CN218455443U - 激光跟踪仪姿态测量校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光跟踪仪姿态测量校准装置。该装置包括姿态测量靶标和二维精密转台；所述二维精密转台包括转台主体、俯仰轴和横滚轴，所述俯仰轴转动连接于所述转台主体的上方，所述横滚轴的一端转动连接于所述俯仰轴，所述姿态测量靶标连接于所述横滚轴的另一端；所述横滚轴和所述俯仰轴沿轴向相互垂直。本实用新型有效地降低了精密转台的设计要求，降低了制造成本，减少了转台的误差传递链，并提高了二维精密转台的测量精度和稳定性。

Description

激光跟踪仪姿态测量校准装置

技术领域

本实用新型涉及几何测量测试技术领域，尤其涉及一种激光跟踪仪姿态测量校准装置。

背景技术

激光跟踪仪是一种高端通用的超大尺寸空间几何精密测量仪器，其测量精度是大型零部件空间位姿测量的前提，而如何准确校准仪器的测量精度是保证大型高端装备制造质量的关键。

对此，在相关技术例如专利号为CN213874338U的专利中，利用三维转台构建了姿态校准装置，然而三维转台的缺陷包括加工成本高、制造周期长、体积大、误差源多，再加上多轴之间的正交性很难实现高精度装配。此外，复杂的转台三轴联动的伺服控制会产生多轴运动机构的振动传递，进而导致转台的稳定性下降。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种激光跟踪仪姿态测量校准装置。

基于上述目的，本实用新型提供了一种激光跟踪仪姿态测量校准装置，包括：

姿态测量靶标和二维精密转台；所述二维精密转台包括转台主体、俯仰轴和横滚轴，所述俯仰轴转动连接于所述转台主体的上方，所述横滚轴的一端转动连接于所述俯仰轴，所述姿态测量靶标连接于所述横滚轴的另一端；所述横滚轴和所述俯仰轴沿轴向相互垂直。

可选地，所述姿态测量靶标包括连接平面、第一部分和第二部分以及设置在所述第一部分和第二部分之间的中间部位；所述中间部位的高度大于所述第一部分和所述第二部分的高度；所述连接平面通过螺栓固定连接于所述第一部分和所述第二部分。

可选地，所述第一部分、所述第二部分和所述中间部位设有光源标志点，所述中间部位还设有角锥棱镜。

可选地，所述连接平面固定连接于所述横滚轴的另一端。

可选地，所述转台主体呈长方体结构。

可选地，所述转台主体的中间部分设有镂空结构。

可选地，所述光源标志点由发光二极管构成。

可选地，所述光源标志点大于等于4个。

可选地，所述俯仰轴的长度和所述转台主体的长度相适应。

可选地，所述横滚轴位于所述俯仰轴的中间位置。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的一种激光跟踪仪姿态测量校准装置，利用二维精密转台自身的俯仰轴和横滚轴，通过将姿态测量靶标的位置进行旋转，实现了三维方向的姿态角测量。该技术方案有效降低了精密转台的设计要求和制造成本，减少了转台的误差传递链，进而提高了转台的测量精度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准装置示意图；

图2为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准装置的侧面结构示意图；

图3为本实用新型实施例的激光跟踪仪示意图；

图4为本实用新型实施例的激光跟踪仪姿态测量校准示意图；

图5为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法流程图；

图6为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中通过调整所述二维精密转台带动所述姿态测量靶标转动，实现所述激光跟踪仪的姿态角测量，计算测量误差流程图；

图7为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述俯仰角，并计算所述俯仰角的测量误差流程图；

图8为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述方位角，并计算所述方位角的测量误差流程图；

图9为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述横滚角方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述横滚角，并计算所述横滚角的测量误差流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本实用新型实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

