一種基于wMPS的動態(tài)物體的位置姿態(tài)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動態(tài)物體測量領(lǐng)域，特別是一種基于wMPS的動態(tài)物體的位置姿態(tài)測 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工作空間測量定位系統(tǒng)（wMPS 〖workspace Measurement Positioning System)是 針對航天、航空、造船等大型制造業(yè)位置姿態(tài)測量需求及全局測量控制網(wǎng)的特點而發(fā)展起 來的一種新型多站網(wǎng)絡(luò)式室內(nèi)空間測量定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)大尺度空間整體坐標系下的高精 度自動并行測量?，F(xiàn)有技術(shù)中的工作空間測量定位系統(tǒng)（《掃描平面激光空間定位系統(tǒng)測 量網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建》所描述的工作空間測量定位系統(tǒng)）如圖1包括多個激光發(fā)射站、多個激光接 收器（接收器）、信號處理器和解算工作站，系統(tǒng)采用基于光電掃描的空間角度自動測量方 法對單個接收器進行定位，其中，激光發(fā)射站在工作時不負責解算接收器坐標，而是軸系勻 速旋轉(zhuǎn)向外發(fā)射帶有角度信息的光平面信號，為測量空間內(nèi)的接收器提供定位服務(wù)信號； 激光接收器接收光平面信號并轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給信號處理器，信號處理器以內(nèi)部晶振為 時鐘計時時間基準對發(fā)射站發(fā)出的光信號進行計時測量，并從中得到每個信號處理器自身 在每個發(fā)射站坐標系下的角度信息，角度信息在上傳給解算工作站后，通過多個發(fā)射站之 間的角度交匯關(guān)系可計算出接收器的三維坐標。在上述工作模式中，發(fā)射站單向發(fā)送信息， 連接有接收器的信號處理器以本地晶振為計時基礎(chǔ)完成計時測角，發(fā)送-接收之間采用廣 播模式不存在閉環(huán)，因此確認等待環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)全自動多點并行的高精度三維坐標測量，并 可通過增加發(fā)射站個數(shù)來達到增加量程的目的。目前，wMPS系統(tǒng)在航空航天制造現(xiàn)場等需 要多工序并行和整體精度控制的加工裝配過程中已經(jīng)獲得大量成功應(yīng)用。
[0003] 但是在如航天設(shè)備對接過程全物理仿真等動態(tài)測量應(yīng)用中，關(guān)注重點不僅包括多 個設(shè)備在全局坐標系下的任一時刻空間位置和姿態(tài)，還需要在統(tǒng)一的時間軸上重建整個運 動過程。對于wMPS系統(tǒng)而言，在靜態(tài)或準靜態(tài)（測量時處于相對靜止狀態(tài)）測量的應(yīng)用 中，被測物的空間位置和方位角度（姿態(tài)）可通過在被測物表面安裝多個（3個以上）激光 接收器以最優(yōu)化擬合算法解決被測物在全局坐標系（或wMPS坐標系）下的位置和姿態(tài)測 量。但是動態(tài)測量時，由于系統(tǒng)采用多個發(fā)射站發(fā)射旋轉(zhuǎn)光信號對空間進行空間掃描，被測 物的運動必然會引入動態(tài)誤差，影響物體位置姿態(tài)計算精度，主要包括以下方面：
[0004] (1)單個接收器接收多個發(fā)射站光信號不同步引入的坐標測量誤差，該誤差指在 物體運動過程中激光發(fā)射站光信號在不同位置先后到達單個接收器表面而引起的交會誤 差；
[0005] (2)多個接收器間的測量時刻不同步而引入的姿態(tài)測量誤差，由于被測物的空間 位置和方位角度（姿態(tài)）需要通過在被測物表面安裝多個（3個以上）接收器進行擬合測 量，多接收器間的測量時刻同步誤差主要指在物體運動過程中由于多個接收器空間坐標測 量時刻存在時間先后差異而引入的位姿測量誤差。該同步誤差主要來源于兩方面，一方面 由于發(fā)射站在掃描空間多個接收器過程中光信號到達接收器時間先后順序不同而引起的 坐標解算時刻差異，另一方面源于多個接收器數(shù)據(jù)在信號處理器內(nèi)處理先后順序不同而解 算時刻差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在計算結(jié)果中集成 信號處理器在本地計時信息，將激光接收器坐標測量結(jié)果同步到同一時刻，有效降低不同 激光接收器由于坐標測量時刻不同步造成被測物位置姿態(tài)測量誤差的基于wMPS的動態(tài)物 體的位置姿態(tài)測量方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于wMPS的動態(tài)物體的位置姿態(tài)測量方法，包括 如下步驟：
