一种测量物体六维位姿的装置，由激光跟踪仪、接收器、计算处理单元和至少一个小型激光发射器组成，计算处理单元与激光跟踪仪固装在地面上；接收器安在待测运动物体上；激光跟踪仪和接收器与计算处理单元通讯，小型激光发射器安装在激光跟踪仪上；激光跟踪仪的水平转角和俯仰转角可控，上面安装有激光测距仪；激光测距仪和小型激光发射器分别投射激光到接收器的投射面板上。激光跟踪仪获得接收器的三维位置，计算处理单元根据激光跟踪仪的方位角和投射面板上的激光光斑图像数据求解接收器相对于地面固定坐标系的三维姿态。本发明专利技术可以连续测量在较大空间中运动的物体或者静止的物体，精度高、测量速度快、成本低和便于布置，可以替代昂贵的六维位姿测量激光跟踪仪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及较大空间中物体六维位姿的测量技术，具体地说是一种利用激光跟踪仪实现三维坐标测量，利用激光束在接收器上生成光斑并通过近距离图像处理技术和并联 测量原理实现物体三维姿态测量的装置。该可以广泛应用于需要测量物体六维位姿的场 合，既可以测量静止物体，也可以测量运动物体，可以替代昂贵的六维位姿测量激光跟踪 仪。
技术介绍
对运动物体的三维位置(x， y， z)和三维姿态(a ， |3 ， Y )进行高精度的测量在工 业界有着广泛的需求。 为了测量在大范围运动的物体的六维位姿，通常采用全局定位系统。根据测量精 度的高低，全局定位系统可以分为激光跟踪仪、室内GPS、基于激光导航方法的装置、基于激 光信标方法的装置和基于视觉处理的装置。其中基于激光跟踪仪的装置具有精度高、测量 速度快、能测量运动物体等优点，因此应用最为广泛。 激光跟踪仪和激光全站仪都采用经纬仪测量接受器(通常也称为靶标)的方位 角(通常是水平转角和俯仰转角)，而采用测距仪测量接收器与经纬仪基准点之间的距离， 并将接收器的球坐标转换为笛卡儿坐标系中的三维坐标。其中经纬仪的静态测角精度一般 可以达到1 〃量级(约等效于空间综合精度4. 85卯m，其中lppm = 1 y m/m)，而测距仪的测 距精度根据测距技术的不同有较大差别。激光跟踪仪通常采用内置的激光位移干涉仪(英 文简称IFM)来测距，测量方式为增量式测量，测距精度在50m以内可以达到±0. 5ppm量 级，具有采样频率高和测量精度非常高的显著优点，但是装置十分昂贵。美国Optodyne公 司采用激光多普勒测距仪(英文简称LDDM)进行测距，测量方式也是增量式测量，测距精度 在50m以内可以达到± lppm量级。激光全站仪相当于低端的激光跟踪仪，大部分采用激光 绝对距离测量(英文简称A匿)仪器来测距，测量方式通常是间接测尺频率方式(例如差 频测相法)，调制方式通常采用激光波幅调制，高端的激光全站仪的测距精度在100m以内 可以达到±0. 2mm，测量范围可以达到lkm，在全量程范围内测距精度达到士lmm+2卯m;而 美国NASA的一项新技术采用偏振角调制方式，测距精度与激光多普勒测距仪的性能较接 近。测距仪还可以采用飞行时间原理测距，例如Leica公司的Disto测距仪在50m以内的 测距精度可以达到士2mm，美国Automated Precision Inc.(以下简称为API)公司提出的 R印etitive-Time-of-Flight技术的测距精度甚至可以达到2. 5卯m士25iim。测距仪还可 以是采用三角法测距的激光结构光位置传感器，通常用于量程在1000mm以内的高精度测 量，例如日本Keyence公司的LK_G系列激光位移传感器的重复精度可达到2 y m以下；这类 测距仪通常被安装在一个或多个旋转轴上组成激光扫描仪。为了简化论述，下面将经纬仪、 两自由度转台和其他类似的指向装置统称为经纬仪，将激光跟踪仪、激光全站仪、激光扫描 仪和其他类似的二维或三维坐标测量设备统称为激光跟踪仪。 激光跟踪仪通常只用于测量接受器的三维坐标，接受器通常采用反射球形式，反射球里面包括使激光后向反射的角锥棱镜，而且角锥棱镜的定点与球心重合。如果进行六 维位姿测量则需要专用的六维位姿测量激光跟踪仪。 美国API公司的专利Three and five axis laser tracking systems(美 国专利号US4714339)最早提出将激光跟踪仪用于五维位姿测量，采用一种同时让激光部 分反射和部分透射的平面式靶标，耙标安装在两自由度转台上，根据透射光线的落点信息 来控制两自由度转台，以保持靶标平面与入射激光垂直，根据两自由度转台的转角获得 靶标的俯仰(Pitch)和偏转(Yaw)两维位姿，但是不能获得靶标相对激光束的滚动转角 (Roll)。虽然在数控机床和测量机的精密标定中存在多种六维位姿测量技术，例如美国专 利US5056921、 US5064289和US5363196等，但是这些技术都需要辅助器件，因此无法应用 于f敛光足艮踪仪。API公司的专利Five—axis, six—axis lasermeasuring system(美国 专利号US 6049377)等提出一种新的靶标，通过分光镜将入射激光分成两束， 一束通过类 似US4714339的方案进行测距，并控制两自由度转台使靶标平面与入射激光垂直，另一束 通过偏振分光镜，获得两束偏振光，根据两束偏振光的光强比例计算滚动转角。