随着制造业的发展，用于工业制造的测量精度的标准也随之提高。从实现三维坐标测量到六自由度测量，再到高精度六自由度测量，大型高端装备精密制造与装配对空间位姿精准测量的精度提出了越来越高的要求。激光跟踪仪是一种高端通用的超大尺寸空间几何量精密测量仪器，仪器采用高精度测距测角技术、精密激光跟踪技术、视觉姿态测量技术实现空间动态目标的实时跟踪与高精度位姿测量，不仅可对大型零部件几何尺寸和形位误差进行高精度三维测量，还可以实现被测目标工件的三维姿态测量，可为大型零部件的装配和检验提供测量基准。

激光跟踪仪主要由仪器主机、电控箱、姿态测量靶标、移动式工作站等部件组成。其中，仪器主机为整个测量系统硬件的核心部件，内部包含激光测距单元、跟踪探测单元、姿态测量相机、二维跟踪转台等关键单元；姿态测量靶标包含角锥棱镜、主动发光的发光二极管(LED)光源标志点。仪器主机发射出的测量光束射向姿态测量靶标的角锥棱镜中心，姿态测量靶标将入射光束原路返回，其中一部分光束返回到激光测距单元中进行高精度激光测距，另一部分光束返回到跟踪探测单元中，经过探测处理电路实时解算得到激光偏离靶标角锥棱镜中心的两维脱靶量；电控箱通过获取的距离与脱靶量参数，控制二维跟踪转台横竖轴电机进行两维旋转，改变进入靶标角锥棱镜中心的光束方向，实现对靶标的实时跟踪；在对姿态测量靶标进行跟踪过程中，一方面，激光测距单元测量仪器主机到靶标之间的距离，二维跟踪转台的测角系统测量光束的空间指向角度，基于极坐标计算公式，解算得到靶标的空间三维位置坐标(X,Y,Z)；另一方面，姿态测量相机基于单目视觉姿态测量原理，通过获取靶标上主动发光LED光源标志点的位置信息，解算得到靶标的空间三维姿态角度(α,β,γ)，并通过移动工作站实时输出测量结果，从而实现目标的六自由度测量。

激光跟踪仪的测量精度是大型零部件空间位姿测量的前提，而如何准确校准仪器的测量精度是保证大型高端装备制造质量的关键。目前激光跟踪仪的三维空间位置测量校准已经有《GJB/J6201-2015大尺寸测量系统-激光跟踪仪校准规范》和《JJF 1242-2010激光跟踪三维坐标测量系统校准规范》等标准可以借鉴，但在姿态测量校准方面还没有相关标准出现。

在相关技术中，利用三维转台构建姿态校准装置，将反射器连接于转台的转盘之上，转盘带动反射器进行三轴旋转，通过直接比对转台三轴方向的旋转角与反射器姿态测量角，实现反射器的姿态角示值误差校准，然而三维转台的缺陷包括加工成本高、制造周期长、体积大、误差源多，再加上多轴之间的正交性很难实现高精度装配。此外，复杂的转台三轴联动的伺服控制会产生多轴运动机构的振动传递，进而导致转台的稳定性下降。

针对上述问题，本实用新型实施例提供了一种激光跟踪仪姿态测量校准装置，基于二维精密转台自身的俯仰轴和横滚轴，将姿态测量靶标固定在二维精密转台的横滚轴上，利用俯仰轴和横滚轴实现激光跟踪仪的俯仰与横滚方向的姿态角测试，其中，姿态角包括俯仰角、横滚角和方位角，同时通过在横滚方向将姿态测量靶标旋转90°，将姿态测量靶标的俯仰与水平反向进行置换，实现激光跟踪仪的水平方向的姿态角测试，从而完成激光跟踪仪的三维姿态测量校准。该装置巧妙地利用了转台的横滚特性，通过将姿态测量靶标的位置进行旋转，采用二维转台实现三维方向的姿态角测量，有效降低了精密转台的设计要求和制造成本，减少了转台的误差传递链，进而提高了转台的测量精度和稳定性。

