CN113587819A - 一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测量精度验证方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测量精度验证方法，属于位姿测量领域。现有的大尺寸空间位姿的测量法存在的测量范围小、测量精度低的问题。一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测量精度验证方法，通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程；然后，搭建坐标精度测量子系统，搭建姿态角测量子系统；设计控制直线导轨、标准转台运动的控制算法；验证系统的测量精度。本发明针对高精度的多路激光跟踪位姿动态测量系统，提高系统的自标定算法、被测目标位姿的解算精度，降低测量过程中的误差，实现大尺寸空间位姿的动态精密测量。

Description

一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测 量精度验证方法

技术领域

本发明涉及位姿测量方法，特别涉及一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测量精度验证方法。

背景技术

大尺寸测量技术是指在生产技术领域中，尺寸从本发明1本发明米至数百米范围内的物体进行几何检测的测量本发明技术。大尺寸空间位姿测量系统可以同时获取空间中被测对象的坐标和姿态，涉及三个角度和相互正本发明交的三个长度量，广泛应用于航空航天、超精密加工等领域。目前现有的位姿测量方法主要采用数字摄影动态测量技术、三坐标测量机、全站仪动态测量技本发明术、经纬仪测量技术、室内本发明GPS本发明动态测量技术和激光跟踪仪动态测量技术。但现有技术存在如下问题，一方面目前大尺寸空间位姿检测还没有本发明统一的检测标准和方法，许多位姿测量仪器在检测过程中存在测量范围小、效率低下的问题，如经纬本发明仪测量技术、坐标测量机法等；另一方面现有的位姿测量方法难以实现高精度的测量，如单台激光跟本发明踪仪不需要配合特殊的测量附件即可实现对空间目标的姿态测量，但精度有限，单台激光跟踪仪的坐本发明标测量精度为本发明15μm+6μm/m。

实际应用中，航空航天高精密领域对大尺寸物件动态测量的范围要求较本发明大，且在大型飞机总装、探月卫星和月球车装配、空间站舱段组装对接、大推力火箭外形和轴线测本发明量、空间目标姿态测试测量等领域，其空间动态测量的点位精度要求优于±0.1mm，测量范围要求大于本发明50m，动态测量频率一般要求大于本发明100HZ本发明甚至更高。面对众多场合对高精度、高效率动态位姿测量的迫本发明切需求，研究空间位姿计量技术，建立大空间位姿参量国家标准装置，对形成大尺寸位姿类仪器的统本发明一的检测方法和检测标准，解决目前航空航天、超精密加工等领域动态位姿测量范围与不确定度平衡本发明问题，保障我国大型装备制造行业中产品质量和量值溯源准确具有重要意义。可应用于其他位姿类测本发明量仪器的校准、工业机器人等智能制造设备的位姿参量的在线修正、飞机机身等大尺寸零部件装配领本发明域等，具有重要的经济和社会效益。

具体地，随着制造业的迅速发展对大尺寸空间位姿测量技术提出了越来越高的要求，在工业机器人、汽车舰船，航空航天、国防军工等领域的位姿测量通常要求测量范围较大，需要实现非接触测量，并且对测量系统的自动化、智能化、网络化及测量速度的要求也越来越高。而其中的机器人末端空间运动姿态的标定和检测，飞机机翼，舰船零部件、汽车车身的形状测量，大型工件安装调试过程中的相对位姿测量的具体的首要工作。但现有的位姿测量系统很难满足特殊测量的要求，因此提出一种高效、准确的大尺寸空间位姿动态测量系统尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的大尺寸空间位姿的测量法存在的测量范围小、测量精度低的问题，而提出的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法与测量精度验证方法。

一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设立基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统；

系统组成包括：三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台、运动控制系统；运动控制系统连接三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台；

三台跟踪仪包括测站A、测站B、测站C；

步骤二、令测站A、测站B、测站C同时跟踪同一个目标靶球，靶球固定在高精度标准平面上，靶球每移动至一个新的位置点，三台测站同时各测量一次，每个平面取多个不同位置测量，平面放置多个不同方向重复上述操作完成多个平面目标点的测量，得到各台测站到各平面目标点的距离值；

