[發明專利]基于慣性單元和激光跟蹤儀動態位姿測量裝置和方法

在審

• 申請號: 201810018977.4
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108225258A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 林嘉睿;邾繼貴;楊凌輝;任永杰;高凱
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00;G01B11/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及空間精密幾何量測量領域，為解決傳統的激光標靶中傾角傳感器測角在動態測量六自由度時精度和穩定性低的問題，提高整個六自由度測量系統的動態性能。為此，本發明基于慣性單元和激光跟蹤儀動態位姿測量裝置和方法，由激光靶和激光跟蹤儀構成，激光標靶內部由視覺成像單元、慣性測量單元、傾角傳感單元測量單元和數據處理單元組成，激光跟蹤儀發出干涉激光，干涉激光鎖定激光靶上的帶切口的角錐棱鏡，干涉激光在棱鏡中發生鏡面反射，一部分干涉光在反射之后返回至激光跟蹤儀，激光跟蹤儀通過干涉測距原理和球坐標與直角坐標的轉換關系得到角錐棱鏡反射中心，另一部分光通過角錐棱鏡的切口。本發明主要應用于精密幾何量測量場合。

技術領域

本發明涉及空間精密幾何量測量領域，尤其涉及空間物體的在高速運動過程中的六自由度實時測量問題。具體講，涉及基于慣性單元和激光跟蹤儀的高速動態位姿測量方法。

背景技術

隨著科學技術的高速發展，位姿測量的需求不斷增加。例如在飛機或船舶裝配過程中，需要通過實時監控各個零部件的位置和姿態信息，來指導控制單元完成裝配過程。激光標靶系統作為一種在位姿測量領域常用的測量系統，可測量靜態目標在指定坐標系下的三坐標及方位角、俯仰角、滾轉角。其中俯仰角和滾轉角目前僅僅依靠激光標靶測量系統內部的傾角傳感器來測量。傾角傳感器在慣性坐標系下測量結果比較穩定，但在面臨動態測量場景時，由于被測目標具有一定的加速度，使得傾角傳感器在非慣性系下測量失真。如何實現對高速運動目標的六自由度的實時測量，以及如何提高測量系統的通用性是亟待解決的問題。另外，現如今精密大尺寸機械制造領域需要對目標六自由度精度提出了更高的要求。例如在機械加工制造過程中，往往使用機械臂來配合加工，對機械臂運動軌跡的精確控制是產品高質量的一大保證。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出高速動態位姿測量方法，解決傳統的激光標靶中傾角傳感器測角在動態測量六自由度時精度和穩定性低的問題，提高整個六自由度測量系統的動態性能。為此，本發明采用的技術方案是，基于慣性單元和激光跟蹤儀動態位姿測量裝置，由激光靶和激光跟蹤儀構成，激光標靶內部由視覺成像單元、慣性測量單元、傾角傳感單元測量單元和數據處理單元組成，激光跟蹤儀發出干涉激光，干涉激光鎖定激光靶上的帶切口的角錐棱鏡，干涉激光在棱鏡中發生鏡面反射，一部分干涉光在反射之后返回至激光跟蹤儀，激光跟蹤儀通過干涉測距原理和球坐標與直角坐標的轉換關系得到角錐棱鏡反射中心，另一部分光通過角錐棱鏡的切口，經過相機鏡頭，在相機的靶面上形成光斑，激光跟蹤儀發出一部分干涉激光通過后，視覺成像單元中的數字相機將實時采集的圖像發送給數據處理單元，慣性測量單元和傾角傳感單元測量單元分別不斷地將自身輸出的角速度和角度發送至數據處理單元，數據處理單元對采集到的數據進行姿態解算得到方位角、俯仰角、滾轉角三個姿態自由度，連同激光跟蹤儀輸出的位置自由度，最終得到激光靶的六自由度。

基于慣性單元和激光跟蹤儀動態位姿測量方法，利用激光跟蹤儀通過跟蹤定位激光靶上的角錐棱鏡，得到棱鏡反射中心在跟蹤儀坐標系下的位置坐標，來自激光跟蹤儀的一部分光通過激光靶上的角錐棱鏡的切口，經過相機鏡頭，在相機的靶面上形成光斑，利用激光跟蹤儀視覺成像單元中的數字相機將實時采集的光斑圖像發送給激光跟蹤儀數據處理單元，激光跟蹤儀慣性測量單元和傾角傳感單元測量單元分別不斷地將自身輸出的角速度和角度發送至數據處理單元，數據處理單元對采集到的數據進行姿態解算得到方位角、俯仰角、滾轉角三個姿態自由度，連同激光跟蹤儀輸出的位置自由度，最終得到激光靶的六自由度。

在數據處理單元中通過解算，得到目標某時刻相對于初始位置和初始姿態時的位置及姿態變化.當確定好初始姿態，通過相應的轉換關系求得每次當前最新的歐拉角。