面激光交点(24)，所述面激光交点(24)为所述目标定位点。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，
通过多个激光微调装置调节多个面激光器发出面激光的位置，所述多个激光微调装置的结构包括但不限于平动微调平台(25)、第一转动微调平台(26)和第二转动微调平台(27)。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述第一转动微调平台(26)与所述平动微调平台(25)连接，所述第一转动微调平台(26)的转动轴线与所述平动微调平台(25)的轴线垂直，所述第二转动微调平台(27)与所述第一转动微调平台(26)相连接，所述第二转动微调平台(27)的转动轴线与所述平动微调平台(25)的轴线和所述第一转动微调平台(26)的轴线相互垂直。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被测模块(2)包括模块底板(28)、模块连接法兰(29)和多个一维光敏位置传感器；
所述模块底板(28)通过所述模块连接法兰(29)与所述被测设备相连，以对所述模块底板(28)与所述被测设备的相对位姿进行固定；
所述多个一维光敏位置传感器设置在所述模块底板(28)上，用于反映面激光在一维光敏位置传感器上照射点相对于一维光敏感位置传感器中点的位置，以得到所述被测模块与所述目标定位点之间的六自由度的位姿差异。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个一维光敏位置传感器设置在所述模块底板(28)上，具体包括：
第一一维光敏感位置传感器(30)和第二一维光敏感位置传感器(32)安装在模块底板(28)上，所述第一一维光敏感位置传感器(30)和所述第二一维光敏感位置传感器(32)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的两侧；
第三一维光敏感位置传感器(31)和第四一维光敏感位置传感器(33)安装在模块底板(28)上，所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)相互平行，并分别位于模块底板(28)中心的另外两侧，所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)与所述第一一维光敏感位置传感器(30)和所述第二一维光敏感位置传感器(32)均相互垂直；
第五一维光敏感位置传感器(34)、第六一维光敏感位置传感器(35)、第七一维光敏感位置传感器(38)、第八一维光敏感位置传感器(39)、第九一维光敏感位置传感器(36)、第十一维光敏感位置传感器(37)、第十一一维光敏感位置传感器(40)、第十二一维光敏感位置传感器(41)分别安装在模块底板28上，其中，所述第五一维光敏感位置传感器(34)和所述第六一维光敏感位置传感器(35)、所述第七一维光敏感位置传感器(38)和所述第八一维光敏感位置传感器(39)、所述第九一维光敏感位置传感器(36)和所述第十一维光敏感位置传感器(37)、所述第十一一维光敏感位置传感器(40)和所述第十二一维光敏感位置传感器(41)分别位于所述模块底板(28)中心的四边；
所述第一一维光敏感位置传感器(30)、所述第二一维光敏感位置传感器(32)、所述第五一维光敏感位置传感器(34)、所述第六一维光敏感位置传感器(35)、所述第七一维光敏感位置传感器(38)和所述第八一维光敏感位置传感器(39)均与所述第九一维光敏感位置传感器(36)、所述第十一维光敏感位置传感器(37)、所述第十一一维光敏感位置传感器(40)、所述第十二一维光敏感位置传感器(41)、所述第三一维光敏感位置传感器(31)和所述第四一维光敏感位置传感器(33)垂直。
9.根据权利要求1所述的系统，采用权利要求1-8中的任一项，其特征在于，
对直线运动模组的个数和位置进行调节，至少包括两对相互垂直的水平直线运动模组以及至少一对相互垂直的竖直直线运动模组；
对激光微调装置的个数和位置进行调节，在三维空间中至少包括三个可移动的、相对姿态关系确定且不相互平行的面激光；
对一维光敏感位置传感器的个数和位置进行调节，在被测模块(2)上安装有至少三组一维光敏感位置传感器，其中前两组中的每一组中包含至少两个相互平行且分别位于模块底板(28)两侧的一维光敏感位置传感器，最后一组包含至少四个相互平行且分别位于模块底板(28)四边的一维光敏感位置传感器，各组之间的一维光敏感位置传感器相互垂直，且各一维光敏感位置传感器相对于模块底板(28)的中心点相对位置为已知。
10.一种基于大尺度三维空间的六自由度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过多个面激光器发出至少包括三个面激光，根据所述多个面激光的交点确定目标定位点，将安装有被测模块的被测设备放置在所述目标定位点位置，其中，所述将安装有被测模块的被测设备放置在所述目标定位点位置包括：通过被定位设备带动被测模块移动至目标定位点的附近；
通过所述多个面激光照射多个一维光敏感位置传感器，根据所述多个一维光敏感位置传感器的读数得到被测模块的模块底板中心相对于所述多个面激光的相对位置和所述模块底板相对于所述多个面激光的姿态的多个方程；
对所述多个方程进行联立求解，计算出所述模块底板中心相对于所述目标定位点的三个自由度的位置误差以及所述模块底板相对于多个面激光的三个自由度的姿态误差；
根据计算出的所述位置误差和所述姿态误差对所述被测模块的位置和姿态进行补偿，将所述被测模块定位到所述目标定位点，以对所述被测设备进行定位。
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