步骤三、选定参考点，计算各目标点相对参考点的相对距离，作为相对测距值，利用这些相对测距值，得到一系列测站到目标点的距离方程；

步骤四、再以所有测点到各自对应平面的距离最小作为约束条件，通过最小二乘优化算法反解得到系统参数的解算值；

至此，通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程；其中，所述的自标定模型基于平面约束和标准长度约束。

优选地，所述的通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程，具体为：

第一，令LTA(0，0，0)、LTB(Xb，0，0)、LTC(Xc，Yc，0)分别代表测站A、测站B、测站C的坐标位置；

第二，Plane1、Plane2、Plane3分别为三个标准平面位置，每个标准平面分别取n个采样点，选取参考点P0，则P0到3台测站的绝对测距作为初始长度LA0、LB0、LC0；

第三，通过各采样点的测量值计算得到各采样点关于参考点到测站的相对距离dl作为已知量；

第四，相对距离dl，各采样点坐标作为未知量，构建点到平面的距离方程n*3＝3n个，测站与采样点之间构建3*n*3＝9n个两点间距离方程；

第五，测站坐标与初始长度作为未知量，测站坐标分量包含3个未知数，初始长度3个未知数，采样点坐标分量有吗n*3*3＝9n个未知数；

第六，利用点到平面的距离和最小作为约束条件，方程个数12n>未知数个数9n+6，通过非线性最小二乘法寻找使得点到平面距离和最小的最优解求解超定方程组实现系统参数自标定；

第七，在求解得到系统参数的前提下，通过dl与求解到的初始长度得到测站到采样点的绝对距离，利用两点间距离公式得到采样点坐标

第八，建立优化函数；

(1)优化函数SSE的物理意义：各个目标点到所在平面距离和最小；

(2)单点优化函数值SSEPer的物理意义：单点到所在平面距离的最小值；

(3)设平面方程为：AX+BY+CZ+D＝0，测量目标点的坐标为pi(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3......)，则单点优化函数值SSEPer、优化函数和SSE分别表示为(1)(2)两表达式：

一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度；

步骤二、搭建姿态角测量子系统，通过转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度；

步骤三、设计运动控制算法；

设计运动控制系统，通过c++上位机程序控制直线导轨、标准转台的运动参数，并将参数实时的自动记录并保存；

通过下位机程序利用ACR9000直线电机控制器对三台跟踪仪与导轨运动、光栅尺位置采集、转台转动同步触发，进行信息动态测量。

优选地，步骤一所述的搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度的过程为：

利用三台跟踪仪与高速直线导轨、运动平台、光栅尺、运动控制系统组成坐标精度测量子系统；其中，目标逆反射镜固定在运动平台上，三台跟踪仪与高速直线导轨、光栅尺采集实现同步，利用三台测站到目标点的测距与标定已知的测站坐标反解出目标点坐标，将坐标精度转化为相对距离精度来评定，选定测量的第一个目标点为参考点，分别计算每个目标点相对参考点的距离，光栅尺采集距离作为距离标准值。分别在静态状态及6组不同运动速度下进行坐标精度测试。对比不同运动速度对系统动态坐标测量精度的影响。

优选地，步骤二所述的搭建姿态角测量子系统，通过转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度的过程为：

第一，以高精度标准转台作为角度标准器，与三台跟踪仪、运动控制系统组成姿态角测量子系统，实现姿态角测试；

第二，三台跟踪仪与转台、以高精度标准转台作为角度标准器，三台测站分别跟踪固定在转台三个叶片的猫眼反射镜，转台转动与三台跟踪仪测量同步，三点确定一个平面，将空间平面投影到二维平面上，通过计算同一个叶片相对初始位置的矢量夹角来反应姿态角；

第三，分别在静态状态下及在6组不同速度下进行姿态角精度测试；

第四，对比分析不同的速度对系统动态姿态角测量精度的影响。

优选地，步骤四所述的设计运动控制算法的过程为：

第一，设计控制坐标精度测量子系统运行的坐标精度测量子算法，通过坐标精度测量子算法实现高速导轨运动、高精度光栅尺位置采集与3台跟踪仪测量同步触发，并且通过上位机程序实现运动位移、初始速度、加速度、光栅尺采集频率、跟踪仪触发频率、相对运动模式、绝对运动模式、往复运动模式等一系列运动参数的设置、上传与保存等功能；

