CN113701748B - 一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置、方法及物体姿态自动调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置，包括被测物体、组合测量装置以及调姿机构，所述被测物体确定有表征其水平姿态的固定特征点A、B、C，并与调姿机构连接顶升呈三点支撑状态以实现姿态调整；还包括，三个姿态探针分别装夹于五自由度调整平台，并分别与被测物体的三个固定特征点接触；MEMS微惯性传感器设置在被测物体上，输出端通过数据转换器连接至数据处理终端；数字水准仪安装在被测物体正前方，同时观测三个姿态探针，输出每个特征点的水平高度；数据处理终端用于根据传感器输出的数据与特征点水平高度解算被测物体实时姿态。本发明方案能够改变仪器通视条件，解决大尺度姿态测量中被测点阻隔问题，减少累计误差，提高测量精度。

Description

一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置、方法及物体姿态自 动调整方法

技术领域

本发明涉及物体姿态精密测量技术领域，特别涉及一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置、方法及物体姿态自动调整方法。

背景技术

随着航空航天、船舶等工业领域的快速发展，大尺度空间物体的精密测量技术在大型复杂装备的装配对接、质量检测等环节中具有重要地位，日益受到研究人员的重视。当前空间姿态测量设备繁多，包括全站仪、激光跟踪仪、iGPS等，然而在几米至几百米的大尺度范围内，由于空间跨度大、现场环境复杂等特点，其空间姿态测量仍存在诸多难题。其中，由于物体结构尺寸大、形状复杂等因素导致被测特征点遮挡，对测量精度的影响尤为突出。

目前，针对该问题，通常采取两种测量方式。一是采用单设备的多次转站测量避免特征点遮挡，通过公共基准点统一坐标系实现物体姿态测量，然而在现场复杂的测量环境下一般不易进行转站，测量效率低，并且多次转站会形成较大的累积误差，因此其应用受到一定局限。二是通过多个相同或不同的设备进行多站协同测量，通过数据融合解算物体姿态，提高系统的测量精度和环境适应能力，如激光跟踪仪与坐标测量臂或光学扫描仪协同测量、iGPS测量网络构建等，但其技术成本较高、测量精度受设备数量、布站方式等方面的影响较大。因此，研究高精度、高效率的大尺度阻隔空间姿态测量方法是大型装备测量中亟待解决的关键技术之一。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置、方法及物体姿态自动调整方法。采用基于多传感器组合的测量方法，解决被测特征点遮挡问题，提高系统的环境适应能力，实现物体姿态的高精度测量，同时针对MEMS微惯性传感器输出变化值与调姿机构变化量的耦合特点，提出基于多项式展开的解耦算法，完成物体姿态的自动精确调整，有效保证使用效率。

本发明采用的技术方案如下：一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置，包括被测物体、组合测量装置以及三个调姿机构，所述被测物体确定有表征其水平姿态的固定特征点A、B、C，并与调姿机构连接顶升呈三点支撑状态以实现姿态调整；所述组合测量装置包括三个姿态探针、三个五自由度调整平台、MEMS微惯性传感器、数据转换器、数字水准仪以及数据处理终端，三个姿态探针分别装夹于五自由度调整平台，并分别与被测物体的三个固定特征点接触；所述MEMS微惯性传感器设置在被测物体上，输出端连接数据转换器，并由数据转换器连接至数据处理终端；所述数字水准仪安装在被测物体正前方，能够同时观测三个姿态探针，输出每个特征点的水平高度；所述数据处理终端用于根据MEMS微惯性传感器输出的数据与数字水准仪测得的特征点水平高度解算被测物体实时姿态。

进一步的，所述姿态探针包括测量探针和光学标尺，测量探针与被测物体特征点接触，光学标尺用于与数字水准仪结合测量特征点高度。

进一步的，所述MEMS微惯性传感器沿被测物体所在平面轴线安装。

进一步的，所述调姿机构之间相互独立，与被测物体连接处为万向连接。

本发明还提供了一种基于上述的大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下过程：

步骤1、被测物体由调姿机构顶升实现三点支撑状态，将MEMS微惯性传感器安装在被测物体上，调整五自由度调整平台调整姿态探针竖直分别与被测物体的固定特征点接触；

步骤2、数字水准仪固定放置于被测物体正前方，依次瞄准各个姿态探针，得到特征点A、B、C到参考平面的水平高度，并结合各特征点之间的距离解算得到被测物体初始姿态值；同时获取MEMS微惯性传感器输出的传感器所在平面X轴、Y轴于水平面的夹角；