API公司的 实际产品SmartTRACK即采用了上述方案，其优点是姿态测量精度高，缺点是接收器需要配 置体积较大的两自由度转台，重量较大。API公司的专利Multi-dimensional measuring system(美国专利US7230689)提出的一种手持三维测量设备省略了两自由度转台，测量 隐藏点时由人工调整测杆姿态以使接收器与激光基本垂直，此时也可以获得接收器准确的 六维位姿，缺点是增加了调整时间。 美 国Leica公 司 专 利Method and device for determining spatial positionsand orientations(美国专利号US6667798)通过在角锥棱镜尖头处开小孔，并 在小孔后安置成像器件，通过激光在在成像器件上的斑点来测量姿态，但也不能测量滚动 转角。Leica公司专利Measurement system for determiningsix degrees of freedom of an object(美国专利号US7312862)在上述专利基础上提出三种测量滚动转角的方 案，第一种方案 是在激光跟踪仪上安装摄像头，拍摄接收器上安装的发光标记物；第二种方 案是激光跟踪仪上安装点光源并朝角锥棱镜发出散射光线，光线通过小孔后获得额外的斑 点；第三种方案是激光跟踪仪上安装激光结构光光源，并朝角锥棱镜发出扇平面光线，在接 收器上安装线阵视觉传感器，但这些方案都未见实际应用。采用角锥棱镜尖头处开小孔的 缺点是难以获得清晰的光斑图像。 瑞典Geotronics公司的专利US5229828提出利用接收器内置的双摆装置来测量接收器与重力方向的两个倾角，在激光跟踪仪上额外安装一个与测距仪轴线平行的激光发射器，其发射的光束通过接收器上的光学成像单元获得入射激光与接收器的入射角，根据两个倾角和入射角进一步计算出接收器的姿态。该方案比采用上述角锥棱镜开小孔的方案更容易获得清晰的光斑图像，但是由于光学成像单元尺寸有限，因此姿态测量范围很小，而且由于双摆装置转角的动态测量精度较低，因此整体的位姿测量精度无法提高。 Leica公司的实际产品T-Probe主要采用摄影测量学实现三维姿态测量，即在普通的激光跟踪仪上方加装高分辨率摄像机，在接受器上同时安装有角锥棱镜和多个发光标记物(例如发光二级管)，通过激光跟踪仪来获得接受器的三维坐标，而通过数字摄影测量技术来计算接受器的三维姿态。摄影测量学虽然能同时测量位置和姿态，但是其位置测量精度比激光跟踪仪低很多，因此通常只取其获得的姿态测量数值。挪威Metronor公司拥有双目摄影测量学的专利(专利号EP本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测量物体六维位姿的装置，其特征在于：由计算处理单元（１）、一个接收器（２）、一个激光跟踪仪（３）和至少一个激光发射器组成；计算处理单元与激光跟踪仪安装在固定地面上；接收器安装在待测运动物体（４）上；激光跟踪仪和接收器与计算处理单元（１）通讯，激光跟踪仪与接收器通过激光光路相连，激光发射器与接收器通过激光光路相连。
【技术特征摘要】
一种测量物体六维位姿的装置，其特征在于由计算处理单元(1)、一个接收器(2)、一个激光跟踪仪(3)和至少一个激光发射器组成；计算处理单元与激光跟踪仪安装在固定地面上；接收器安装在待测运动物体(4)上；激光跟踪仪和接收器与计算处理单元(1)通讯，激光跟踪仪与接收器通过激光光路相连，激光发射器与接收器通过激光光路相连。2. 按权利要求1所述的装置，其特征在于所述激光跟踪仪具有一个水平转动自由度 和一个俯仰转动自由度；激光跟踪仪包含控制其水平转角和俯仰转角的驱动装置，还包含 测量其水平转角和俯仰转角的转角测量装置；激光跟踪仪上安装有至少一个激光测距仪。3. 按权利要求2所述的装置，其特征在于所述激光测距仪发射出激光束，所述激光测 距仪是激光干涉仪，或是激光多普勒测距仪，或是激光绝对距离测量仪，或是激光结构光位 置传感器。4. 按权利要求l所述的装置，其特征在于所述激光发射器安装在激光跟踪仪上；所述 每个激光发射器发射出至少一条的激光束，所述激光束与激光测距仪发射的激光束平行。5. 按权利要求l所述的装置，其特征在于所述激光发射器安装在两自由度转台上；所 述每个激光发射器发射出至少一条的激光束；所述两自由度转台安装在激光跟踪仪上或固 定安装在地面上；6. 按权利要求5所述的装置，其特征在于所述两自由度转台具有一个水平转动自由 度和一个俯仰转动自由度；所述两自由度转台包括控制其水平...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗振军，田永利，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]
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