第二，标准转台运动控制与三台跟踪仪测量同步触发，通过上位机控制算法实现位置测量模式与速度测量模式之间的转换，更改跟踪仪的触发频率、角速度及运动位置的设置，实时采集运动速度、运动位置信息。

本发明的有益效果为：

本发明涉及两部分内容，包括一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法、以及位姿动态测量系统及方法的精度验证方法。

其中，

本发明的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，是通过实现各台测站的坐标系的统一以及实现各台测站与轨迹发生系统的同步触发技术，解决测量范围大、精度要求高、测量过程要求非接触和动态测量的实际位姿问题。本发明设计的三路激光跟踪位姿动态测量系统的自标定和位姿解算技术，是提高位姿测量精度的关键技术，本发明能够有效的提高系统位姿测量精度。随着制造业的迅速发展对大尺寸空间位姿测量技术提出了越来越高的要求，本发明在工业机器人、汽车舰船，航空航天、国防军工等领域具有重要的应用价值，如机器人末端空间运动姿态的标定和检测；飞机机翼，舰船零部件、汽车车身的形状测量，大型工件安装调试过程中相对位姿测量。以解决较大测量范围、非接触测量，以及对测量系统的自动化、智能化、网络化及测量速度的要求。

本发明的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法的精度验证方法，是基于三路激光跟踪的位姿测量系统的自标定精度和位姿的解算精度进行的设计。针对高精度的多路激光跟踪位姿动态测量系统，对系统的自标定算法、被测目标位姿的解算精度和测量过程中可能产生的误差进行研究，实现大尺寸空间位姿的动态精密测量，在测量范围小于7m×4m×3m，实现坐标测量不确定度8μm+2×10-6L(k＝2)；姿态角测量不确定度优于0.02°。

附图说明

图1为本发明涉及的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法流程图；

图2为本发明将各台测站的坐标系统一至测量坐标系的步骤中涉及的，测站与平面目标点位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，如图1所示，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设立基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统；

系统组成包括：三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台、运动控制系统；运动控制系统连接三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台；

三台跟踪仪包括测站A、测站B、测站C；

步骤二、令测站A、测站B、测站C同时跟踪同一个目标靶球，靶球固定在高精度标准平面上，靶球每移动至一个新的位置点，三台测站同时各测量一次，每个平面取多个不同位置测量，平面放置多个不同方向重复上述操作完成多个平面目标点的测量，得到各台测站到各平面目标点的距离值；

步骤三、选定参考点，计算各目标点相对参考点的相对距离，作为相对测距值，利用这些相对测距值，得到一系列测站到目标点的距离方程；

步骤四、再以所有测点到各自对应平面的距离最小作为约束条件，通过最小二乘优化算法反解得到系统参数(即三台测站的坐标值与个测站都参考点的距离)的解算值；

至此，通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程；其中，所述的自标定模型基于平面约束和标准长度约束。

本发明采用标准平面约束来获得冗余的测量数据，利用获得的测量数据实现系统自标定，精确得到各基点坐标及其他系统参数，提高被测目标的位姿解算精度和系统的可靠性。此步骤能够提高系统参数自标定精度并为后续提高位姿解算精度奠定基础。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，所述的通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程，具体为：

第一，图2中，令LTA(0，0，0)、LTB(Xb，0，0)、LTC(Xc，Yc，0)分别代表测站A、测站B、测站C的坐标位置；

第二，Plane1、Plane2、Plane3分别为三个标准平面位置，每个标准平面分别取n个采样点，选取参考点P0，则P0到3台测站的绝对测距作为初始长度LA0、LB0、LC0；