结合图1和图2，图1为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准装置示意图；图2为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准装置的侧面结构示意图。本实用新型实施例提供的姿态测量校准装置可以包括姿态测量靶标1和二维精密转台2。姿态测量靶标1可以包括连接平面16、第一部分11、第二部分12和设置在第一部分11和第二部分12之间的中间部位13。二维精密转台2可以包括俯仰轴21、转台主体22和横滚轴23。

具体地，俯仰轴21转动连接于转台主体22的上方，横滚轴23的一端转动连接于俯仰轴21，姿态测量靶标1通过连接平面16固定连接于横滚轴23的另一端，连接平面16通过螺栓固定连接于第一部分11和第二部分12。横滚轴23和俯仰轴21沿轴向相互垂直。中间部位13的高度可以大于第一部分11和第二部分12的高度。转台主体22可以是长方体结构。俯仰轴21的长度和转台主体22的长度相适应。横滚轴23可以位于俯仰轴21的中间位置。连接平面16固定连接于横滚轴23。

进一步地，第一部分11、第二部分12和中间部位13可以包括光源标志点14，中间部位13还可以包括角锥棱镜15。转台主体22的中间部分设有镂空结构。

具体地，光源标志点14可以是主动发光的LED且数量大于等于4个。光源标志点14均匀分布在第一部分11、第二部分12和中间部位13上。角锥棱镜15位于中间部位13的中心位置。

在一些实施例中，如图1所示，俯仰轴21可以带动姿态测量靶标1在俯仰方向上转动，实现俯仰角和横滚角的测量。

在一些实施例中，如图2所示，横滚轴23可以带动姿态测量靶标1旋转90°，再通过俯仰轴21带动旋转90°后的姿态测量靶标1转动，实现方位角的测量。

图3为本实用新型实施例的激光跟踪仪示意图。

如图3所示，激光跟踪仪3可以包括仪器俯仰轴31、激光跟踪头32和仪器主机33。

具体地，仪器俯仰轴31转动连接于仪器主机33，激光跟踪头32转动连接于仪器俯仰轴31。激光跟踪头32的中心位置用于发射测量光束。

图5为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法流程图，包括：

S501：将激光跟踪仪和所述二维精密转台相对放置。

图4为本实用新型实施例的激光跟踪仪姿态测量校准示意图，如图4所示，姿态测量校准装置放置于姿态角精度测试平台4上，激光跟踪仪3和姿态测量校准装置的二维精密转台2相对放置。

在一些实施例中，二维精密转台2可以放置于距离仪器主机33的3m左右位置处，同时使姿态测量靶标1、二维精密转台2和激光跟踪仪3的坐标系相互平行。

S502：调整所述激光跟踪仪，使所述激光跟踪头发射出的测量光束射向所述姿态测量靶标的中心。

如图4所示，测量光束从激光跟踪头32的中心位置射向位于姿态测量靶标1中心位置的角锥棱镜15。测量光束通过角锥棱镜15返回激光跟踪头32，并通过仪器主机33获取目标物的姿态信息。

在一些实施例中，仪器主机33可以通过解决三维与二维点对之间位姿问题的方法(Perspective-n-Point，PNP)获取目标物在第一坐标系中的姿态信息，其中，第一坐标系为激光跟踪仪3的自身坐标系。

S503：通过调整所述二维精密转台带动所述姿态测量靶标转动，实现所述激光跟踪仪的姿态角测量，计算测量误差。

在一些实施例中，二维精密转台可以通过上位机软件控制，在俯仰与横滚方向上进行转动并提供角度转动信息，可用于与第一坐标系中的姿态信息进行比对。

需要说明的是，在进行测量校准前，需检验激光跟踪仪的姿态角测量重复性精度。具体地，通过激光跟踪仪对固定位置的姿态测量靶标进行多次测量，得到靶标的俯仰角、方位角和横滚角的测量数据，根据测量数据计算标准差，以检验激光跟踪仪的姿态角测量重复性精度。

在本步骤中，具体地，如图6所示，为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中通过调整所述二维精密转台带动所述姿态测量靶标转动，实现所述激光跟踪仪的姿态角测量，计算测量误差流程图。