步骤3、分别建立被测物体坐标系、MEMS微惯性传感器局部坐标系、数字水准仪局部坐标系以及参考坐标系，参考坐标系X、Y轴与水平面平行，Z轴正方向与重力加速度方向相反；根据被测物体初始姿态值和传感器姿态值解算得到传感器坐标系到被测物体坐标系的旋转矩阵；

步骤4、根据MEMS微惯性传感器输出值计算被测物体的姿态角，完成目标姿态的测量。

进一步的，所述步骤3中，物体坐标系记为o_ax_ay_az_a，MEMS微惯性传感器局部坐标系记为o_bx_by_bz_b，数字水准仪局部坐标系记为o_cx_cy_cz_c和参考坐标系记为o_wx_wy_wz_w；物体坐标系到参考坐标系的旋转平移矩阵为R_a、T_a，传感器坐标系到物体坐标系的旋转平移矩阵为R_b、T_b，传感器坐标系到参考坐标系的旋转平移矩阵为R_c、T_c；R_a对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为θ_x、θ_y、θ_z，R_b对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为ω_x、ω_y、ω_z，R_c对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为φ_x、φ_y、φ_z；传感器局部坐标系原点与物体坐标系原点重合。

进一步的，所述步骤2中初始姿态值的解算方法为：

其中，m₁＝l_bc ²-l_ab ²+l_ac ²；m₂＝l_bc ²+l_ab ²-l_ac ²，h_a、h_b、h_c分别为A、B、C点相对参考平面的高度值，l_ab、l_ac、l_bc分别为A、B、C点之间的距离值。

进一步的，所述步骤4的具体过程为：根据坐标变换理论，MEMS微惯性传感器输出值与相应旋转角之间的关系为:

令

由物体坐标系、传感器坐标系和参考坐标系之间关系得到：

则目标姿态角表达式为：

θ_y＝-arcsin[-sinφ_yR_d(1,1)+cosφ_ysinφ_xR_d(2,1)+cosφ_xcosφ_yR_d(3,1)]

将MEMS微惯性传感器输出值带入上式，即可得到被测物体的姿态信息。

本发明还提供了一种物体姿态自动调整方法，在上述测量方法的基础上实现，包括以下步骤：

根据传感器输出值与各调制机构变化量的耦合特点，建立数学模型：

du₁＝f₁(dc₁,dc₂,dc₃)

du₂＝f₂(dc₁,dc₂,dc₃)

其中，du₁、du₂分别为传感器X轴、Y轴输出变化量；dc₁、dc₂、dc₃分别为前、左、右调姿机构顶升变化量；

对上式进行多项式展开得到：

转换为矩阵形式：

其中，

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dv₁＝dc₁，dv₂＝dc₂，dv₃＝dc₃，dv₄＝2dc₁dc₂，dv₅＝2dc₁dc₃，dv₆＝2dc₂dc₃，dv₇＝dc₁ ²，dv₈＝dc₂ ²，dv₉＝dc₃ ²；

反复调整被测物体姿态，得到多组标定值，根据标定值解算标定矩阵

从而得到MEMS微惯性传感器实时输出值与各调姿机构变化量之间的映射关系，根据传感器输出值反馈控制调姿机构实现物体姿态的自动调整。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

1.采用姿态探针改变仪器通视条件，解决大尺度姿态测量中被测点阻隔问题，使测量仪器可单站完成各被测点的测量，减少累积误差，且能适应复杂现场环境，系统稳定性强；

2.基于多项式展开的解耦算法，依靠姿态调整过程进行自标定，能不断进行优化更新，具有良好的适应性及调整精度；

3.被测点水平高度误差<0.1mm，姿态测量精度高，且系统使用便捷，工程实用价值高。

附图说明

图1为本发明提出的物体姿态组合测量装置示意图。

图2为本发明提出的物体姿态组合测量方法坐标系示意图。

附图标记：五自由度调整平台(1)；姿态探针(2)；调姿机构(3)；光学标尺(4)、测量探针(5)；MEMS微惯性传感器(7)；数字水准仪(8)；数据转换器(9)；数据处理终端(10)以及被测物体(6)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