第三，通过各采样点的测量值计算得到各采样点关于参考点到测站的相对距离dl作为已知量；

第四，相对距离dl，各采样点坐标作为未知量，构建点到平面的距离方程n*3＝3n个，测站与采样点之间构建3*n*3＝9n个两点间距离方程；

第五，测站坐标与初始长度作为未知量，测站坐标分量包含3个未知数，初始长度3个未知数，采样点坐标分量有吗n*3*3＝9n个未知数；

第六，利用点到平面的距离和最小作为约束条件，方程个数12n>未知数个数9n+6，通过非线性最小二乘法寻找使得点到平面距离和最小(平面约束)的最优解求解超定方程组实现系统参数(测站相对位置坐标与初始长度)自标定；

第七，在求解得到系统参数的前提下，通过dl与求解到的初始长度得到测站到采样点的绝对距离，利用两点间距离公式得到采样点坐标

第八，建立优化函数；

(1)优化函数SSE的物理意义：各个目标点到所在平面距离和最小；

(2)单点优化函数值SSEPer的物理意义：单点到所在平面距离的最小值；

(3)设平面方程为：AX+BY+CZ+D＝0，测量目标点的坐标为pi(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3......)，则单点优化函数值SSEPer、优化函数和SSE分别表示为(1)(2)两表达式：

具体实施方式三：

本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度；

步骤二、搭建姿态角测量子系统，通过高分辨率、高精度转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度；

步骤三、设计运动控制算法；

设计运动控制系统，通过c++上位机程序快速方便控制直线导轨、标准转台的运动参数，并将参数实时的自动记录并保存；

通过下位机程序利用ACR9000直线电机控制器对三台跟踪仪与导轨运动、光栅尺位置采集、转台转动同步触发，进行信息动态测量。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，步骤一所述的搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度的过程为：

利用三台跟踪仪与高速直线导轨、运动平台、光栅尺、运动控制系统组成坐标精度测量子系统；其中，目标逆反射镜固定在运动平台上，三台跟踪仪与高速直线导轨、光栅尺采集实现同步，利用三台测站到目标点的测距与标定已知的测站坐标反解出目标点坐标，将坐标精度转化为相对距离精度来评定，选定测量的第一个目标点为参考点，分别计算每个目标点相对参考点的距离，光栅尺采集距离作为距离标准值。分别在静态状态及6组不同运动速度下进行坐标精度测试。对比不同运动速度对系统动态坐标测量精度的影响。

具体实施方式五：

与具体实施方式室三或四不同的是，本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，步骤二所述的搭建姿态角测量子系统，通过高分辨率、高精度转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度的过程为：

第一，以高精度标准转台作为角度标准器，与三台跟踪仪、运动控制系统组成姿态角测量子系统，实现姿态角测试；

第二，三台跟踪仪与高精度转台、以高精度标准转台作为角度标准器，三台测站分别跟踪固定在转台三个叶片的猫眼反射镜，转台转动与三台跟踪仪测量同步，三点确定一个平面，将空间平面投影到二维平面上，通过计算同一个叶片相对初始位置的矢量夹角来反应姿态角；

第三，分别在静态状态下及在6组不同速度下进行姿态角精度测试；

第四，对比分析不同的速度对系统动态姿态角测量精度的影响。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，步骤四所述的设计运动控制算法的过程为：

第一，设计控制坐标精度测量子系统运行的坐标精度测量子算法，通过坐标精度测量子算法实现高速导轨运动、高精度光栅尺位置采集与3台跟踪仪测量同步触发，并且通过上位机程序实现运动位移、初始速度、加速度、光栅尺采集频率、跟踪仪触发频率、相对运动模式、绝对运动模式、往复运动模式等一系列运动参数的设置、上传与保存等功能；

第二，标准转台运动控制与三台跟踪仪测量同步触发，通过上位机控制算法实现位置测量模式与速度测量模式之间的转换，更改跟踪仪的触发频率、角速度及运动位置的设置，实时采集运动速度、运动位置信息。

实施例：

一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法及精度验证方法，步骤包括：

一、建立基于平面约束的自标定算法模型；

建立平面约束自标定算法模型1(平面参数作为已知量)并完成了模型1的仿真实验；基于平面约束的自标定模型2(平面参数作为未知量)初步程序完成，目前在仿真调试中

二、搭建导轨测尺平台，调试相机、安装尺槽、调试环境参数采集传感器CF88、设计检尺软件，主要分为环境参数采集模块、电机运动模块、光栅尺采集模块、相机识别采集模块四部分；

