[發明專利]一種基于室內GPS和激光測距的飛機結構件位姿自動預對齊方法

有效

• 申請號: 202010577754.9
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111687631B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 李瀧杲;黃翔;曾琪;李根;樓佩煌;錢曉明;陶克梅
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23P19/10
• 分類號: B23P19/10;G01B11/00;G01S19/53
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

1.一種基于室內GPS和激光測距的飛機結構件位姿自動預對齊方法，首先，將測量用的室內GPS接收器(2)和激光測距傳感器(3)安裝在全向運輸平臺(1)上；通過室內GPS接收器(2)獲取“運動構件-定位器-全向運輸平臺”的整體位姿，然后，使用位姿修正方法引導運動構件(5)向靜止構件(6)靠近，隨后通過激光測距系統獲取平面雙向相對距離，最后利用位姿解算方法分析得到整體位姿，解算全向運輸平臺(1)的運動量，從而引導運動構件(5)向靜止構件(6)進行準確定位；其特征在于：它包括如下步驟：

1)運動構件上架定位，定位器調整姿態與目標姿態大致相同，完成后鎖定定位器；

2)測量運動構件的特征點和全向運輸平臺的控制點，并根據運動構件的目標位姿，計算全向運輸平臺的目標位姿；

運動構件上架且調整完畢后，運動構件特征點在當前時刻的測量數據為全向運輸平臺控制點的測量數據為運動構件特征點在全局坐標系下的目標位置為根據坐標轉換原理有：

其中，和為測量坐標系到全局坐標系的旋轉矩陣和平移向量；

依據解算得到的坐標轉換參數，全向運輸平臺控制點在全局坐標系下的目標位置為

3)測量室內GPS接收器，計算全向運輸平臺的位姿及其與理論軌跡的偏差，實時修正運動方向；

(a)位姿計算；

依據接收器在測量坐標系和局部坐標系下的坐標值和確定測量坐標系與局部坐標系的轉換關系：

依據公共基準點在測量坐標系和全局坐標系下的坐標值和確定測量坐標系與全局坐標系的轉換關系：

全向運輸平臺的位姿通過幾何中心和運動方向來表示，其在局部坐標系下為C^local和n^local；依據求解的測量坐標系、全局坐標系和局部坐標系的轉換關系，位姿在全局坐標系下為：

其中，和為局部坐標系到測量坐標系間的旋轉矩陣和平移向量；C^global和n^global為幾何中心和運動方向在全局坐標系下的表達；

(b)位姿修正；

全向運輸平臺在測量時刻t_i的位姿為實際情況下，由于測量、數據解算、命令傳輸需耗費時間，全向運輸平臺在數據獲得時刻已經運動至新的位置；若記數據獲得時刻為t_i+k₁T_m，此時的位姿為其與初始測量時刻t_i的位姿的關系為：

其中，上標+、-表示該時刻前后的運動方向，T_m為室內GPS的測量時鐘周期，v_ti為設定運動速度；k₁取決于算法效率；

將投影至理論軌跡上，結合計算全向運輸平臺調整至理論軌跡的預計周期節點k₂和運動方向為：

其中，n₀為當前軌跡上的初始運動方向；旋轉角的正負取決于以最小角度從n₀旋轉至的旋轉方向，逆時針取負，順時針取正；

(c)運動觀察；

全向運輸平臺位置調整完畢后，改變運動方向為初始運動方向n₀，平穩運行一段設定時間Δt＝ΔkT_m后重新測量；

4)判斷全向運輸平臺是否處于激光測距傳感器測量范圍決定的位姿區域內，若不是，重復執行3)，否則執行5)；

5)采集激光測距傳感器數據，并計算全向運輸平臺位姿及運動量，驅動其進行調整；

激光測距傳感器分布于全向運輸平臺的邊界上；對于位于平行于局部坐標系y軸的激光測距傳感器而言，其投影至固定裝置上形成的光斑在當前位置的局部坐標系下的坐標為而其在目標位置的局部坐標下的坐標僅存在明確的x_i′；基于平面轉換關系，有

同理，對于位于平行于局部坐標系x軸的激光測距傳感器，其投影光斑存在

其中，為有向的激光測距傳感器測距值，若光線方向與局部坐標系x軸的正方向相同，為正，不同則為負；取決于光線方向與局部坐標系y軸的正方向，判斷方法與相同；α、t_x、t_y為當前位置到目標位置的轉換參數；

因此，

令X′＝f(X)，X＝[α,t_x,t_y]^T，則式(11)為

B＝Af(X) (12)

鑒于位姿解算為非線性問題，利用粒子群優化算法求解X；通過泰勒公式將式(12)展開，得到

B≈Af(X⁰)+AJΔX (13)

其中，

擬合殘差為

V＝AJΔX-(Β-Af(X⁰)) (14)

利用間接平差原理求解式(14)，解算出位姿改正數ΔX為：

ΔX＝((AJ)^TPAJ)^-1(AJ)^TP(B-Af(X⁰)) (15)

其中，P為觀測值權重；

當ΔX的每個分量均小于給定閾值后，迭代終止，所求解的X的相反數即為全向運輸平臺的位姿調整量；

6)判斷全向運輸平臺是否達到預對齊精度，若不是，重復執行5)，否則結束，等待進行精對齊。

2.根據權利要求1所述的預對齊方法，其特征在于：所述解算方法程序化實現并集成于對接測量與運動控制軟件后，自動計算運動量并搭載結構件完成預對齊。