如图1所示，本实施例中提出了一种大尺度阻隔空间姿态组合测量装置，包括被测物体(1)、组合测量装置以及三个调姿机构(3)，所述被测物体(6)确定有表征其水平姿态的固定特征点A、B、C，并与调姿机构(3)连接顶升呈三点支撑状态以实现姿态调整；所述组合测量装置包括三个姿态探针(2)、三个五自由度调整平台(1)、MEMS微惯性传感器(7)、数据转换器(9)、数字水准仪(8)以及数据处理终端(10)，三个姿态探针(3)分别装夹于五自由度调整平台(1)，并分别与被测物体(6)的三个固定特征点A、B、C接触；所述MEMS微惯性传感器(7)设置在被测物体(6)上，输出端连接数据转换器(9)，并由数据转换器(9)连接至数据处理终端(10)；所述数字水准仪(8)安装在被测物体(6)正前方，能够同时观测三个姿态探针(3)，输出每个特征点的水平高度；所述数据处理终端(10)用于根据MEMS微惯性传感器(7)输出的数据与数字水准仪(8)测得的特征点水平高度解算被测物体(6)实时姿态。

具体的，姿态探针(3)包括测量探针(2)和光学标尺(4)，测量探针(2)与被测物体(6)的特征点接触，光学标尺(4)用于与数字水准仪(8)结合测量特征点高度。

五自由度调整装置(1)包括X、Y、Z轴轴向移动自由度(Z轴竖直向上)，绕X、绕Y轴旋转自由度。

优选的，MEMS微惯性传感器(7)X轴沿被测物体(6)所在平面轴线安装，以减小姿态测量耦合误差；用于输出两个角度值，分别为X轴、Y轴与水平面的夹角。

优选的，所述调姿机构(3)之间相互独立，与被测物体(6)连接处为万向连接。

本实施例中提出的姿态组合测量装置工作过程如下：采用姿态探针同时接触于物体被测点，改变测量通视条件，然后通过数字水准仪在单坐标基准下依次对各姿态探针进行瞄准测量，获得各被测点的水平高度，并结合被测点之间几何约束关系得到得到目标初始姿态值；最后配合物体上固定的MEMS微惯性传感器提供的角度信息，由数据处理模块解算获得物体实时姿态。在此基础上，通过分析MEMS微惯性传感器输出变化值与调姿机构变化量的耦合特点，提出基于多项式展开的解耦算法，由MEMS微惯性传感器输出反馈解算各调姿机构变化量，从而控制调姿机构实现物体姿态的自动调整。

实施例2

本实施例在实施例1提供的姿态组合测量装置的基础上实现，提出了基于该装置的姿态测量方法，包括以下步骤：

步骤1、被测物体由调姿机构顶升实现三点支撑状态，将MEMS微惯性传感器安装在被测物体上，调整五自由度调整平台调整姿态探针竖直分别与被测物体的固定特征点接触；

步骤2、数字水准仪固定放置于被测物体正前方，依次瞄准各个姿态探针，得到特征点A、B、C到参考平面的水平高度，并结合各特征点之间的距离解算得到被测物体初始姿态值；同时获取MEMS微惯性传感器输出的传感器所在平面X轴、Y轴于水平面的夹角；

步骤3、分别建立被测物体坐标系、MEMS微惯性传感器局部坐标系、数字水准仪局部坐标系以及参考坐标系，参考坐标系X、Y轴与水平面平行，Z轴正方向与重力加速度方向相反；根据被测物体初始姿态值和传感器姿态值解算得到传感器坐标系到被测物体坐标系的旋转矩阵；