三、建立基于平面约束的自标定算法模型建立平面约束自标定算法模型1(平面参数作为已知量)并完成了模型1的仿真实验；基于平面约束的自标定模型2(平面参数作为未知量)初步程序完成，目前在仿真调试中。建立基于平面约束+标准长度约束的自标定模型：提高系统参数自标定精度并为后续提高位姿解算精度奠定基础。通过仿真实验对比不同大小标准平面、不同方向平面对系统参数自标定精度、系统位姿测量精度的影响并确定研磨加工实际实验所用标准平面的大小。

(1)图2中，LTA(0，0，0)、LTB(Xb，0，0)、LTC(Xc，Yc，0)分别代表测站A、测站B、测站C的坐标位置；

(2)Plane1、Plane2、Plane3分别为三个标准平面位置，每个标准平面分别取n个采样点，选取参考点P0,则P0到3台测站的绝对测距作为初始长度LA0、Plane3Plane2Plane1LTALTBLTCP0—4—LB0、LC0；

(3)通过各采样点的测量值计算得到各采样点关于参考点到测站的相对距离dl作为已知量；

(4)相对距离dl，各采样点坐标作为未知量，构建点到平面的距离方程n*3＝3n个，测站与采样点之间构建3*n*3＝9n个两点间距离方程；

(5)测站坐标与初始长度作为未知量，测站坐标分量包含3个未知数，初始长度3个未知数，采样点坐标分量有吗n*3*3＝9n个未知数；

(6)利用点到平面的距离和最小作为约束条件，方程个数12n>未知数个数9n+6，通过非线性最小二乘法寻找使得点到平面距离和最小(平面约束)的最优解求解超定方程组实现系统参数(测站相对位置坐标与初始长度)自标定。

(7)在求解得到系统参数的前提下，通过dl与求解到的初始长度得到测站到采样点的绝对距离，利用两点间距离公式得到采样点坐标

优化函数:

(1)优化函数SSE的物理意义：各个目标点到所在平面距离和最小。

(2)单点优化函数值SSEPer的物理意义：单点到所在平面距离的最小值。

(3)假设平面方程为：AX+BY+CZ+D＝0,测量目标点的坐标为pi(Xi,Yi,Zi)(i＝1，2，3......)，则单点优化函数值SSEPer、优化函数和SSE分别表示为：

不同大小标准平面对系统自标定精度影响仿真实验平面大小对系统测量精度存在一定影响，因此通过仿真实验构造了三组大小分别为0.3m*0.3m大小的平面组、0.6m*0.6m大小的平面组、1.2m*1.2m大小的平面组来对平面大小对系统测量精度的影响做验证。通过仿真实验并综合考虑多方面因素确定了用于系统自标定的标准平面大小为300mm*300mm较好。1)生成理想数据：3LT相对位置坐标，标准平面、目标点Pi，各目标点Pi到3台测站的绝对测距lengthA、lengthB、lengthC；参考点P0，P0到3台测站的绝对测距作为初始长度LA0、LB0、LC0；2)根据目标点到各测站的绝对测距以0.6μm/m的误差加入[-U，U]之间的随机误差3)计算加入随机误差后的dl4)导入dl,自标定得到系统参数5)比较自标定得到的系统参数与标准值6)将自标定得到的系统参数带入距离公式，计算目标点坐标，计算各目标点与第一个目标点的相对距离，与标准距离对比(目标点距离测站最远5m多)—5—3.2.10.3m*0.3m大小、互不平行的一组平面图表中变量意义说明：---SSEPer:单点到平面距离(单点优化函数值)---LTB_x:测站B的x轴分量---LTC_x：测站C的x轴分量---LTC_y：测站C的y轴分量---initLA0：参考点到测站A的初始距离---initLB0：参考点到测站A的初始距离---initLC0：参考点到测站A的初始距离---LTCoorError_max：坐标测量误差最大值---LTCoorError_min：坐标测量误差最小值---LTCoorError_mean：坐标测量误差均值---LTCoorError_std：坐标测量误差标准差

