CN111811400B - 一种基于agv与激光跟踪仪的组合定位装置及方法 - Google Patents

一种基于agv与激光跟踪仪的组合定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于AGV和激光跟踪仪组合定位装置及方法，其采用搭建可自主导航与定位的AGV平台作为移动平台，可搭载多种三维测量设备，实现大规模测量过程中测量位置的全自动转移，提高整体测量效率。将激光跟踪仪的测量数据与AGV的定位数据进行融合处理，通过基准点匹配算法实现辅助基准点的识别与编号，采用平差法优化辅助基准点测量误差，自动构建高精度测量场，具有保证测量场整体精度，避免频繁的数据导出、数据整理等优势。通过AGV与双目摄影测量装置结合，自动对基准点进行测量，借助辅助基准点匹配方法，将测量基准点测量坐标投影至测量场全局坐标系中，避免因测量位置转移带来的测量误差积累问题，可实现部件的高精度定位。

Description

一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置及方法
技术领域
本发明属于高精度定位领域，具体涉及一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置及方法。
背景技术
近年来，我国航空制造业得到快速发展，超音速、超隐身、超大型等各式新型飞机成功研发并投入批量生产。然而，生产过程中暴露出许多亟待解决的问题，如大型飞机零部件和整机外形的高精度测量问题。
目前，大型飞机零部件和整机外形的测量，通常是在待测量物体上放置密集的标靶或靶球作为公共基准点，随后，采用手持激光扫描仪分站位式扫描获取局部测量点云，并采用局部点云数据拼接的方法生成整体测量点云。该方法通过匹配相邻站位之间的公共基准点，求解出相邻站位间点云数据坐标系的转换关系，从而实现测量靶球的定位。在大型飞机零部件和整机外形的测量过程中，需要频繁地进行人工转站，而且点云数据拼接过程中会发生误差累积的现象，存在自动化程度低、劳动强度大和测量效率低等问题。
现有技术中，中国专利CN103591891公开了一种室内空间测量定位系统的精密控制场精度溯源方法，该方法通过在测量场地中布置多台激光跟踪仪组网构建测量场，利用多台激光跟踪仪同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，解算被测点的三维坐标。该定位方法存在价格昂贵、灵活性差、自动化程度低等问题，无法实际应用。并且，此类通过多台激光跟踪仪组网的定位系统往往都存在控制复杂、成本高等问题。
发明内容
本发明提出一种自动化程度高、成本低、易于控制且定位效率及精度高的基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置及方法。
本发明所采取的技术方案为：
一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置，包括移动平台和激光跟踪仪，所述移动平台上端面固定搭载升降平台、系统控制模块和系统供电模块，所述激光跟踪仪固定设置在所述升降平台上；所述移动平台为带有激光雷达定位系统的AGV平台，所述系统供电模块为所述组合定位装置供电，所述移动平台、所述升降平台和所述激光跟踪仪分别与所述系统控制模块信号连接。
进一步地，上述基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置还包括三角架，所述三角架固定在所述升降平台上端面上，所述激光跟踪仪固定设置在所述三角架顶部。
进一步地，所述升降平台包括中间连接板、三个竖直设置的电动推杆和用于控制三个电动推杆伸缩的单片机，电动推杆底部通过螺钉固定在所述移动平台上，所述中间连接板水平设置并分别与所述三个电动推杆顶部通过螺钉固定连接；所述三角架底部通过螺栓固定在所述中间连接板上，所述单片机固定在任一电动推杆外侧面上；所述系统控制模块为搭载无线网卡的工控机，所述系统控制模块分别与所述单片机、所述激光跟踪仪和所述移动平台无线通信连接。
进一步地，任一电动推杆初始高度为600mm，上升最大高度为1100mm；所述三角架高度为500mm。
进一步地，所述系统供电模块采用工业移动电源。
一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位方法，包括如下步骤：
步骤S1、在测量场地中布置若干多用途标靶作为辅助基准点，多用途标靶的布置数量应保证覆盖整个测量场空间；
步骤S2、驱动移动平台，开启激光雷达扫描构建导航地图；
步骤S3、根据测量场的高度，调整升降平台，使得激光跟踪仪达到测量场一半的高度；
步骤S4、驱动移动平台至任一测量站位位置，记录激光跟踪仪的当前空间位置作为测量原点，通过激光跟踪仪对距离该测量原点设定距离范围内的所有辅助基准点进行测量，待该测量站位位置测量完毕后，驱动移动平台至下一测量站位位置，直至所有辅基准点都测量完毕；单个辅助基准点测量时，采用手持一枚跟踪靶球激活激光跟踪仪，将跟踪靶球放置在多用途靶标上，读取激光跟踪仪测量值的方式完成；在导航地图中，采用既有的辅助基准点匹配算法，实现各辅助基准点的识别和编号；