S601：控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述俯仰角，并计算所述俯仰角的测量误差。

具体地，如图7所示，为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述俯仰角，并计算所述俯仰角的测量误差流程图。

S701：使所述姿态测量靶标、所述二维精密转台和所述激光跟踪仪的自身坐标系相互平行。

在进行姿态角测量之前，需对测量校准装置进行复位操作，调整使姿态测量靶标、二维精密转台和激光跟踪仪的自身坐标系相互平行。

S702：记录所述二维精密转台的初始俯仰角，并测量所述姿态测量靶标的初始零位俯仰角。

在一些实施例中，可以将二维精密转台的初始俯仰角记为θ₀，将测量到的姿态测量靶标的初始零位俯仰角记为α₀。

S703：以所述初始俯仰角和所述初始零位俯仰角为基准，调整所述二维精密转台的参数，以5°为步长，在±30°范围内取俯仰角测量点。

S704：记录所述二维精密转台计量的俯仰角，将所述二维精密转台计量的俯仰角作为所述二维精密转台转动的标准俯仰角度，同时测量所述俯仰角测量点的所述俯仰角。

S705：根据所述俯仰角和所述标准俯仰角度计算所述俯仰角的测量误差。

在一些实施例中，控制二维精密转台的俯仰轴带动姿态测量靶标转动，以5°为步长，在±30°范围内进行12次测量，取12个测量点，记录对应各点激光跟踪仪测量的俯仰角和二维精密转台计量的俯仰角，计算俯仰角的测量误差Δα_i，计算公式为：

Δα_i＝(α_i-α_i-1)-(θ_i-θ_i-1)

其中，α_i为激光跟踪仪测量的俯仰角度，单位为度；θ_i为二维精密转台转动的标准俯仰角度，θ_i＝±5°，±10°，...±30°；i为测量点个数，i＝1，2，3...12。

S602：控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述方位角，并计算所述方位角的测量误差。

具体地，如图8所示，为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述俯仰轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述方位角，并计算所述方位角的测量误差流程图。

S801：使所述姿态测量靶标、所述二维精密转台和所述激光跟踪仪的自身坐标系相互平行。

本步骤与前述步骤S701具有相同的作用，在此不再赘述。

S802：调整所述二维精密转台在横滚轴方向带动所述姿态测量靶标旋转90°。

S803：记录所述二维精密转台的初始俯仰角，并测量所述姿态测量靶标的初始零位俯仰角。

本步骤与前述步骤S702中的所述实施例方法相同，在此不再赘述。

S804：以所述初始俯仰角和所述初始零位俯仰角为基准，调整所述二维精密转台的参数，以5°为步长，在±30°范围内取方位角测量点。

S805：记录所述二维精密转台计量的俯仰角，将所述二维精密转台计量的俯仰角作为所述二维精密转台转动的标准俯仰角度，同时测量所述方位角测量点的所述方位角。

S806：根据所述方位角和所述标准俯仰角度计算所述方位角的测量误差。

通过将姿态测量靶标旋转90°，再使俯仰轴带动靶标在俯仰轴方向上转动，以实现方位角的测量。

在一些实施例中，控制二维精密转台的横滚轴带动姿态测量靶标转动在横滚轴方向旋转90°后，再通过通过俯仰轴带动姿态测量靶标，以5°为步长，在±30°范围内进行12次测量，取12个测量点，记录对应各点激光跟踪仪测量的方位角和二维精密转台计量的俯仰角，计算方位角的测量误差Δβ_i，计算公式为：

Δβ_i＝(β_i-β_i-1)-(θ_i-θ_i-1)

其中，β_i为激光跟踪仪测量的方位角度，单位为度；θ_i为二维精密转台转动的标准俯仰角度，θ_i＝±5°，±10°，...±30°；i为测量点个数，i＝1，2，3...12。

