[发明专利]六自由度激光标靶的整体式标定方法

说明书

本发明设计大尺寸空间六自由度姿态测量领域，为提出一种针对大尺寸6D激光标靶的整体式标定方法，能够充分利用精密三轴转台的高精度与可编程控制等优点，过程中不包含人工参与部分，提高标定的可靠性又大大提高标定效率。为此，本发明：六自由度激光标靶的整体式标定方法，利用高精度精密三轴转台的外框和中框带动6D激光标靶在前方全站仪的出射光前转动来构造测量控制场，计算得到光矢量在相机坐标系下的投影位置；而相机的真实投影位置通过检测得到，建立倾角仪坐标系和转台坐标系的姿态关系方程，得到倾角仪坐标系和相机坐标系的姿态关系，至此，6D激光标靶解算模型中未知关系参数全部标定得到。本发明主要应用于六自由度姿态测量。

技术领域

本发明设计大尺寸空间六自由度姿态测量领域，涉及传感器姿态测量解算模型中未知参数的标定问题。

背景技术

激光标靶测量系统作为一种新型的大尺寸6D测量系统，目前广泛应用于隧道导向工程中。激光标靶测量原理可见：[1]孟祥瑞,杨学友,高扬,等.激光标靶六自由度测量技术[J].光电工程,2015,42(5):27-33.[2]杨文辉,林嘉睿,高扬,等.激光标靶位姿测量系统的建模与误差分析[J].纳米技术与精密工程,2015(4):293-298.。6D激光标靶实现空间姿态测量，表现形式为空间三维坐标及三个姿态角度(方位角、滚转角和俯仰角)。6D激光标靶由带切口的全反射棱镜(201)、面阵相机(202)及倾角仪(203)组成。姿态解算模型需要成像系统光斑的质心、倾角仪输出角度、全站仪角度测量及面阵相机的内参数和外参数。将倾角仪坐标系定义为6D激光标靶坐标系，则相机的外参数为相机坐标系和倾角仪坐标系的姿态关系。

值得说明的是，相机的内参数和外参数不可直接测量，需要通过标定方法得到。在多传感器组合的系统中，关系参数的标定效果对测量精度影响非常大。提高关系参数标定的可靠性是精密测量领域中的重要问题。此外，标定方法的不同会导致标定效率的差异，提高标定效率必将提高工程效率。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种针对大尺寸6D激光标靶的整体式标定方法，能够充分利用精密三轴转台的高精度与可编程控制等优点，过程中不包含人工参与部分，提高标定的可靠性又大大提高标定效率。为此，本发明采用的技术方案是：六自由度激光标靶的整体式标定方法，利用高精度精密三轴转台的外框和中框带动6D激光标靶在前方全站仪的出射光前转动来构造测量控制场，建立转台旋转过程中，根据激光矢量从转台坐标系到相机坐标系的变换关系，利用相机成像原理，计算得到光矢量在相机坐标系下的投影位置；而相机的真实投影位置通过检测得到，通过最小化真实投影位置和计算投影位置之差得到相机的内参数和外参数，以重力矢量为中间变量，建立倾角仪坐标系和转台坐标系的姿态关系方程，使用转台的中框和内框带动6D激光标靶，获得多个位置下重力矢量在转台坐标系和倾角仪坐标系下的坐标值，求解姿态关系方程得到倾角仪坐标系和转台坐标系的姿态关系，又因为转台坐标系与相机坐标系的姿态关系也已经得到，由此得到倾角仪坐标系和相机坐标系的姿态关系，至此，6D激光标靶解算模型中未知关系参数全部标定得到。

具体步骤细化为：

步骤一：控制精密三轴转台转动，将6D激光标靶固定在所述三轴转台的内框外壁上，安放的位置要保证在中框的转动过程中全站仪到6D激光标靶光路畅通；

步骤二：安放好6D激光标靶之后，调整所述全站仪和所述三轴转台设定零位的相对姿态，使得三轴转台零位下，全站仪的入射光大致垂直入射到6D激光标靶的像面中心；

步骤三：打开全站仪的锁定模式，以此位置为中心，三轴转台外框在-15°到15°之间转动，三轴转台中框在-12°到12°之间转动，步长设置为2°，这样至少可产生16×13＝208个标定位置，并且基本覆盖了相机的所有靶面，对于相机与倾角仪姿态关系的标定，三轴转台中框和内框都在-10°到10°之间转动，步长设置为5°，这样产生5×5＝25个标定位置，三轴转台的转动通过编程控制，先进行外框与中框的转动，再进行中框与内框的转动，得到标定数据并最终解算出未知关系参数。