一种组合式空间位姿精密动态测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开组合式空间位姿精密动态测量装置及方法，装置包括惯性测量单元、全站仪测量单元以及分别与数据采集处理单元连接，数据采集处理单元与计算机连接。惯性测量单元测出目标固联体加速度、角速度，全站仪测量计算出目标固连体位姿，通过数据采集处理单元发送给计算机，计算机根据全站仪数据到达时刻、测量时滞和惯性测量解算原理，采用时间回溯算法和ＫＡＬＭＡＮ滤波，融合处理两种数据，消除全站仪测量时滞，解算出最优估计的目标固联体位置和姿态。本发明专利技术提高了现有全站仪测量系统的稳定性和实时位姿测量精度，丰富现有动态跟踪测量系统的测量输出信息，满足了大型装置对大尺度空间的高精度、高采样率、长时间运行的实时测量需求。

Combined type space position and orientation precise dynamic measuring device and method

The invention discloses a combination device and method for measuring precision dynamic spatial position, device includes inertial measurement unit, measurement unit and data acquisition and processing unit are respectively connected, data acquisition and processing unit connected with computer. The inertial measurement unit to measure object solid body acceleration and angular velocity, total station measurement and calculate the target solid conjoined position, through the data acquisition and processing unit and sent to the computer, the computer according to the total station data arrival time, measurement delay and inertial measurement solution principle, using time backtracking algorithm and KALMAN filtering, fusion of two kinds of data elimination total station measurement delay is calculated, the optimal estimation of the target solid body position and attitude. The invention improves the stability of the existing measurement system of total station and real-time pose measurement accuracy, measurement of output information to enrich the existing dynamic tracking measurement system, to meet the requirements of high precision, real-time measurement of large scale space for large scale high sampling rate and long time operation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于大尺度(超过300米)精密测量
，涉及一种空 间位姿精密动态测量技术。
技术介绍
精密测量技术和装置是先进制造主要支撑技术之一，体现国家工业 与科技水平。国民经济和先进制造的不断发展对精密测量提出新的要求， 因此提高精密测量水平对提高我国先进制造能力，促进国民经济发展具 有重要意义。针对大尺度(达到300米)空间的高精度、高采样率、长 时间运行的实时测量问题，还没有哪一种技术具有绝对的竞争优势。目 前，可选技术主要包括全球定位系统(GPS)、惯性测量技术(IPS)和 全站仪测量技术(TS)。综合评价各具优势和不足。GPS具有全天候、速度快、精度高、点间相互不用通视等优点。也 有受美国控制制约、要求视空条件好、周围不能有强功率发射电台等限 制。测量速度和精度可达到20Hz， lcm。60年代以来，随着激光的出现，激光陀螺和光纤陀螺问世，以其优 良的性能受到关注，迅速进入惯性测量领域。惯性测量元件的发展，为 惯性测量装置和技术的发展奠定了良好的基础。惯性测量单元仅依靠惯 性装置本身就能在目标固联体内部独立地完成测量任务，具有高度的自 主性，不受测量范围限制，采样率高给出近似连续的测量数据，能提供 速度、加速度等丰富的动态测量信息。由于惯性测量单元具有高度自主 性，不从外部获得信息进行校准，单独采用惯性单元进行测量时会使得 定位定向误差发生累积，其定位误差随测量时间增加而变大，无法进行 长时间连续工作。有着"测量机器人"之称的全站仪测量技术测程大、价格低、环境适 应能力强，静态测量精度高(测角精度可达到0.5"，静态测距精度5lmm+lppm)，但动态测量能力较弱。随着全站仪技术的发展，功能的 不断完善，全站仪已能进行自动识别、锁定和跟踪。尽管全站仪测量系 统实现了动态跟踪测量和智能化，但仍存在时滞和采样率低(5Hz)等问 题，尤其存在较大的测量时滞，对动态测量精度造成很大的影响。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术针对大型装置对大尺度空间的高 精度、高采样率、长时间运行的实时测量需求，提出一种组合式空间位 姿精密动态测量装置及方法。