CN114413754B - 工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，包括：连续测量两次光电接收器坐标，并记录两次坐标测量全局时刻，并计算运动速度；从第k>2次测量开始，以所有发射站测量得到的原始扫描角为观测信息，得到补偿前的光电接收器坐标，以所有发射站扫描角中最早的同步光时刻作为全局基准时刻，以光电接收器坐标和运动速度为参量建立扫描角的动态误差运动学模型；依据误差运动学模型对第k次测量中的原始扫描角进行动态误差补偿，得到补偿后的扫描角；利用补偿后的扫描角重新解算得到补偿后的光电接收器坐标，并结合光电接收器坐标计算第k次运动速度。本发明提高了动态测量精度，实现从静态测量向静、动态全工况测量应用扩展。

Description

工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法

技术领域

本发明涉及大空间动态测量领域，尤其涉及一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法。

背景技术

以航空、航天为代表的高端装备制造业的飞速发展对大尺寸精密测量技术提出了迫切需求，传统的静态测量方法无法满足高度自动化、智能化生产方式要求，研究精度高、实时性好、鲁棒性强的大空间动态测量方法成为亟待解决的问题。

工作空间测量定位系统(workshop Measuring and Positioning System,wMPS)是一种基于光电扫描的大空间多基站分布式测量系统，由激光发射站、光电接收器、信号处理器、基准尺等组成。每台激光发射站配置两个扫描激光器和周向分布的多个同步激光器。扫描激光器随发射站转轴以角速度ω高速旋转。在每个旋转周期内，当转轴经过零相位位置时，同步光向全空间发出光脉冲作为计时起点t₀，依次记录两个扫描激光器扫过光电接收器的时刻t₁和t₂，进而得到发射站与接收器间的扫描角：

当接收器接收两台以上激光发射站的光信号时，可以根据如下的多角度约束关系求解得到接收器空间坐标：

其中，Rⁱ和Tⁱ为发射站i与全局坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，为发射站i的第j个光平面的扫描角，/>为发射站i的第j个光平面的光平面参数，N为发射站数量。

在光电接收器处于静止状态时，由于发射站较高的扫描角测量精度，wMPS具有较高的空间坐标测量精度。当光电接收器随被测目标运动时，受限于光电扫描测角原理，同一激光发射站的两束扫描光以及不同激光发射站间的多束扫描光均在不同时刻扫过光电接收器，造成多角度时-空异步测量，引入多角度交会误差，严重制约了测量系统的应用场景。

发明内容

本发明系统性分析wMPS动态误差产生机理，基于运动分解方法构建扫描角动态误差运动学模型，并提出一种适用于wMPS的动态误差在线自主补偿方法，提高其动态测量精度，实现从静态测量向静、动态全工况测量的应用扩展，进一步满足大型高端装备制造领域的大空间动态精密测量需求，详见下文描述：

一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，所述方法包括：

获取N台激光发射站间的旋转矩阵和平移矩阵，将光电接收器放置在被测目标上并跟随目标运动，运动中确保光电接收器能接收至少两台激光发射站的光信号；

连续测量两次光电接收器坐标，并记录两次坐标测量全局时刻，并计算运动速度；

从第k>2次测量开始，以所有发射站测量得到的原始扫描角为观测信息，得到补偿前的光电接收器坐标，以所有发射站扫描角中最早的同步光时刻作为全局基准时刻，以光电接收器坐标和运动速度为参量建立扫描角的动态误差运动学模型；

依据误差运动学模型对第k次测量中的原始扫描角进行动态误差补偿，得到补偿后的扫描角；

利用补偿后的扫描角重新解算得到补偿后的光电接收器坐标，并结合光电接收器坐标计算第k次运动速度。

其中，所述以光电接收器坐标和运动速度为参量建立扫描角的动态误差运动学模型具体为：

1)将接收器运动速度在发射站局部坐标系下分解为水平运动和竖直运动；

2)采用先分解后整合的误差建模方法，利用发射站和接收器位置关系将水平运动分解为切向速度和径向速度；

3)设平面z＝z_p与激光器扫过接收器时的光平面相交于l，

过(0,0,z_p)向交线l做垂线，则O'_p为接收器所在位置处的瞬时旋转中心，^kPO'_p为等效旋转半径，测角误差表示为^kt_global至/>时间内接收器运动距离与旋转半径之比；

