[發明專利]一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統與方法

有效

• 申請號: 202110320356.3
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113267178B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 周一覽;趙帥;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統與方法，屬于姿態測量領域。系統裝置包括慣性導航元件和激光掃描裝置，相比于傳統激光掃描裝置，本發明針對實際環境進行光學結構設計優化，使得激光掃描裝置可以緊湊的安裝在外部玻璃上。通過建立模型位姿狀態方程，根據慣性導航元件和激光掃描裝置的輸出值分別計算模型位姿信息，并以兩者的差值作為迭代擴展卡爾曼濾波器的量測值，計算出最終的模型位姿。本發明通過結合慣性導航元件和激光掃描裝置的優點，克服了單一傳感器的局限性，實現了長時間條件下的高精度模型位姿測量。

技術領域

本發明涉及姿態測量領域，具體涉及一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統與方法。

技術背景

傳統的模型位姿測量法為接觸式測量，通過將包括加速度計、高精度陀螺儀在內的慣性導航元件放置在被測物體內，實現高速的動態測量，短時間內可以達到高精度的姿態測量，但其缺點在于位姿計算的積分過程會導致長時間的累積誤差，無法滿足長時間的測試需求，并且無法實現對多個位置的同時測量。立體視覺方案在空間物體的三維重建與測量領域有廣闊的應用前景，已經在在國外試驗中得到的廣泛的應用，但是其通常需要在被測物表面貼置標記點，且角度測量精度不高，存在現場系統安裝困難、系統在線標定困難等問題。因此迫切需要一種可以實現在長時間工作下保持高精度的模型位姿測量系統與方法，實時提供待測目標相對于初始位置的三維位移和三維旋轉角度信息。

因此本發明提供了一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統與方法，并且針對實際應用場景中激光掃描裝置通常無法放置在模型安裝臺房間內，只能放在房間觀察窗外，而傳統激光掃描裝置隔著玻璃時衰減嚴重無法正常工作，因此本發明針對這種場景需求對激光掃描裝置進行了相應的特殊設計，并通過結合慣性導航元件和激光掃描裝置的優點，使用迭代擴展卡爾曼濾波算法，克服了單一傳感器的局限性，實現了長時間條件下的高精度模型位姿測量。

發明內容

為了解決現有技術中的位姿測量方法的缺陷，本發明的目的是提供一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統與方法，改善了長時間工作條件下的模型位姿測量精度。

本發明通過使用慣性導航元件和激光掃描裝置，結合了慣性導航元件短時間內位姿測量精度高的優勢以及激光掃描裝置無需標記點且長時間位姿測量結果不存在漂移的優勢。其中慣性導航元件放置于待測模型的內部；激光掃描裝置以緊湊的方式安裝到外部玻璃的支撐結構中。慣性導航元件內置無線通信模塊，可以將數據實時傳輸至上位機中，無需額外布置線纜。利用迭代擴展卡爾曼濾波器，可以實現慣性導航元件與激光掃描裝置的多傳感器融合，提升了位姿測量精度。

本發明提供如下的技術方案：

本發明的一個目的在于提供一種基于多傳感器融合的模型位姿測量系統，包括模型安裝臺、慣性導航元件、激光掃描裝置和數據處理模塊；

所述的慣性導航元件固定在模型安裝臺的內部，激光掃描裝置的激光出射口正對于模型安裝臺，所述的慣性導航元件、激光掃描裝置均與數據處理模塊實現通訊連接；

所述的慣性導航元件包括三軸加速度計、三軸光纖陀螺和無線通訊模塊，所述的無線通訊模塊與數據處理模塊無線連接；

所述的激光掃描裝置包括光學陣列、準直透鏡、偏轉棱鏡和掃描振鏡，所述的光學陣列上均勻布置有若干激光發射/接收單元，由所述的激光發射/接收單元發出的激光束依次經過準直透鏡、偏轉棱鏡、掃描振鏡后，激光束垂直于激光出射口發射至位于模型安裝臺上的待測模型上，其反射光束原路返回后被數據處理模塊接收。

本發明的另一目的在于提供一種基于多傳感器融合的模型位姿測量方法，包括以下步驟：

1)將待測模型固定在模型安裝臺上，調試三軸加速度計、三軸光纖陀螺和無線通訊模塊；