[发明专利]一种组合式空间位姿精密动态测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于大尺度(超过300米)精密测量技术领域，涉及一种空 间位姿精密动态测量技术。

背景技术

精密测量技术和装置是先进制造主要支撑技术之一，体现国家工业 与科技水平。国民经济和先进制造的不断发展对精密测量提出新的要求， 因此提高精密测量水平对提高我国先进制造能力，促进国民经济发展具 有重要意义。针对大尺度(达到300米)空间的高精度、高采样率、长 时间运行的实时测量问题，还没有哪一种技术具有绝对的竞争优势。目 前，可选技术主要包括：全球定位系统(GPS)、惯性测量技术(IPS)和 全站仪测量技术(TS)。综合评价各具优势和不足。

GPS具有全天候、速度快、精度高、点间相互不用通视等优点。也 有受美国控制制约、要求视空条件好、周围不能有强功率发射电台等限 制。测量速度和精度可达到20Hz，1cm。

60年代以来，随着激光的出现，激光陀螺和光纤陀螺问世，以其优 良的性能受到关注，迅速进入惯性测量领域。惯性测量元件的发展，为 惯性测量装置和技术的发展奠定了良好的基础。惯性测量单元仅依靠惯 性装置本身就能在目标固联体内部独立地完成测量任务，具有高度的自 主性，不受测量范围限制，采样率高给出近似连续的测量数据，能提供 速度、加速度等丰富的动态测量信息。由于惯性测量单元具有高度自主 性，不从外部获得信息进行校准，单独采用惯性单元进行测量时会使得 定位定向误差发生累积，其定位误差随测量时间增加而变大，无法进行 长时间连续工作。

有着“测量机器人”之称的全站仪测量技术测程大、价格低、环境适 应能力强，静态测量精度高(测角精度可达到0.5″，静态测距精度 1mm+1ppm)，但动态测量能力较弱。随着全站仪技术的发展，功能的 不断完善，全站仪已能进行自动识别、锁定和跟踪。尽管全站仪测量系 统实现了动态跟踪测量和智能化，但仍存在时滞和采样率低(5Hz)等问 题，尤其存在较大的测量时滞，对动态测量精度造成很大的影响。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明针对大型装置对大尺度空间的高 精度、高采样率、长时间运行的实时测量需求，提出一种组合式空间位 姿精密动态测量装置及方法。

为达成所述目的，本发明组合式空间位姿精密动态测量装置，该系 统包括惯性测量单元、全站仪测量单元、数据采集处理单元以及计算机； 惯性测量单元和全站仪测量单元分别与数据采集处理单元相连接，惯性 测量单元输出目标固连体角速度和加速度信息；全站仪测量单元输出对 应目标固连体上靶标的位置信息；数据采集处理单元分别与惯性测量单 元和全站仪测量单元相连接，数据采集处理单元接收、存储并输出目标 固连体角速度和加速度信息和目标固连体上靶标的位置信息；计算机与 数据采集处理单元相连接，用于将角速度和加速度信息和靶标的位置信 息进行数据融合处理，并输出目标固连体的位置和姿态。

其中惯性测量单元是用于目标固连体全位姿测量所需的按平台式或 捷联式工作方式工作的惯性仪表组。

其中全站仪测量单元包括：全站仪组和靶标组，每个全站仪与对应 的靶标非接触连接，靶标组接收并反射所述全站仪组发射的信号。

其中计算机的数据融合处理，采用时间回溯算法修正消除全站仪测 量单元实时动态跟踪测量的时滞，融合处理惯性测量单元和全站仪测量 单元的测量数据，计算出目标固连体在全局坐标系的位置和姿态信息。

为达成所述目的，本发明组合式空间位姿精密动态测量方法，包括 如下步骤：

步骤S1：设备启动并进行初始化，使设备进入稳定运行阶段；

步骤S2：自检和标定：确定各靶标在目标固连体坐标系内坐标；惯 性测量单元平台坐标系与目标固连体坐标系之间的变换关系；全站仪组 间的位置关系，定义全局坐标系；测量得到全站仪组时滞参数；

步骤S3：惯性测量单元测出目标固联体加速度、角速度在其敏感轴 上的输出值，通过惯性测量单元平台坐标系与目标固连体坐标系的相应 坐标变换得到目标固连体坐标系内的加速度和角速度值，发送给数据采 集处理单元；

步骤S4：各全站仪测量计算出对应靶标在全站仪坐标系内的坐标信 息，通过坐标转换得到目标固连体上各靶标在全局坐标系下的坐标值， 发送给数据采集处理单元；