步骤4、根据MEMS微惯性传感器输出值计算被测物体的姿态角，完成目标姿态的测量。

具体的，如图2所示，测量过程中建立的坐标系分别包括：被测物体坐标系o_ax_ay_az_a，MEMS微惯性传感器局部坐标系o_bx_by_bz_b，数字水准仪局部坐标系o_cx_cy_cz_c和参考坐标系o_wx_wy_wz_w。参考坐标系o_wx_wy_w平面与水平面平行，z_w正向与重力加速度方向相反；o_cx_cy_cz_c和o_wx_wy_wz_w的X、Y、Z轴分别平行。物体坐标系到参考坐标系的旋转、平移矩阵为R_a、T_a，传感器坐标系到物体坐标系的旋转、平移矩阵为R_b、T_b，传感器坐标系到参考坐标系的旋转、平移矩阵为R_c、T_c。R_a对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为θ_x、θ_y、θ_z，R_b对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为ω_x、ω_y、ω_z，R_c对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为φ_x、φ_y、φ_z。MEMS微惯性传感器坐标系的参考平面为水平面，其输出值为X轴和Y轴与参考平面之间的夹角，分别设为u_x、u_y，同时由于传感器只输出两个角度值，因此令传感器坐标系与物体坐标系原点重合，故T_b＝0。

根据坐标变换理论，MEMS微惯性传感器输出值u_x、u_y与相应旋转角φ_x、φ_y之间的关系可表示为：

令

由物体坐标系、传感器坐标系和参考坐标系之间关系可得：

将(1)式代入(2)式可得目标姿态角为：

由于在测量过程中MEMS微惯性传感器与被测物体固定连接，相应的传感器坐标系到物体坐标系的旋转矩阵R_b恒定不变，因此获得矩阵R_b即可根据传感器输出值实时解算目标姿态。

传感器坐标系到物体坐标系的旋转矩阵R_b的获取过程具体如下：

将三个姿态探针分别接触于被测点A、B、C，由数字水准仪依次对各姿态探针的光学标尺进行瞄准测量，获得被测点相对参考平面的高度值分别为h_a、h_b、h_c，结合被测点之间已知距离参数l_ab、l_ac、l_bc，进而计算被测物体初始姿态值：

其中，m₁＝l_bc ²-l_ab ²+l_ac ²；m₂＝l_bc ²+l_ab ²-l_ac ²。

由(4)式即可获得物体坐标系到参考坐标系的旋转矩阵R_a；

MEMS微惯性传感器传感器(7)输出角度值，由(1)式即可获得传感器坐标系到参考坐标系的旋转矩阵R_c；

基于R_a、R_c结合(2)式解算即可得到传感器坐标系到物体坐标系的旋转矩阵R_b。

由此，在任意时刻，将MEMS微惯性传感器(7)的输出值代入(1)、(3)式即可解算被测物体实时姿态。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上实现，感觉传感器输出变化值与各调姿机构变化量的耦合特点，建立两者数学关系模型为：

du₁＝f₁(dc₁,dc₂,dc₃) (5)

du₂＝f₂(dc₁,dc₂,dc₃)

其中，du₁、du₂分别为传感器X轴、Y轴输出变化量，dc₁、dc₂、dc₃分别为调姿机构前、左、右顶升变化量。

对(5)式进行多项式展开，并忽略二阶以上分量，有：

将(6)式转化为矩阵形式，可得：

其中，

相应地/>

dv₁＝dc₁，dv₂＝dc₂，dv₃＝dc₃，dv₄＝2dc₁dc₂，dv₅＝2dc₁dc₃，dv₆＝2dc₂dc₃，dv₇＝dc₁ ²，dv₈＝dc₂ ²，dv₉＝dc₃ ²。

反复调整被测物体姿态，由不同的姿态值及相对应的顶升量获得多组标定值，得到：

对(8)式进行求解即可得到标定矩阵

由此，即可标定MEMS微惯性传感器实时输出值ux、uy与各调姿机构变化量之间的映射关系，对于任意物体姿态，可根据传感器输出值代入(7)式求解，可获得将被测物体(6)调整到目标姿态时各调姿机构(3)相对于基准点的变化量dv₁、dv₂、dv₃，实现物体姿态的自动调整。