4)考虑竖直运动v_ver，接收器在至/>时间内由^kP运动至^kP'，过^kP做交线l的垂线^kPB，获取光平面与发射站局部坐标系的Z轴夹角，将测角误差表示为/>至/>时间内接收器运动距离与旋转半径之比/>

5)将和/>进行叠加得到速度为^k-1v＝[v_x v_y v_z]^T时的测角误差补偿值。

其中，所述动态误差运动学模型的表达式为：

其中，^kv＝[v_x v_y v_z]^T。

进一步地，所述补偿后的扫描角为：

所述第k次运动速度为：

其中，为扫描角；^kp_compensated为补偿之后的^kp坐标；^kt_global为与^kp点对应的全局基准时间。

进一步地，所述方法的动态测量精度大于0.18mm。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明提出一种基于运动分解的工作空间测量定位系统动态误差模型构建方法，实现不同运动状态下的动态误差量化，为误差补偿提供了理论基础；

2、本发明提出一种工作空间测量定位系统动态误差补偿方法，可以在缺乏外部辅助测量系统的情况下，利用工作空间测量定位系统自身循环迭代实现对动态误差的实时在线自主补偿，显著提高动态坐标测量精度；

3、本发明实现工作空间测量定位系统从静态工况测量向静、动态全工况测量的应用拓展，进一步满足大型高端装备制造中的动态精密测量需求。

附图说明

图1为工作空间测量定位系统的测量场标定过程示意图；

图2为工作空间测量定位系统的动态测量示意图；

图3为接收器接收发射站光信号的时序图；

图4为激光发射站光平面几何模型的示意图；

图5为水平运动引入的扫描角误差几何模型的示意图；

图6为竖直运动引入的扫描角误差几何模型的示意图；

图7为动态测量精度验证实验装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

经实验仿真可知，目标运动引入的动态交会误差远高于目标静止时的测量误差，需要分析动态误差产生机理和运动学模型，进而对其进行针对性补偿，提高wMPS动态测量性能。

经算法仿真可知，动态误差与光电接收器运动状态相关，在已知光电接收器先验运动信息的前提下，可以对动态误差进行针对性补偿，提高测量精度。

实施例1

基于上述思想，本发明实施例首先建立了以运动信息为参量的扫描角误差运动学模型，进而提出一种基于循环迭代的动态误差补偿方法，实现连续坐标测量与动态误差实时自主补偿，在不依赖外部系统的情况下提高动态测量精度。该方法包括以下步骤：

步骤101：将N台激光发射站布置在测量空间内，选定其中一台激光发射站作为主站，其余N-1台激光发射站作为从站；

步骤102：在基准尺两端各放置一个光电接收器，将基准尺放置在被测空间内的L(L>6)个位置处，基准尺放置位置尽可能覆盖被测空间。在各位置处依次记录两个光电接收器的扫描角，最终基于基准尺长度约束关系和激光发射站光平面约束关系构建非线性优化问题，求解得到N台激光发射站间的旋转矩阵和平移矩阵；

其中，表示基准尺位置m处，基准尺上第k个接收器与第i个发射站的第j个光平面对应的光平面约束误差，Δd_m表示基准尺位置m处的基准尺长度误差。

步骤103：将光电接收器放置在被测目标上并跟随目标运动，运动过程中确保光电接收器能接收至少两台激光发射站的光信号；

步骤104：连续测量两次光电接收器坐标¹p和²p，并记录两次坐标测量全局时刻¹t_global和²t_global，以此计算运动速度²v；

步骤105：从第k(k>2)次测量开始，以所有发射站测量得到的原始扫描角为观测信息，得到补偿前的光电接收器坐标^kp＝[^kx ^ky ^kz]^T。以所有发射站扫描角中最早的同步光时刻作为全局基准时刻^kt_global，以^kp和^k-1v为参量建立如下所示的扫描角的动态误差运动学模型；

