[发明专利]一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态测量系统及方法，包括：激光跟踪测量单元、单目视觉测量单元以及靶标，靶标包括角锥棱镜及光电位置传感器；激光跟踪测量单元和单目视觉测量单元分别固定在预设位置，靶标固定放置在被测物上；综合利用角锥棱镜与光电位置传感器测量方位角与俯仰角时的高分辨率、单目视觉测量横滚角时的高灵敏度，通过加权最小二乘，基于激光光束向量在不同坐标系之间的转换关系完成姿态角的测量。该测量系统及方法提高了大尺寸范围内激光跟踪姿态测量的整体精度，克服了单目姿态测量精度随距离增加线性递减的问题，同时改善了利用纵向投影比进行姿态测量时近距离精度较低的问题。

技术领域

本发明实施例涉及精密测量技术领域，更具体地，涉及一种基于 加权最小二乘融合的激光跟踪姿态测量系统及方法。

背景技术

随着我国国民经济和制造业的不断发展，诸如大型装备建造、航 空航天、汽车等领域，对于飞行器对接、汽车装配、机器人跟踪测量 等方面的姿态测量要求越来越高，大尺寸范围内高精度姿态测量技术 已经成为这些领域重要研究方向之一。

国内外都有对于姿态测量方面的研究，目前国外对于姿态测量方 法的研究较为成熟，已有产品进行商用的公司主要有三家：Leica、 FARO、API。Leica公司开发了T-Probe、T-MAC、T-Scan等一系列姿 态测量装置，采用驻机定位技术，配合激光跟踪仪、高精度相机实现 姿态角的测量；FARO公司提出了使用6Probe探头的方案，该探头上 布置有11个LED发光点，通过激光跟踪仪转台的双目系统进行跟踪 测量，可以覆盖隐藏区域和小型特征，即使在障碍物后边也能跟随移 动的目标，并可以在目标稳定时锁定它；API公司设计了STS特殊反 射器，配有2个编码器和1个水平传感器，根据编码器与水平传感器 确定位置和方向信息；国内华中科技大学、上海交通大学、天津大学 等基于盾构机施工中的导向系统，对激光跟踪姿态测量系统展开了研 究，通过全站仪、CCD相机、角锥棱镜、倾角仪等实现了姿态测量； 湖北工业大学的张慧娟提出了一种单目视觉自动姿态测量方法，将 EPNP与SoftPOSIT相结合，充分利用两种算法的特性实现姿态测量； 湖北工业大学的闫坤将光电位置传感器与单目视觉进行组合，基于特 定靶点的纵向投影比获取合作目标的滚动角度，通过坐标系之间的转 换关系获取姿态角。

现有技术中以激光跟踪设备和单目视觉进行姿态测量时，测量精 度随着距离的增加呈现线性递减的趋势；利用纵向投影比进行姿态测 量时，测量精度不随距离的变化而变化，但近距离测量精度较低。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述 问题的基于加权最小二乘融合的激光跟踪姿态测量系统及方法。

一方面，本发明实施例提供了一种基于加权最小二乘融合的激光 跟踪姿态测量系统，其特征在于，包括：激光跟踪测量单元、单目视 觉测量单元以及靶标；其中，

所述激光跟踪测量单元和所述单目视觉测量单元分别固定在预设 位置，所述靶标固定放置在被测物上；所述靶标包括角锥棱镜、光电 位置传感器以及多个靶点；所述角锥棱镜在顶点处开孔，所述光电位 置传感器的感光面与角锥棱镜开孔面平行，所述角锥棱镜的顶点与光 电位置传感器之间预留一定间距，所述激光跟踪测量单元所发出激光 通过所述角锥棱镜开孔打在所述光电位置传感器的感光面上形成光 斑，所述多个靶点的数量不少于4个，且所述不少于4个的靶点非共 面；

所述激光跟踪测量单元用于获取所述角锥棱镜顶点在第一坐标系 中的坐标；其中，所述第一坐标系为所述激光跟踪测量单元的自身坐 标系；

所述单目视觉测量单元用于通过所述多个靶点获取所述靶标在第 二坐标系中的第一姿态角；其中，所述第二坐标系为所述单目视觉测 量单元的自身坐标系；

所述光电位置传感器用于获取所述光斑在第三坐标系中的坐标； 其中，所述第三坐标系为所述光电位置传感器的自身坐标系；