四、搭建坐标测量子系统

搭建坐标精度测量子系统、运动控制子模块也已经基本完成，目前高速直线导轨可以实现相对、绝对、单向、往复运动几种模式的切换以及速度、加速度、运动位移、光栅尺位置采样频率、跟踪仪触发频率等运动参数的设置、上传与保存；并且三台跟踪仪测量与导轨运动、光栅尺位置采集同步触发基本实现，完成了坐标测量子系统初步测试。搭建坐标精度测量子系统：对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度。

五、坐标测量子系统光栅尺校准与猫眼反射镜测试

对坐标精度测量子系统所用光栅尺进行了校准，校准后光栅尺测量误差小于10微米。另一方面，测量过程中所用的猫眼反射镜也是引入系统误差的一个重要因素，因此前期将实验所用猫眼反射镜在不同距离、不同入射角下对测量精度的影响也进行了测试实验。

利用干涉仪对光栅尺进行校准，以干涉仪测量值作为标准值，测得光栅尺采集值与干涉仪测量值的偏差通过线性补偿的方法对光栅尺进行补偿。小结：补偿前正反两个方向6次实验结果具有较好的重复性，且表明光栅尺的偏差成线性增长趋势，符合光栅尺测量误差受温度影响随测距呈线性变化的特性。补偿后的6次实验结果表明利用分段线性补偿的方法可以较好的校准光栅尺，将整体最大偏差由60多μm减小到10μm以内。

六、搭建姿态角测量子系统：通过高分辨率、高精度转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器-3台跟踪仪的角度分辨率与精度。验证在不同角速度下系统姿态角测量精度。

七、开发运动控制软件：(1)坐标精度测量子软件实现高速导轨运动、高精度光栅尺位置采集与3台跟踪仪测量同步触发，并且通过上位机程序可以实现运动位移、初始速度、加速度、光栅尺采集频率、跟踪仪触发频率、相对运动模式、绝对运动模式、往复运动模式等一系列运动参数的设置、上传与保存等功能；(2)标准转台运动控制与三台跟踪仪测量同步触发，通过上位机程序可已实现位置测量模式与速度测量模式的转换，更改设置跟踪仪的触发频率，角速度及运动位置，对运动速度、运动位置的实时采集。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设立基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统；

系统组成包括：三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台、运动控制系统；运动控制系统连接三台跟踪仪、高速直线导轨、光栅尺、标准转台；

三台跟踪仪包括测站A、测站B、测站C；

步骤二、令测站A、测站B、测站C同时跟踪同一个目标靶球，靶球固定在高精度标准平面上，靶球每移动至一个新的位置点，三台测站同时各测量一次，每个平面取多个不同位置测量，平面放置多个不同方向重复上述操作完成多个平面目标点的测量，得到各台测站到各平面目标点的距离值；

步骤三、选定参考点，计算各目标点相对参考点的相对距离，作为相对测距值，利用这些相对测距值，得到一系列测站到目标点的距离方程；

步骤四、再以所有测点到各自对应平面的距离最小作为约束条件，通过最小二乘优化算法反解得到系统参数的解算值；

至此，通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程；其中，所述的自标定模型基于平面约束和标准长度约束。

2.根据权利要求1所述的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法，其特征在于：所述的通过建立自标定模型，将各台测站的坐标系统一至测量坐标系，即完成系统自标定过程，具体为：

第一，令LTA(0，0，0)、LTB(Xb，0，0)、LTC(Xc，Yc，0)分别代表测站A、测站B、测站C的坐标位置；

第二，Plane1、Plane2、Plane3分别为三个标准平面位置，每个标准平面分别取n个采样点，选取参考点P0，则P0到3台测站的绝对测距作为初始长度LA0、LB0、LC0；