其中，^k-1v＝[v_x v_y v_z]^T，表示扫描光到达接收器时刻，/>表示测角误差补偿值。

其中，步骤105具体为：

1)将接收器运动速度在发射站局部坐标系下分解为水平运动v_hor和竖直运动v_ver：

2)采用先分解后整合的误差建模方法，首先考虑水平运动v_hor，利用发射站和接收器位置关系将v_hor分解为切向速度v_t和径向速度v_r：

3)由于激光在空气中的传播速度远高于接收器运动速度，径向速度不产生测角误差，因此只需考虑切向速度。设平面z＝z_p与激光器扫过接收器时的光平面相交于l，

过(0,0,z_p)向交线l做垂线，则O'_p为接收器所在位置处的瞬时旋转中心，^kPO'_p为等效旋转半径。测角误差可以表示为^kt_global至时间内接收器运动距离与旋转半径之比：

4)进一步考虑竖直运动v_ver，接收器在^kt_global至时间内由^kP运动至^kP'，过^kP做交线l的垂线^kPB，则根据图中的几何关系可知：

光平面与发射站局部坐标系Z轴夹角可以表示为：

同样将测角误差表示为^kt_global至时间内接收器运动距离与旋转半径之比：

5)将和/>进行叠加得到速度为^k-1v＝[v_x v_y v_z]^T时的测角误差补偿值。

步骤106：依据步骤105中的扫描角误差模型对第k次测量中的原始扫描角进行动态误差补偿，得到补偿后的扫描角；

步骤107：利用补偿后的扫描角重新解算得到补偿后的光电接收器坐标^kp_compensated，利用^k-1p_compensated和^kp_compensated计算^kv；

其中，^kp_compensated为补偿之后的^kp坐标；^kt_global为与^kp点对应的全局基准时间。

步骤108：重复步骤105至步骤107，即可实现对光电接收器后续过程的坐标连续测量与动态误差补偿。

综上所述，本发明实施例在系统分析工作空间测量定位系统动态误差产生机理的基础上构建了融合光电接收器速度和位置信息的扫描角误差运动学模型，提出了一种在缺乏外部辅助测量系统情况下的循环迭代误差补偿方法，实现了光电接收器空间坐标连续测量。通过上述误差补偿过程可以显著提高工作空间测量定位系统的坐标测量精度，操作简单，实时性好，能够进一步增强测量系统在动态精密测量中的应用价值，有助于提高大型高端装备制造水平。

实施例2

下面结合具体的实例、公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

步骤201：根据测量需求在被测空间内布置N台激光发射站，选择其中一台激光发射站作为主站，其余N-1台激光发射站作为从站；

步骤202：在基准尺两端各放置一个光电接收器，将基准尺放置在被测空间内的L(L>6)个位置处，基准尺位置应尽量覆盖被测空间。在各位置处依次纪录两个光电接收器的扫描角，最终基于基准尺长度约束和激光发射站光平面约束关系构建非线性优化问题，求解得到N台激光发射站坐标系与全局坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，如图1所示。至此，工作空间测量定位系统整体测量场构建完成；

步骤203：将光电接收器放置在被测目标上并跟随目标运动。运动过程中确保光电接收器能接收至少两台激光发射站的光信号，如图2所示。

步骤204：连续测量两次光电接收器坐标¹p和²p，并记录两次坐标测量时刻¹t和²t，以此计算运动速度²v；

步骤205：从第k(k>2)次测量开始，以所有发射站测量得到的原始扫描角为观测信息，得到补偿前的光电接收器坐标^kp＝[^kx ^ky ^kz]^T，以所有发射站扫描角中最早的同步光时刻作为全局基准时刻^kt_global，以^kp和^k-1v为参量建立如下所示的扫描角的动态误差运动学模型；

该步骤将接收器全局运动沿水平面和竖直方向进行分解。首先建立光电接收器的水平运动v_x和v_y与扫描角误差的关系。根据如图3所示的扫描角空间几何关系，Z＝^kz平面截取扫描光时刻光平面与全局基准时刻光平面得到两条交线。取Z＝^kz平面俯视图，如图4所示。过激光发射站坐标系下的(0,0,z_p)作交线的O'_p垂线，则垂足O'_p即为^kp处的瞬时旋转半径，而O'_p ^kp为瞬时旋转半径。根据光电扫描测量模型可知，径向速度v_r不产生动态误差，切向速度v_t是动态误差的主要影响因素。水平运动引入的动态测角误差补偿值可以表示为全局基准时刻至扫描光时刻接收器产生的切向位移与瞬时旋转半径的比值，即：

