基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本发明专利技术集成了惯性测量装置与激光跟踪测量设备构成组合测量系统，发明专利技术了基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法。其中，惯性测量装置自主地以较高频率工作，不受现场环境影响，实时连续地为激光跟踪测量设备提供引导信息；同时，激光跟踪测量设备输出精确稳定的测量结果能够用来修正惯性测量装置的累积误差。本发明专利技术将两类测量方法及设备优势结合，同时弥补了对方的劣势，形成具备更佳综合性能的测量装置。

Multi target measuring method and device for laser tracking measuring device based on inertial guidance

The invention discloses a laser inertial guidance measuring equipment and device tracking multi-target measurement method based on the integrated inertial measurement unit and laser tracking measuring equipment combination measurement system, the invention of the laser inertial guidance tracking measuring equipment automatic measurement method based on multi objective. Among them, the inertial measurement unit independently at a higher frequency of work, not affected by the environmental impact, in real time for laser tracking and measuring equipment to provide guidance information; at the same time, the results of laser tracking and measuring equipment can be used to output the accurate and stable cumulative error correction of the inertial measurement unit. The invention combines the advantages of the two measuring methods and equipment, and simultaneously compensates the disadvantages of the other side, and forms a measuring device with better comprehensive performance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密测量方法与
，尤其涉及一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置。
技术介绍
数字化测量技术已广泛应用于航空、航天、船舶及桥梁隧道等多个领域中的大型部件生产及装配中，是提升产品及工程生产质量和效率的关键技术。在飞机机翼装配、运载火箭舱段对接，航天发动机安装、船舶分段合拢、桥梁隧道盾构中均有广泛应用。其中，激光跟踪测量设备，包括：激光跟踪仪，全站仪等，具有测量精度高、量程覆盖范围大(从一米至上百米)、布局灵活、操作方便及自动化程度高等优点，是目前现场应用最多的一类测量设备。该类全站式测量设备通过测量多个基准点获取目标的精确位置和姿态信息。考虑到成本、现场布局灵活性等因素，一般采用单台设备测量。激光跟踪测量设备自身不具备同时测量多个目标点的能力，需要逐个手动瞄准目标完成测量。手动瞄准速度慢，要求目标必须处于静止状态，影响测量及生产效率。针对运动目标，必须要有辅助手段及装置引导激光束快速自动瞄准多个目标。目前，该类设备主要采用视觉引导方法，通过视觉传感器测量基准点的位置，根据预先标定的视觉传感器与激光跟踪测量设备的坐标系转换关系，将基准点位置发送至伺服跟踪机构，从而实现激光束自动瞄准。但是，视觉引导方法在实际应用时具有一定局限性：第一，现场光照条件，机械运动，以及人员走动等均会形成干扰信息，导致视觉传感器的图像场景发生变化。另外，合作目标在场景图像中所占比例非常小。在复杂且不断变化的场景中准确识别出小尺寸特征对图像质量、图像预处理及特征识别和提取算法的精度和可靠性要求很高；第二，在测量现场，环境往往比较复杂，现场人员及设施，以及被测目标自身姿态变化均可能在动态跟踪过程中形成遮挡，导致视觉方法失效；第三，视觉传感器应具有较大视场才能保证目标移动过程中基准点不出视场，大视场相机标定相对困难，引导精度会受到标定精度的影响。总之，基于视觉引导的方法及装置在精度、效率、灵活性及适应性等方面尚存在诸多不足。亟需一种有效引导手段，能在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备自动对多个目标点快速逐点测量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本专利技术以惯性测量作为辅助测量手段，将惯性测量方法与激光跟踪测量方法结合，实现在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备对多个目标点自动逐点测量，详见下文描述：一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，所述方法包括以下步骤：使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。所述惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体为：根据惯性测量装置的动态模型及性能，选取合适的状态量，并建立状态方程；根据标定结果确定观测矩阵并建立观测方程；根据惯性测量装置的误差统计特性，建立系统噪声矩阵；根据激光跟踪测量设备的误差分布，建立观测噪声矩阵；激光跟踪测量设备输出测量值时，利用上述状态方程、观测方程、系统噪声矩阵及观测噪声矩阵对状态量进行最优估计，得到被测目标位姿的最优估计值；根据最优估计值得到误差系数，以此修正惯性测量装置的误差模型。一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法的测量装置，所述激光跟踪测量设备为一台激光跟踪全站式测量仪器，惯性测量装置为一个惯性测量单元或惯性位姿参考系统，包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，利用标定结果，将惯性测量单元的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪仪，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。本专利技术集成了激光跟踪测量与惯性测量两类测量方法，发挥了两者各自优势，形成综合性能更加的测量装置，具备如下有益效果：1、使激光跟踪测量设备具备了自动跟踪测量多个目标点的能力；2、使激光跟踪测量设备在环境恶劣、干扰较多，通视性条件较差的测量现场，仍然能够稳定工作，输出连续的测量结果；3、激光跟踪测量设备与惯性测量装置构成的组合式测量系统在保证精度的前提下，显著提高测量频率；4、与现有的视觉引导测量方法相比，本方法在精度、量程和效率上均有优势；涉及的装置结构简单，稳定可靠。附图说明图1为一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法的流程图；图2为本专利技术所涉及的测量装置的一个实施例的示意图；图中：101：激光跟踪仪；102：惯性测量单元；103：被测目标；104：反射靶球。图3为本专利技术所涉及的坐标系示意图；图中：201：工件坐标系；102：惯性测量装置坐标系；203：世界坐标系；204：激光跟踪测量坐标系。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。为达到上述目的，本专利技术实施例集成了惯性测量装置与激光跟踪测量设备构成组合测量系统，专利技术了基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法。其中，惯性测量装置自主地以较高频率工作，不受现场环境影响，实时连续地为激光跟踪测量设备提供引导信息；同时，激光跟踪测量设备输出精确稳定的测量结果能够用来修正惯性测量装置的累积误差。本专利技术实施例将两类测量方法及设备优势结合，同时弥补了对方的劣势，形成具备更佳综合性能的测量装置。所述基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法与装置，装置包括激光跟踪测量设备(如激光跟踪仪、全站仪等)和惯性测量装置(如惯性测量单元和惯性位姿参考系统等)。实施例111；使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；12：目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；13：惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；14：根据步骤11和12中的标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。其中，上述步骤13中的惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体为：1)根据惯性测量装置的动态模型及性能，选取合适的状态量(例如：速度、位置和姿态角及惯性测量装置的误差修正系数)，并建立状态方程；2)根据步骤11和12中的标定结果确定观测矩阵并建立观测方程；3)根据惯性测量装置的误差统计特性，建立系统噪声矩阵；4)根据激光跟踪测量设备的误差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。2.根据权利要求1所述的一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，其特征在于，所述惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差的步骤具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌辉，邾继贵，孙博，任永杰，林嘉睿，张正吉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12