步骤S5、通过平差法，解算辅助基准点坐标并构建高精度测量场；
步骤S6、在待定位部件上布置摄影测量靶标作为测量基准点；
步骤S7、卸下激光跟踪仪和三角架，将双目摄影测量装置安装布置在升降平台上，驱动移动平台沿着人为设定的路径移动，对测量基准点进行测量，同时，通过双目摄影测量装置对辅助基准点进行再次测量；通过匹配辅助基准点，将各测量基准点对齐至高精度测量场中，计算出各测量基准点的全局坐标，实现测量基准点的定位。
进一步地，步骤S4具体包括：
步骤S401、读取第一个测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure BDA0002557900420000031
其中，i为该站位下辅助基准点的数量；读取激光跟踪仪当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的辅助基准点空间坐标与原点O1相加，添加至辅助基准点总集合M中，并依次进行编号，辅助基准点总集合M初始为空集；
步骤S402、读取下一测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure BDA0002557900420000032
和激光跟踪仪当前对应空间定位坐标Oj，其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下辅助基准点的数量；将集合Pj中的辅助基准点空间坐标与空间定位坐标Oj相加，得到集合Tj；
步骤S403、通过ICP匹配算法，找到辅助基准点总集合M和集合Tj的公共辅助基准点G；
步骤S404、计算辅助基准点差集Nj＝Tj-G，将集合Nj中的辅助基准点添加至辅助基准点总集合M中，并添加编号；
步骤S405、如果已经是最后一站测量站位，则结束，得到最终的辅助基准点总集合M；否则，执行步骤S402至步骤S404。
进一步地，步骤S7具体包括：
步骤S701、卸下激光跟踪仪和三角架，将双目摄影测量装置通过螺栓安装在中间连接板上；在导航地图上绘制移动平台运动路径，并设置定位采集间隔为L；
步骤S702、开启移动平台自主导航模式，移动平台沿运动路径每移动L距离暂停移动；
步骤S703、开启双目摄影测量装置，对视角内所有的辅助基准点和测量基准点进行测量，得到基准点测量集合
Figure BDA0002557900420000033
其中，k为双目摄影测量位置编号，s为基准点的编号；
步骤S704、采用RANSAC匹配算法，找到集合Wk和辅助基准点总集合M中的共同的辅助基准点集合B，计算集合差集Ck＝Wk-B，得到测量基准点集合Ck；
步骤S705、如果辅助基准点集合B中共同辅助基准点达到4个及以上，则根据公共点转换原则，将测量基准点集合Ck中的测量基准点映射到高精度测量场中，实现测量基准点的全局定位；
步骤S706、重复步骤S703至步骤S705，直至移动平台走完整个运动路径。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于AGV和激光跟踪仪组合定位装置及方法，基于测量场构建驱动，采用搭建可自主导航与定位的AGV平台作为测量移动平台，可搭载多种三维测量设备，实现大规模测量过程中测量位置的全自动转移，提高整体测量效率。本发明中，将激光跟踪仪的测量数据与AGV的定位信息进行融合处理，通过基准点匹配算法，实现辅助基准点的识别与编号，随后采用平差法，优化辅助基准点测量误差，自动构建高精度测量场，具有保证测量场整体精度，避免频繁的数据导出、数据整理等优势。通过AGV与双目摄影测量装置结合，自动对基准点进行测量，随后借助辅助基准点匹配方法，将测量基准点测量坐标投影至测量场全局坐标中，避免因测量位置转移带来的测量误差积累问题，实现部件的高精度定位。
附图说明
图1为本发明的基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置的结构示意图；
图2为基于AGV与激光跟踪仪的组合定位方法的流程框图。
附图标记：1-移动平台，2-升降平台，21-电动推杆，22-单片机，23-中间连接板，3-三脚架，4-激光跟踪仪，5-系统控制模块，6-系统供电模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置及方法作进一步地详细说明。
如图1所示，一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置，包括移动平台1和激光跟踪仪4，移动平台1上端面固定搭载升降平台2、系统控制模块5和系统供电模块6，激光跟踪仪4固定设置在升降平台2上。移动平台1为带有激光雷达定位系统的AGV平台(室内定位精度为100mm)，系统供电模块6为组合定位装置供电，移动平台1、升降平台2和激光跟踪仪4分别与系统控制模块5信号连接。系统控制模块5用于控制移动平台1移动、升降平台2升降，以及定位数据的处理。
作为进一步的方案，上述基于AGV与激光跟踪仪的组合定位装置还包括三角架3，三角架3固定在升降平台2上端面上，激光跟踪仪4固定设置在三角架3顶部。