[0008] 步驟一、在測量試驗現(xiàn)場放置η個激光發(fā)射站，記為激光發(fā)射站i，i = 1，2,3···， n，然后在被測物表面任意選取m個測點安裝激光接收器，記為激光接收器j，j = 1，2,3···， m，其中，η為激光發(fā)射站數(shù)量，m為激光接收器數(shù)量；
[0009] 步驟二、令η個激光發(fā)射站勻速自轉(zhuǎn)，激光發(fā)射站i在自轉(zhuǎn)周期T1的起始時刻發(fā)送 同步光脈沖，同時在自轉(zhuǎn)周期T i內(nèi)還發(fā)送兩束掃描光脈沖，其中，η個激光發(fā)射站的自轉(zhuǎn)周 期分別記為Tn T2、TfTn;所述的同步光脈沖、掃描光脈沖為光平面信號，激光發(fā)射站i的 同步光脈沖、兩束掃描光脈沖的角度信息各不相同且η個激光發(fā)射站的同步光脈沖、兩束 掃描光脈沖角度信息各不相同，其中，角度信息為光平面信號與水平面的垂直面的夾角；
[0010] 步驟三、令m個激光接收器將接收到的多個激光發(fā)射站發(fā)送的同步光脈沖及掃描 光脈沖并將其分別轉(zhuǎn)換為同步電脈沖及掃描電脈沖信號；
[0011] 步驟四，以統(tǒng)一的計時基準對激光發(fā)射站i的同步電脈沖及掃描電脈沖信號按照 激光發(fā)射站i的自轉(zhuǎn)周期T 1進行匹配計時，對于激光發(fā)射器i，將激光接收器接收到激光發(fā) 射器i的同步光脈沖的時刻記為t。，將激光接收器分別接收到激光發(fā)射器i的兩束掃描光 脈沖的時刻分別記為Vt 2，得到在自轉(zhuǎn)周期T1內(nèi)激光發(fā)射器i掃過激光接收器時的旋轉(zhuǎn)角 度Θ U、Θ 21分別為
[0012]
[0013]
[0014] 將t。作為激光發(fā)射站i的時間戳；
[0015] 步驟五、建立wMPS坐標系，然后在wMPS坐標系中對激光發(fā)射站i的兩束掃 描光平面的平面方程系數(shù)進行標定，并分別記為（8Η，?3Η，(3Η，(1 Η)與（a2i，b2i，c2i，d2i)， 對激光發(fā)射站k的兩束光平面的平面方程系數(shù)進行標定，并分別記為（alk，blk，clk，d lk) 與（a2k, b2k, c2k, d2k)，進而得到激光接收器j在tw時刻的坐標P Uj, y_j，zj，遍歷所有激 光接收器，得到各個激光接收器坐標，并分別記為P1, P2, P3，…Pni,坐標解算時刻分別為 tPi, tp2, tp3,......tpm，其中，k = I, 2, 3···η，得到 Uj,乃，Zj)可由下式求得
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] (a2kcos ( Θ 2k) -b2ksin ( Θ 2k)) Xj+ (a2ksin ( Θ 2k) +b2kcos ( Θ 2k)) yj+c2kz^d2k= 0 ；
[0020] tpj為激光接收器j接收到的所有激光發(fā)射站時間戳的均值，wMPS坐標系的Z軸豎 直向上，Z軸與激光發(fā)射站1的第一束同步光脈沖的交點為原點，XOY平面過原點并垂直于 Z軸，第一束同步光脈沖與XOY平面的交線為X軸，Y軸指向根據(jù)右手定則確定；
[0021] 步驟六、如果 max(tpl, tp2, tp3, ."tpn)-min(tpl, tp2, tp3, ."tpn) < Tnax，則根據(jù)各個 激光接收器坐標（P1J2J3,……PJ計算動態(tài)物體位置姿態(tài)，動態(tài)物體的位置姿態(tài)測量結(jié) 束，如果11^(% 1，％2，％3，...％"1)1^11("％3，一％" 1)>1'隨，則轉(zhuǎn)入步驟七，其中，1^ = max (T1, T2, T3, ···, Ti)；
[0022] 步驟七、令tpq= max (t pl, tp2, tp3,......tpm)，得到tpq時刻激光接收器k的修正坐標
P"k為
[0023]
[0024] 其中W k為激光接收器k上一自轉(zhuǎn)周期的坐標，q = 1，2, 3…m，C *為激光接 收器k上一自轉(zhuǎn)周期的坐標P',的時刻；
[0025] 步驟八、根據(jù)各個激光接收器坐標P/'，P2"，P3"，…，P/計算動態(tài)物體位置姿態(tài)。
[0026] 所述的m彡3。
[0027] 所述的統(tǒng)一的計時基準為信號處理器的內(nèi)部晶振。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0029] (1)本發(fā)明方法以現(xiàn)有WMPS系統(tǒng)信號處理器時鐘為時標，在計算結(jié)果中集成信號 處理器在本地計時信息，將連接信號處理器的多個激光接收器坐標測量結(jié)果同步到同一時 亥IJ，可有效降低不同激光接收器由于坐標測量時刻不同步而造成的被測物位置姿態(tài)測量誤 差，實現(xiàn)基于wMPS的工業(yè)現(xiàn)場實時高精度大尺寸位姿測量；
[0030] (2)本發(fā)明方法克服