[发明专利]基于惯性单元和激光跟踪仪动态位姿测量装置和方法

说明书

本发明涉及空间精密几何量测量领域，为解决传统的激光标靶中倾角传感器测角在动态测量六自由度时精度和稳定性低的问题，提高整个六自由度测量系统的动态性能。为此，本发明基于惯性单元和激光跟踪仪动态位姿测量装置和方法，由激光靶和激光跟踪仪构成，激光标靶内部由视觉成像单元、惯性测量单元、倾角传感单元测量单元和数据处理单元组成，激光跟踪仪发出干涉激光，干涉激光锁定激光靶上的带切口的角锥棱镜，干涉激光在棱镜中发生镜面反射，一部分干涉光在反射之后返回至激光跟踪仪，激光跟踪仪通过干涉测距原理和球坐标与直角坐标的转换关系得到角锥棱镜反射中心，另一部分光通过角锥棱镜的切口。本发明主要应用于精密几何量测量场合。

技术领域

本发明涉及空间精密几何量测量领域，尤其涉及空间物体的在高速运动过程中的六自由度实时测量问题。具体讲，涉及基于惯性单元和激光跟踪仪的高速动态位姿测量方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，位姿测量的需求不断增加。例如在飞机或船舶装配过程中，需要通过实时监控各个零部件的位置和姿态信息，来指导控制单元完成装配过程。激光标靶系统作为一种在位姿测量领域常用的测量系统，可测量静态目标在指定坐标系下的三坐标及方位角、俯仰角、滚转角。其中俯仰角和滚转角目前仅仅依靠激光标靶测量系统内部的倾角传感器来测量。倾角传感器在惯性坐标系下测量结果比较稳定，但在面临动态测量场景时，由于被测目标具有一定的加速度，使得倾角传感器在非惯性系下测量失真。如何实现对高速运动目标的六自由度的实时测量，以及如何提高测量系统的通用性是亟待解决的问题。另外，现如今精密大尺寸机械制造领域需要对目标六自由度精度提出了更高的要求。例如在机械加工制造过程中，往往使用机械臂来配合加工，对机械臂运动轨迹的精确控制是产品高质量的一大保证。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出高速动态位姿测量方法，解决传统的激光标靶中倾角传感器测角在动态测量六自由度时精度和稳定性低的问题，提高整个六自由度测量系统的动态性能。为此，本发明采用的技术方案是，基于惯性单元和激光跟踪仪动态位姿测量装置，由激光靶和激光跟踪仪构成，激光标靶内部由视觉成像单元、惯性测量单元、倾角传感单元测量单元和数据处理单元组成，激光跟踪仪发出干涉激光，干涉激光锁定激光靶上的带切口的角锥棱镜，干涉激光在棱镜中发生镜面反射，一部分干涉光在反射之后返回至激光跟踪仪，激光跟踪仪通过干涉测距原理和球坐标与直角坐标的转换关系得到角锥棱镜反射中心，另一部分光通过角锥棱镜的切口，经过相机镜头，在相机的靶面上形成光斑，激光跟踪仪发出一部分干涉激光通过后，视觉成像单元中的数字相机将实时采集的图像发送给数据处理单元，惯性测量单元和倾角传感单元测量单元分别不断地将自身输出的角速度和角度发送至数据处理单元，数据处理单元对采集到的数据进行姿态解算得到方位角、俯仰角、滚转角三个姿态自由度，连同激光跟踪仪输出的位置自由度，最终得到激光靶的六自由度。

基于惯性单元和激光跟踪仪动态位姿测量方法，利用激光跟踪仪通过跟踪定位激光靶上的角锥棱镜，得到棱镜反射中心在跟踪仪坐标系下的位置坐标，来自激光跟踪仪的一部分光通过激光靶上的角锥棱镜的切口，经过相机镜头，在相机的靶面上形成光斑，利用激光跟踪仪视觉成像单元中的数字相机将实时采集的光斑图像发送给激光跟踪仪数据处理单元，激光跟踪仪惯性测量单元和倾角传感单元测量单元分别不断地将自身输出的角速度和角度发送至数据处理单元，数据处理单元对采集到的数据进行姿态解算得到方位角、俯仰角、滚转角三个姿态自由度，连同激光跟踪仪输出的位置自由度，最终得到激光靶的六自由度。

在数据处理单元中通过解算，得到目标某时刻相对于初始位置和初始姿态时的位置及姿态变化.当确定好初始姿态，通过相应的转换关系求得每次当前最新的欧拉角。