具体地，升降平台2包括中间连接板23、三个竖直设置的电动推杆21和用于控制三个电动推杆21伸缩的单片机22(由系统控制模块5将信号发送给单片机22，再由单片机22进行伸缩控制)，电动推杆21底部通过螺钉固定在移动平台1上，中间连接板23水平设置并分别与三个电动推杆21顶部通过螺钉固定连接。三角架3底部通过螺栓固定在中间连接板23上，单片机22固定在任一电动推杆21外侧面上。系统控制模块5为搭载无线网卡的工控机，系统控制模块5分别与单片机22、激光跟踪仪4和移动平台1无线通信连接。
本实施例中，任一电动推杆21初始高度为600mm，上升最大高度为1100mm。三角架3高度为500mm。系统供电模块6采用工业移动电源。
如图2所示，一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位方法，包括如下步骤：
步骤S1、在测量场地中(包括地面和立柱上)布置若干多用途标靶作为辅助基准点，多用途标靶的布置数量应保证覆盖整个测量场空间，本实施例中，相邻多用途标靶之间间距控制在2米左右。
步骤S2、驱动移动平台1，开启激光雷达扫描构建导航地图。
步骤S3、根据测量场的高度，调整升降平台2，使得激光跟踪仪4达到测量场一半的高度。
步骤S4、驱动移动平台1至任一测量站位位置，记录激光跟踪仪4的当前空间位置作为测量原点，通过激光跟踪仪4对距离该测量原点设定距离(本实施例中，设定距离为5米)范围内的所有辅助基准点进行测量，待该测量站位位置测量完毕后，驱动移动平台1至下一测量站位位置，直至所有辅基准点都测量完毕。单个辅助基准点测量时，采用手持一枚跟踪靶球激活激光跟踪仪4，将跟踪靶球放置在多用途靶标上，读取激光跟踪仪4测量值的方式完成。在导航地图中，采用既有的辅助基准点匹配算法，实现各辅助基准点的识别和编号。
步骤S5、通过平差法，解算辅助基准点坐标并构建高精度测量场。
步骤S6、在待定位部件上布置摄影测量靶标作为测量基准点。
步骤S7、卸下激光跟踪仪4和三角架3，将双目摄影测量装置安装布置在升降平台2上，驱动移动平台1沿着人为设定的路径移动，对测量基准点进行测量，同时，通过双目摄影测量装置对辅助基准点进行再次测量。通过匹配辅助基准点，将各测量基准点对齐至高精度测量场中，计算出各测量基准点的全局坐标，实现测量基准点的定位。
步骤S4具体包括：
步骤S401、读取第一个测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure BDA0002557900420000051
其中，i为该站位下辅助基准点的数量。读取激光跟踪仪4当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的辅助基准点空间坐标与原点O1相加，添加至辅助基准点总集合M中，并依次进行编号，辅助基准点总集合M初始为空集。
步骤S402、读取下一测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure BDA0002557900420000052
和激光跟踪仪4当前对应空间定位坐标Oj，其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下辅助基准点的数量。将集合Pj中的辅助基准点空间坐标与空间定位坐标Oj相加，得到集合Tj。
步骤S403、通过ICP匹配算法，找到辅助基准点总集合M和集合Tj的公共辅助基准点G。
步骤S404、计算辅助基准点差集Nj＝Tj-G，将集合Nj中的辅助基准点添加至辅助基准点总集合M中，并添加编号。
步骤S405、如果已经是最后一站测量站位，则结束，得到最终的辅助基准点总集合M。否则，执行步骤S402至步骤S404。
步骤S7具体包括：
步骤S701、卸下激光跟踪仪4和三角架3，将双目摄影测量装置通过螺栓安装在中间连接板23上。在导航地图上绘制移动平台1运动路径，并设置定位采集间隔为L。
步骤S702、开启移动平台1自主导航模式，移动平台1沿运动路径每移动L距离暂停移动。
步骤S703、开启双目摄影测量装置，对视角内所有的辅助基准点和测量基准点进行测量，得到基准点测量集合
Figure BDA0002557900420000061
其中，k为双目摄影测量位置编号，s为基准点的编号。
步骤S704、采用RANSAC匹配算法，找到集合Wk和辅助基准点总集合M中的共同的辅助基准点集合B，计算集合差集Ck＝Wk-B，得到测量基准点集合Ck。
步骤S705、如果辅助基准点集合B中共同辅助基准点达到4个及以上，则根据公共点转换原则，将测量基准点集合Ck中的测量基准点映射到高精度测量场中，实现测量基准点的全局定位。
步骤S706、重复步骤S703至步骤S705，直至移动平台1走完整个运动路径。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于AGV与激光跟踪仪的组合定位方法，基于组合定位装置实现，其特征在于，所述组合定位装置包括移动平台(1)、激光跟踪仪(4)和三角架(3)，移动平台(1)上端面固定搭载升降平台(2)，三角架(3)固定在升降平台(2)上端面上，激光跟踪仪(4)固定设置在三角架(3)顶部；移动平台(1)为带有激光雷达定位系统的AGV平台；
