[發(fā)明專利]一種基于多傳感信息融合的相對位姿測量裝置與方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710788475.5
• 申請日: 2017-09-05
• 公開（公告）號: CN107990871A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜福洲;吳典;馬玉棟;董昊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明利用多傳感器信集成測量裝置采集、融合測量數(shù)據(jù)，獲取大部件對接過程中的相對位姿，直觀、精確地引導(dǎo)作業(yè)人員完成位姿監(jiān)測工作，屬于針對大尺寸部件的測量輔助對接領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和先進制造水平的提高，航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域在工藝水平上不斷提升，尤其在大部件對接領(lǐng)域也得到了極大的發(fā)展。目前多采用全站儀、攝影測量和激光跟蹤儀等適用于大尺寸測量的儀器。其一般操作過程是在兩個部件上選取幾個關(guān)鍵測量點，通過測量儀器獲取關(guān)鍵點在測量坐標(biāo)系下坐標(biāo)，從而將兩部件擬合到同一對接坐標(biāo)系下，得到部件的相對位姿，包括相對位置和相對姿態(tài)角，分別用三個位置分量(x,y,z)和三個角度分量(a,b,c)來表示。

隨著大部件對接任務(wù)的復(fù)雜化提升與精度要求提高，單一傳感器難以取得更好的效果，往往需要多傳感器聯(lián)合測量，通過對多組測量數(shù)據(jù)的調(diào)整、分析和融合，完成對接任務(wù)。而由此帶來的多傳感器的緊密集成問題、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合問題等等成為研究的重點。多傳感器集成與融合技術(shù)已經(jīng)成為測量輔助裝配領(lǐng)域的重要研究方向，它橫跨信號處理、硬件設(shè)計、通信技術(shù)、機器視覺等多個領(lǐng)域，是新一代智能制造技術(shù)的核心基礎(chǔ)之一。在面對復(fù)雜測量任務(wù)時，可以在集成測量技術(shù)幫助下得到更為豐富的對接過程信息，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠使各類傳感器隨時準(zhǔn)確地共享、校驗處理信息數(shù)據(jù)，進而為用戶的決策和評估帶來更有力的支持，因而在測量技術(shù)發(fā)展中突顯出重要價值和作用。

針對集成測量技術(shù)在大部件對接領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此進行了大量的研究。文獻“多路法激光激光跟蹤干涉測量系統(tǒng)的研究”利用激光跟蹤儀測距單元精度高的優(yōu)點，研究了多路激光跟蹤融合測量系統(tǒng)(張國雄，李杏華，林永兵.多路法激光激光跟蹤干涉測量系統(tǒng)的研究[J].天津大學(xué)學(xué)報，2003,36(1):23-27.)；文獻“基于多傳感器融合的TBM姿態(tài)角測量方法”提出了多傳感器融合的姿態(tài)測量方法，應(yīng)用傾角儀、陀螺儀融合測量姿態(tài)角，當(dāng)傾角儀失效情況下采用修正后的陀螺儀數(shù)據(jù)計算姿態(tài)角(張春草，張劍波，朱國力.基于多傳感器融合的TBM姿態(tài)角測量方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，43(12):48-51)；文獻“基于多傳感器融合的航天器間位姿參數(shù)估計”提出了利用單目視覺與激光測距儀混合的航天器間相對位置和姿態(tài)參數(shù)測量的解析算法(馮春，吳洪濤，陳柏.基于多傳感器融合的航天器間位姿參數(shù)估計[J].紅外與激光工程，2015，44(5):1616-1622)。He Zhao采用超聲波傳感器和磁力計來補償慣性傳感器漂移的方法，利用磁力儀與三軸加速度計相結(jié)合，通過測量重力和地球磁場矢量來確定物體的位置和姿態(tài)(He Zhao,Zheyao Wang.Motion measurement using inertial sensors,ultrasonic sensors,and magnetometers with extended kalman filter for data fusion[J],IEEE Sensors Journal.2012)；YW Zhou提出了一種基于多傳感器融合的測量列車速度和位置的方法，多傳感器系統(tǒng)包括軸數(shù)計、多普勒雷達、加速度計，最終通過卡爾曼濾波實現(xiàn)多傳感器融合測量列車速度和位置(YW Zhou.Research of Multi-Sensor Integration System for Train Speed and Position Measurement[J]Applied Mechanics&Materials,2012,105-107:1920-1925)。在以上研究中，利用多臺傳統(tǒng)儀器融合測量大尺寸部件相對位姿的方法，所需的設(shè)備昂貴、體積大、操作復(fù)雜，需要人工大量參與測量過程，難以在部件運動的過程中獲取實時位姿。本發(fā)明將視覺測量、激光測距、慣性測量系統(tǒng)融合為一個獨立、體積小巧的集成測量單元，只需簡單與待裝件連接便可測量其與基準(zhǔn)件的相對位姿關(guān)系，以及其他對接過程運動參數(shù)，能夠直觀、精確地引導(dǎo)大部件對接過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決大部件對接過程中相對位姿跟蹤測量的問題，面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，合理地構(gòu)建了一套針對部件對接的相對位姿監(jiān)測方法；裝置包含下位機、上位機與輔助設(shè)備，下位機即集成測量單元負(fù)責(zé)采集圖像、激光、慣性數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)融合處理，所得結(jié)果以無線信號形式發(fā)回上位機；上位機負(fù)責(zé)進一步處理接收數(shù)據(jù)，形成部件相對位姿并以直觀方式顯示，引導(dǎo)對接作業(yè)；輔助設(shè)備包含在對接精測階段所使用的光學(xué)靶標(biāo)板，以及用于固定下位機、靶標(biāo)板于待裝件與基準(zhǔn)件的轉(zhuǎn)接板。