[发明专利]基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本发明集成了惯性测量装置与激光跟踪测量设备构成组合测量系统，发明了基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标自动测量方法。其中，惯性测量装置自主地以较高频率工作，不受现场环境影响，实时连续地为激光跟踪测量设备提供引导信息；同时，激光跟踪测量设备输出精确稳定的测量结果能够用来修正惯性测量装置的累积误差。本发明将两类测量方法及设备优势结合，同时弥补了对方的劣势，形成具备更佳综合性能的测量装置。

技术领域

本发明涉及精密测量方法与技术领域，尤其涉及一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置。

背景技术

数字化测量技术已广泛应用于航空、航天、船舶及桥梁隧道等多个领域中的大型部件生产及装配中，是提升产品及工程生产质量和效率的关键技术。在飞机机翼装配、运载火箭舱段对接，航天发动机安装、船舶分段合拢、桥梁隧道盾构中均有广泛应用。其中，激光跟踪测量设备，包括：激光跟踪仪，全站仪等，具有测量精度高、量程覆盖范围大(从一米至上百米)、布局灵活、操作方便及自动化程度高等优点，是目前现场应用最多的一类测量设备。该类全站式测量设备通过测量多个基准点获取目标的精确位置和姿态信息。考虑到成本、现场布局灵活性等因素，一般采用单台设备测量。激光跟踪测量设备自身不具备同时测量多个目标点的能力，需要逐个手动瞄准目标完成测量。手动瞄准速度慢，要求目标必须处于静止状态，影响测量及生产效率。针对运动目标，必须要有辅助手段及装置引导激光束快速自动瞄准多个目标。目前，该类设备主要采用视觉引导方法，通过视觉传感器测量基准点的位置，根据预先标定的视觉传感器与激光跟踪测量设备的坐标系转换关系，将基准点位置发送至伺服跟踪机构，从而实现激光束自动瞄准。

但是，视觉引导方法在实际应用时具有一定局限性：

第一，现场光照条件，机械运动，以及人员走动等均会形成干扰信息，导致视觉传感器的图像场景发生变化。另外，合作目标在场景图像中所占比例非常小。在复杂且不断变化的场景中准确识别出小尺寸特征对图像质量、图像预处理及特征识别和提取算法的精度和可靠性要求很高；

第二，在测量现场，环境往往比较复杂，现场人员及设施，以及被测目标自身姿态变化均可能在动态跟踪过程中形成遮挡，导致视觉方法失效；

第三，视觉传感器应具有较大视场才能保证目标移动过程中基准点不出视场，大视场相机标定相对困难，引导精度会受到标定精度的影响。

总之，基于视觉引导的方法及装置在精度、效率、灵活性及适应性等方面尚存在诸多不足。亟需一种有效引导手段，能在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备自动对多个目标点快速逐点测量。

发明内容

本发明提供了一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法与装置，本发明以惯性测量作为辅助测量手段，将惯性测量方法与激光跟踪测量方法结合，实现在复杂的现场环境中实时引导激光跟踪测量设备对多个目标点自动逐点测量，详见下文描述：

一种基于惯性引导的激光跟踪测量设备多目标测量方法，所述方法包括以下步骤：

使惯性测量装置与被测目标始终保持刚性连接关系，以表面多个基准点建立工件坐标系，并标定工件坐标系与惯性测量装置坐标系的转换关系；

目标移动过程中，工件坐标系随之变化，定义初始时刻的工件坐标系为世界坐标系；定义激光跟踪测量设备自身的笛卡尔坐标系为激光跟踪测量坐标系，标定世界坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；

惯性测量装置自主连续地测量目标位姿，利用激光跟踪测量设备高精度的测量结果修正惯性测量装置的累积误差；

根据标定结果，将惯性测量装置的高频率测量结果转换到激光跟踪测量坐标系下，将基准点位置实时反馈到激光跟踪测量设备，引导激光束逐个对准基准点，完成多目标自动测量。