为达成所述目的，本专利技术组合式空间位姿精密动态测量装置，该系 统包括惯性测量单元、全站仪测量单元、数据采集处理单元以及计算机; 惯性测量单元和全站仪测量单元分别与数据采集处理单元相连接，惯性 测量单元输出目标固连体角速度和加速度信息；全站仪测量单元输出对 应目标固连体上靶标的位置信息；数据采集处理单元分别与惯性测量单 元和全站仪测量单元相连接，数据采集处理单元接收、存储并输出目标 固连体角速度和加速度信息和目标固连体上靶标的位置信息；计算机与 数据采集处理单元相连接，用于将角速度和加速度信息和靶标的位置信 息进行数据融合处理，并输出目标固连体的位置和姿态。其中惯性测量单元是用于目标固连体全位姿测量所需的按平台式或 捷联式工作方式工作的惯性仪表组。其中全站仪测量单元包括全站仪群和靶标组，每个全站仪与对应 的靶标非接触连接，靶标组接收并反射所述全站仪群发射的信号。其中计算机的数据融合处理，采用时间回溯算法修正消除全站仪测 量单元实时动态跟踪测量的时滞，融合处理惯性测量单元和全站仪测量 单元的测量数据，计算出目标固连体在全局坐标系的位置和姿态信息。为达成所述目的，本专利技术组合式空间位姿精密动态测量方法，包括 如下步骤步骤S1:设备启动并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段； 步骤S2:自检和标定确定各靶标在目标固连体坐标系内坐标；惯性测量单元平台坐标系与目标固连体坐标系之间的变换关系；全站仪群 间的位置关系，定义全局坐标系；测量得到全站仪组时滞参数；步骤S3:惯性测量单元测出目标固联体加速度、角速度在其敏感轴 上的输出值，通过平台坐标系与目标固连体坐标系的相应坐标变换得到 目标固连坐标系内的加速度和角速度值，发送给数据采集处理单元；步骤S4:各全站仪测量计算出对应耙标在全站仪坐标系内的坐标信 息，通过坐标转换得到目标固连体上各靶标在全局坐标系下的坐标值， 发送给数据采集处理单元；步骤S5:数据采集处理单元接收、存储惯性测量单元发送来的目标 固连体的加速度和角速度值和全站仪测量单元发送来的各靶标在全局坐 标系下的坐标值，记录数据的同时记录数据到达时刻，并根据计算机单 元需求转发相应的数据；步骤S6:判断全站仪数据是否更新到达，如果全站仪数据到达后，则执行步骤S7，如果全站仪数据没有到达，则执行步骤S8;步骤S7:根据全站仪测量数据解算目标固联体位置和姿态；根据全站仪时滞参数，在计算机记录的惯性测量单元测量的数据序列中寻找起算时间点；更新时间回溯时刻并初始化解算参数；作为参数输入下一步 的解算程序中；步骤S8:计算机单元根据惯性测量解算原理，以步骤S7回溯的时 刻为数据处理的时间起算点，全站仪测量单元更新的数据为初始参数,解 算出目标固联体位置和姿态；步骤S9: KALMAN滤波器分别将步骤S2、步骤S7、步骤S8各 步计算出的参数数据，和步骤S3、步骤S4所测原始数据，作为卡尔曼 滤波算法的系统信息和测量信息，通过对误差进行最优估计修正，从而 计算出目标固连坐标系相对于全局坐标系的位置和姿态信息，输出最优 位姿值；步骤S10:判断是否收到测量结束指令，如无收到，继续执行步骤6 进行测量。其中，所述各靶标在目标固连体坐标系内坐标，是预先标定出靶标 与目标固联体之间的几何位置尺寸关系，定义目标固连体坐标系，从而 得到各靶标在目标固连体坐标系内坐标；其中，所述惯性测量单元平台坐标系与目标固连体坐标系之间的变换关系是预先标定出惯性测量单元所构成的平台坐标系与目标固联体 坐标系之间的几何位置和尺寸关系，从而得到平台坐标系与目标固连体 坐标系之间的变换关系。其中，所述全局坐标系是预先标定出全站仪群之间的位置关系， 定义全局坐标系，从而得到各全站仪自身坐标系与全局坐标系之间的变 换关系以及目标固连体坐标系相对全局坐标系的初始状态。其中，所述全站仪组时滞参数是利用目标固连体运行一理论轨迹， 同时用全站仪群进行测量，用测量数据与理论数据进行相关处理得到全 站仪组时滞参数。其中，所述数据融合处理，是根据全站仪实时动态跟踪测量时存在 的时滞，采用时间回溯算法，当全站仪位姿修正数据到达时，将惯性测 量数据回溯到全站仪测量数据的真实时间点，以该时间点作为数据处理 起算点，以全站仪到达数据作为起算初始参数，用于消除时滞，从而计 算出目标固连体在全局坐标系的位置和姿态信息。本专利技术的技术效果或优点在全站仪测量系统中引入惯性自主测量 方法提高测量质量，由陀螺与加速度计实时测量出被测目标的角速度与 加速度，再通过积分分别给出姿态和位置信息。由全站仪每隔一段时间 给出修正信号，采用时间回溯算法修正时滞。充分发挥全站仪测量和惯 性测量各自的优势，相互补充。本专利技术两种技术融合测量的优势如下1、 测程达到全站仪测程，达到100米到1000米以上。2、 得益于惯性测量优势提高了采样率，得到近似连续信号。3、 利用惯性测量优势直接提供速度、加速度动态信息。4、 惯性测量单元与全站仪测量单元优势互补，采用时间回溯算法修 正全站仪测量单元时滞，使组合测量单元测量精度超过全站仪动态测量 精度，达到全站仪静态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合式空间位姿精密动态测量装置，其特征在于，该系统包括惯性测量单元、全站仪测量单元、数据采集处理单元以及计算机；　惯性测量单元和全站仪测量单元分别与数据采集处理单元相连接，惯性测量单元输出目标固连体角速度和加速度信息；全站仪测量单 元输出对应目标固连体上靶标的位置信息；　数据采集处理单元分别与惯性测量单元和全站仪测量单元相连接，数据采集处理单元接收、存储并输出目标固连体角速度和加速度信息和目标固连体上靶标的位置信息；　计算机与数据采集处理单元相连接，用于将 角速度和加速度信息和靶标的位置信息进行数据融合处理，并输出目标固连体的位置和姿态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽春，南仁东，王启明，蒋志乾，胡金文，翟学兵，张志伟，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]