第三，通过各采样点的测量值计算得到各采样点关于参考点到测站的相对距离dl作为已知量；

第四，相对距离dl，各采样点坐标作为未知量，构建点到平面的距离方程n*3＝3n个，测站与采样点之间构建3*n*3＝9n个两点间距离方程；

第五，测站坐标与初始长度作为未知量，测站坐标分量包含3个未知数，初始长度3个未知数，采样点坐标分量有吗n*3*3＝9n个未知数；

第六，利用点到平面的距离和最小作为约束条件，方程个数12n>未知数个数9n+6，通过非线性最小二乘法寻找使得点到平面距离和最小的最优解求解超定方程组实现系统参数自标定；

第七，在求解得到系统参数的前提下，通过dl与求解到的初始长度得到测站到采样点的绝对距离，利用两点间距离公式得到采样点坐标

第八，建立优化函数；

(1)优化函数SSE的物理意义：各个目标点到所在平面距离和最小；

(2)单点优化函数值SSEPer的物理意义：单点到所在平面距离的最小值；

(3)设平面方程为：AX+BY+CZ+D＝0，测量目标点的坐标为pi(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3......)，则单点优化函数值SSEPer、优化函数和SSE分别表示为(1)(2)两表达式：

3.一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量系统的精度验证方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度；

步骤二、搭建姿态角测量子系统，通过转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度；

步骤三、设计运动控制算法；

设计运动控制系统，通过c++上位机程序控制直线导轨、标准转台的运动参数，并将参数实时的自动记录并保存；

通过下位机程序利用ACR9000直线电机控制器对三台跟踪仪与导轨运动、光栅尺位置采集、转台转动同步触发，进行信息动态测量。

4.根据权利要求3所述的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法的精度验证方法，其特征在于：步骤一所述的搭建坐标精度测量子系统，在对位移标准器光栅尺进行温度补偿实验的前提下，验证在不同运动速度下系统的坐标测量精度的过程为：

利用三台跟踪仪与高速直线导轨、运动平台、光栅尺、运动控制系统组成坐标精度测量子系统；其中，目标逆反射镜固定在运动平台上，三台跟踪仪与高速直线导轨、光栅尺采集实现同步，利用三台测站到目标点的测距与标定已知的测站坐标反解出目标点坐标，将坐标精度转化为相对距离精度来评定，选定测量的第一个目标点为参考点，分别计算每个目标点相对参考点的距离，光栅尺采集距离作为距离标准值。分别在静态状态及6组不同运动速度下进行坐标精度测试。对比不同运动速度对系统动态坐标测量精度的影响。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法的精度验证方法，其特征在于：步骤二所述的搭建姿态角测量子系统，通过转台与跟踪仪的同步实验测试，确定姿态角测量发生器即3台跟踪仪的角度分辨率与精度；验证在不同角速度下系统姿态角测量精度的过程为：

第一，以高精度标准转台作为角度标准器，与三台跟踪仪、运动控制系统组成姿态角测量子系统，实现姿态角测试；

第二，三台跟踪仪与转台、以高精度标准转台作为角度标准器，三台测站分别跟踪固定在转台三个叶片的猫眼反射镜，转台转动与三台跟踪仪测量同步，三点确定一个平面，将空间平面投影到二维平面上，通过计算同一个叶片相对初始位置的矢量夹角来反应姿态角；

第三，分别在静态状态下及在6组不同速度下进行姿态角精度测试；

第四，对比分析不同的速度对系统动态姿态角测量精度的影响。

6.根据权利要求5所述的一种基于三路激光跟踪的大尺度空间位姿动态测量方法的精度验证方法，其特征在于：步骤四所述的设计运动控制算法的过程为：

第一，设计控制坐标精度测量子系统运行的坐标精度测量子算法，通过坐标精度测量子算法实现高速导轨运动、高精度光栅尺位置采集与3台跟踪仪测量同步触发，并且通过上位机程序实现运动位移、初始速度、加速度、光栅尺采集频率、跟踪仪触发频率、相对运动模式、绝对运动模式、往复运动模式等一系列运动参数的设置、上传与保存等功能；

第二，标准转台运动控制与三台跟踪仪测量同步触发，通过上位机控制算法实现位置测量模式与速度测量模式之间的转换，更改跟踪仪的触发频率、角速度及运动位置的设置，实时采集运动速度、运动位置信息。

Images