进一步建立竖直运动v_z与扫描角误差的关系。根据图5所示的几何关系，从全局基准时刻至扫描光时刻，光电接收器在竖直运动速度v_z的作用下从^kp运动至¹p点，∠^kpO'_pB即为扫描角误差。根据图中几何关系可知：

其中，为竖直运动引入的动态测角误差补偿值。

最终，以^kp和^k-1v为参量建立如下所示的全局运动状态下的扫描角的动态误差运动学模型：

其中，^k-1v＝[v_x v_y v_z]^T。

步骤206：依据步骤205中的扫描角误差模型对第k次测量中的原始扫描角进行动态误差补偿，得到补偿后的扫描角；

步骤207：利用补偿后的扫描角重新解算得到补偿后的光电接收器坐标^kp_compensated，利用^kp_compensated和^k-1p_compensated计算^kv；

步骤208：重复步骤205至步骤207，即可实现对光电接收器后续过程的坐标连续测量与动态误差补偿。

综上所述，本发明实施例提高了动态测量精度，实现从静态测量向静、动态全工况测量的应用扩展，进一步满足大型高端装备制造领域的大空间动态精密测量需求。

实施例3

下面结合具体的实验对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

采用直线导轨进行动态测量精度验证，光电接收器随直线导轨进行直线运动，利用运动过程中连续测量得到的光电接收器三维坐标拟合空间直线，以直线度误差作为精度评价指标。直线导轨自身直线度由某型号激光干涉仪测量得到，导轨直线度优于0.05mm。设置不同的导轨运动速度，实验结果如下所示：

由实验结果可知：误差补偿前，随着导轨运动速度的增加，直线度误差表现出增大的趋势，与误差模型及仿真结果一致。经过扫描角误差补偿后，不同运动速度下的直线度误差相近，动态测量精度趋近于同等测量环境下的静态测量精度，表明扫描角误差模型准确，所提出的补偿方法在不同的运动速度下均能够较好地补偿动态测量误差，显著提高动态测量精度。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

获取N台激光发射站间的旋转矩阵和平移矩阵，将光电接收器放置在被测目标上并跟随目标运动，运动中确保光电接收器能接收至少两台激光发射站的光信号；

连续测量两次光电接收器坐标，并记录两次坐标测量全局时刻，并计算运动速度；

从第k>2次测量开始，以所有发射站测量得到的原始扫描角为观测信息，得到补偿前的光电接收器坐标，以所有发射站扫描角中最早的同步光时刻作为全局基准时刻，以光电接收器坐标和运动速度为参量建立扫描角的动态误差运动学模型；

依据误差运动学模型对第k次测量中的原始扫描角进行动态误差补偿，得到补偿后的扫描角；

利用补偿后的扫描角重新解算得到补偿后的光电接收器坐标，并结合光电接收器坐标计算第k次运动速度；

其中，所述以光电接收器坐标和运动速度为参量建立扫描角的动态误差运动学模型具体为：

1)将接收器运动速度在发射站局部坐标系下分解为水平运动和竖直运动；

2)采用先分解后整合的误差建模方法，利用发射站和接收器位置关系将水平运动分解为切向速度和径向速度；

3)设平面z＝z_p与激光器扫过接收器时的光平面相交于l，

过(0,0,z_p)向交线l做垂线，则O'_p为接收器所在位置处的瞬时旋转中心，^kPO'_p为等效旋转半径，测角误差表示为^kt_global至/>时间内接收器运动距离与旋转半径之比；

4)考虑竖直运动v_ver，接收器在^kt_global至时间内由^kP运动至^kP'，过^kP做交线l的垂线^kPB，获取光平面与发射站局部坐标系的Z轴夹角，将测角误差表示为^kt_global至/>时间内接收器运动距离与旋转半径之比/>

5)将和/>进行叠加得到速度为^k-1v＝[v_x v_y v_z]^T时的测角误差补偿值。

2.根据权利要求1所述的一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，其特征在于，所述动态误差运动学模型的表达式为：

其中，^kv＝[v_x v_y v_z]^T。

3.根据权利要求2所述的一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，其特征在于，

所述补偿后的扫描角为：

所述第k次运动速度为：

其中，为扫描角；^kp_compensated为补偿之后的^kp坐标；^kt_global为与^kp点对应的全局基准时间。

4.根据权利要求1所述的一种工作空间测量定位系统动态误差建模与自主补偿方法，其特征在于，所述方法的动态测量精度大于0.18mm。