在本实施例中，物体姿态调整过程即为标定过程，在物体姿态的自动调整过程中，每次调整能对标定矩阵进行优化更新，从而达到最佳的调整效果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种基于大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，所述大尺度阻隔空间姿态组合测量装置包括被测物体、组合测量装置以及三个调姿机构，所述被测物体确定有表征其水平姿态的固定特征点A、B、C，并与调姿机构连接顶升呈三点支撑状态以实现姿态调整；所述组合测量装置包括三个姿态探针、三个五自由度调整平台、MEMS微惯性传感器、数据转换器、数字水准仪以及数据处理终端，三个姿态探针分别装夹于五自由度调整平台，并分别与被测物体的三个固定特征点接触；所述MEMS微惯性传感器设置在被测物体上，输出端连接数据转换器，并由数据转换器连接至数据处理终端；所述数字水准仪安装在被测物体正前方，能够同时观测三个姿态探针，输出每个特征点的水平高度；所述数据处理终端用于根据MEMS微惯性传感器输出的数据与数字水准仪测得的特征点水平高度解算被测物体实时姿态，其特征在于，包括以下过程：

步骤1、被测物体由调姿机构顶升实现三点支撑状态，将MEMS微惯性传感器安装在被测物体上，调整五自由度调整平台调整姿态探针竖直分别与被测物体的固定特征点接触；

步骤2、数字水准仪固定放置于被测物体正前方，依次瞄准各个姿态探针，得到特征点A、B、C到参考平面的水平高度，并结合各特征点之间的距离解算得到被测物体初始姿态值；同时获取MEMS微惯性传感器输出的传感器所在平面X轴、Y轴于水平面的夹角；

步骤3、分别建立被测物体坐标系、传感器局部坐标系、数字水准仪局部坐标系以及参考坐标系，参考坐标系X、Y轴与水平面平行，Z轴正方向与重力加速度方向相反；根据被测物体初始姿态值和传感器姿态值解算得到传感器坐标系到被测物体坐标系的旋转矩阵；

步骤4、根据MEMS微惯性传感器输出值计算被测物体的姿态角，完成目标姿态的测量。

2.根据权利要求1所述的基于大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述姿态探针包括测量探针和光学标尺，测量探针与被测物体特征点接触，光学标尺用于与数字水准仪结合测量特征点高度。

3.根据权利要求2所述的基于大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述MEMS微惯性传感器沿被测物体所在平面轴线安装。

4.根据权利要求3所述的基于大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述调姿机构之间相互独立，与被测物体连接处为万向连接。

5.根据权利要求1所述的大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，物体坐标系记为

，MEMS微惯性传感器局部坐标系记为/>

，数字水准仪局部坐标系记为/>

和参考坐标系记为/>

；物体坐标系到参考坐标系的旋转、平移矩阵为R _a、T _a，传感器坐标系到物体坐标系的旋转、平移矩阵为R _b、T _b，传感器坐标系到参考坐标系的旋转、平移矩阵为R _c、T _c；R _a对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为/>

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，R _b对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为ω _x、ω _y 、ω _z，R _c对应绕X、Y、Z轴的旋转角分别为/>

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；传感器局部坐标系原点与物体坐标系原点重合。

6.根据权利要求5所述的大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤2中初始姿态值的解算方法为：

其中，

；/>

，h _a、h _b、h _c分别为A、B、C点相对参考平面的高度值，l _ab、l _ac、l _bc分别为A、B、C点之间的距离值。

7.根据权利要求6所述的大尺度阻隔空间姿态组合测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：根据坐标变换理论，MEMS微惯性传感器输出值与相应旋转角之间的关系为:

令R _d=

，由物体坐标系、传感器坐标系和参考坐标系之间关系得到：

其中，

表示传感器坐标系到物体坐标系的旋转矩阵R _b的逆，/>

分别表示传感器坐标系到物体坐标系的平移矩阵T _b的逆；

则目标姿态角表达式为：

将MEMS微惯性传感器输出值带入上式，即可得到被测物体的姿态信息。

8.一种物体姿态自动调整方法，在权利要求7的基础上实现，包括以下步骤：

根据传感器输出值与各调制机构变化量的耦合特点，建立数学模型：

其中，

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分别为传感器X轴、Y轴输出变化量；/>

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分别为前、左、右调姿机构顶升变化量；

对上式进行多项式展开得到：

转换为矩阵形式：

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其中，

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反复调整被测物体姿态，得到多组标定值，根据标定值解算标定矩阵

；从而得到MEMS微惯性传感器实时输出值与各调姿机构变化量之间的映射关系，根据传感器输出值反馈控制调姿机构实现物体姿态的自动调整。/>

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