升降平台(2)包括中间连接板(23)和三个竖直设置的电动推杆(21)，电动推杆(21)底部通过螺钉固定在移动平台(1)上，中间连接板(23)水平设置并分别与所述三个电动推杆(21)顶部通过螺钉固定连接；三角架(3)底部通过螺栓固定在中间连接板(23)上；
所述组合定位方法包括如下步骤：
步骤S1、在测量场地中布置若干多用途标靶作为辅助基准点，多用途标靶的布置数量应保证覆盖整个测量场空间；
步骤S2、驱动移动平台(1)，开启激光雷达扫描构建导航地图；
步骤S3、根据测量场的高度，调整升降平台(2)，使得激光跟踪仪(4)达到测量场一半的高度；
步骤S4、驱动移动平台(1)至任一测量站位位置，记录激光跟踪仪(4)的当前空间位置作为测量原点，通过激光跟踪仪(4)对距离该测量原点设定距离范围内的所有辅助基准点进行测量，待该测量站位位置测量完毕后，驱动移动平台(1)至下一测量站位位置，直至所有辅基准点都测量完毕；单个辅助基准点测量时，采用手持一枚跟踪靶球激活激光跟踪仪(4)，将跟踪靶球放置在多用途靶标上，读取激光跟踪仪(4)测量值的方式完成；在导航地图中，采用既有的辅助基准点匹配算法，实现各辅助基准点的识别和编号；
步骤S5、通过平差法，解算辅助基准点坐标并构建高精度测量场；
步骤S6、在待定位部件上布置摄影测量靶标作为测量基准点；
步骤S7、卸下激光跟踪仪(4)和三角架(3)，将双目摄影测量装置安装布置在升降平台(2)上，驱动移动平台(1)沿着人为设定的路径移动，对测量基准点进行测量，同时，通过双目摄影测量装置对辅助基准点进行再次测量；通过匹配辅助基准点，将各测量基准点对齐至高精度测量场中，计算出各测量基准点的全局坐标，实现测量基准点的定位；
步骤S4具体包括：
步骤S401、读取第一个测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure FDA0003257247020000011
其中，i为该站位下辅助基准点的数量；读取激光跟踪仪(4)当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的辅助基准点空间坐标与原点O1相加，添加至辅助基准点总集合M中，并依次进行编号，辅助基准点总集合M初始为空集；
步骤S402、读取下一测量站位位置所有辅助基准点空间坐标集合
Figure FDA0003257247020000021
和激光跟踪仪(4)当前对应空间定位坐标Oj，其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下辅助基准点的数量；将集合Pj中的辅助基准点空间坐标与空间定位坐标Oj相加，得到集合Tj；
步骤S403、通过ICP匹配算法，找到辅助基准点总集合M和集合Tj的公共辅助基准点G；
步骤S404、计算辅助基准点差集Nj＝Tj-G，将集合Nj中的辅助基准点添加至辅助基准点总集合M中，并添加编号；
步骤S405、如果已经是最后一站测量站位，则结束，得到最终的辅助基准点总集合M；否则，执行步骤S402至步骤S404；
步骤S7具体包括：
步骤S701、卸下激光跟踪仪(4)和三角架(3)，将双目摄影测量装置通过螺栓安装在中间连接板(23)上；在导航地图上绘制移动平台(1)运动路径，并设置定位采集间隔为L；
步骤S702、开启移动平台(1)自主导航模式，移动平台(1)沿运动路径每移动L距离暂停移动；
步骤S703、开启双目摄影测量装置，对视角内所有的辅助基准点和测量基准点进行测量，得到基准点测量集合
Figure FDA0003257247020000022
其中，k为双目摄影测量位置编号，s为基准点的编号；
步骤S704、采用RANSAC匹配算法，找到集合Wk和辅助基准点总集合M中的共同的辅助基准点集合B，计算集合差集Ck＝Wk-B，得到测量基准点集合Ck；
步骤S705、如果辅助基准点集合B中共同辅助基准点达到4个及以上，则根据公共点转换原则，将测量基准点集合Ck中的测量基准点映射到高精度测量场中，实现测量基准点的全局定位；
步骤S706、重复步骤S703至步骤S705，直至移动平台(1)走完整个运动路径。
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Application publication date: 20201023

Assignee: Nanjing Yuntong Technology Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2022320000056

Denomination of invention: A combined positioning device and method based on AGV and laser tracker

Granted publication date: 20211102

License type: Exclusive License

Record date: 20220426