S603：控制所述二维精密转台在所述横滚轴方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述横滚角，并计算所述横滚角的测量误差。

具体地，如图9所示，为本实用新型实施例的一种激光跟踪仪姿态测量校准方法中控制所述二维精密转台在所述横滚角方向带动所述姿态测量靶标转动，用所述激光跟踪仪测量所述横滚角，并计算所述横滚角的测量误差流程图。

S901：使所述姿态测量靶标、所述二维精密转台和所述激光跟踪仪的自身坐标系相互平行。

本步骤与前述步骤S701和S801具有相同的作用，在此不再赘述。

S902：记录所述二维精密转台的初始横滚角，并测量所述姿态测量靶标的初始零位横滚角。

在一些实施例中，可以将二维精密转台的初始横滚角记为Φ₀，将测量到的姿态测量靶标的初始零位横滚角记为γ₀。

S903：以所述初始横滚角和所述初始零位横滚角为基准，调整所述二维精密转台的参数，以30°为步长，在±360°范围内取横滚角测量点。

S904：记录所述二维精密转台计量的横滚角，将所述二维精密转台计量的横滚角作为所述二维精密转台的标准横滚角度，同时测量所述横滚角测量点的所述横滚角。

S905：根据所述横滚角和所述标准横滚角计算所述横滚角的测量误差。

在一些实施例中，控制二维精密转台的横滚轴带动姿态测量靶标转动，以30°为步长，在±360°范围内进行12次测量，取12个测量点，记录对应各点激光跟踪仪测量的横滚角和二维精密转台计量的横滚角，计算横滚角的测量误差Δγ_i，计算公式为：

Δγ_i＝(γi-γ_i-1)-(Φ_i-Φ_i-1)

其中，γ_i为激光跟踪仪测量的横滚角度，单位为度；Φ_i为二维精密转台转动的标准横滚角度，Φ_i＝±30°，±60°，...±180°；i为测量点个数，i＝1，2，3...12。

S504：根据所述测量误差计算所述姿态角的测量精度，完成所述激光跟踪仪的姿态测量校准。

计算俯仰角、方位角和横滚角的均方根误差，将均方根误差记为激光跟踪仪俯仰角、方位角和横滚角的测量精度。

在一些实施例中，俯仰角、方位角和横滚角的均方根误差计算公式分别为：

其中，Δα_max为激光跟踪仪测量的最大俯仰角误差；Δβ_max为激光跟踪仪测量的最大方位角误差；Δγ_max为激光跟踪仪测量的最大横滚角误差；i为测量点个数，i＝1，2，3...12。

本实用新型实施例提供了一种激光跟踪仪姿态测量校准装置，该装置能够通过二维精密转台实现激光跟踪仪的三维姿态测量校准，有效地降低了精密转台的设计要求，降低了制造成本，减少了转台的误差传递链，并提高了二维精密转台的测量精度和稳定性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本实用新型的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光跟踪仪姿态测量校准装置，其特征在于，包括姿态测量靶标和二维精密转台；所述二维精密转台包括转台主体、俯仰轴和横滚轴，所述俯仰轴转动连接于所述转台主体的上方，所述横滚轴的一端转动连接于所述俯仰轴，所述姿态测量靶标连接于所述横滚轴的另一端；所述横滚轴和所述俯仰轴沿轴向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述姿态测量靶标包括连接平面、第一部分和第二部分以及设置在所述第一部分和第二部分之间的中间部位；所述中间部位的高度大于所述第一部分和所述第二部分的高度；所述连接平面通过螺栓固定连接于所述第一部分和所述第二部分。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一部分、所述第二部分和所述中间部位设有光源标志点，所述中间部位还设有角锥棱镜。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接平面固定连接于所述横滚轴的另一端。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转台主体呈长方体结构。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转台主体的中间部分设有镂空结构。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光源标志点由发光二极管构成。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光源标志点大于等于4个。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述俯仰轴的长度和所述转台主体的长度相适应。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横滚轴位于所述俯仰轴的中间位置。

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