[发明专利]一种融合惯性测量信息的动态位置、姿态同步的测量方法

说明书

本发明公开了一种融合惯性测量信息的动态位置、姿态同步的测量方法，包括：将IMU与wMPS光电接收器构成的位姿测靶刚性连接，利用三坐标测量机分别测量光电接收器球心坐标并拟合IMU自身坐标系，实现wMPS与IMU观测对象的统一；将刚性连接后的位姿测靶放置在被测目标上并随目标运动，利用激光发射站测量各接收器扫描角，构建光平面几何约束关系；将初始位置处的wMPS位姿观测作为IMU状态更新初值，利用IMU输出的角速度和加速度逐次更新IMU状态；若相邻两次IMU状态更新过程中有新的wMPS测量结果，则进行wMPS与IMU位姿测量数据融合，得到融合后的系统状态量，并结合IMU自身更新输出最终的位姿。

技术领域

本发明涉及大空间动态测量领域，尤其涉及一种融合惯性测量信息的动态位置、姿态同步的测量方法。

背景技术

随着以航天器、飞机为代表的航空、航天领域高端装备制造技术的发展，智能制造成为重要趋势和研究热点，是促进装备制造向高端迈进、建设制造强国的重要举措。测量作为获取几何量信息的关键途径逐步融入装备制造的各个环节，是实现智能制造的必要前提。传统的单目标、静态测量模式难以满足效率和实时性等诸多要求，亟待研究与先进制造技术相匹配的高精度、多目标、多自由度动态测量技术，推动装备智能制造进程。

激光跟踪测量和视觉测量是当前装备制造中普遍采用的测量方式。作为激光跟踪测量系统的代表，激光跟踪仪利用相互垂直的两个回转机构驱动激光测头跟踪目标靶镜实现跟踪测量，单次只能测量单个目标，测量效率低。此外，由于靶镜接收角度有限，当其随目标运动，尤其是进行角运动时容易出现断光问题，影响动态测量连续性。视觉测量发展成熟，系统成本低，但是受视场角限制，单个相机的测量范围有限，视场边缘存在畸变误差。测量大型目标时需要利用多相机组网，增加了系统标定和精度控制的难度。此外，视觉测量系统对复杂现场环境下的杂光干扰敏感，拍摄动态目标时会产生图像拖影，影响成像质量，引入动态误差。

分布式光电扫描测量作为一种较为新兴的测量方式在近些年得到了越来越多的关注，并诞生了以iGPS(室内GPS)和wMPS(工作空间测量定位系统)为代表的测量系统，具有静态测量精度高、多目标并行测量、测量范围可扩展等显著优势，在飞机水平测量、AGV(自动导引车)导航等领域得到了成功应用，具有较强的动态测量潜能。受限于光电扫描测量原理，测量运动目标时的多台测站观测信息在时间和空间上均存在非同步问题，产生多角度交会误差，致使其动态测量精度远低于静态测量精度，目前仅可实现静态或准静态测量，限制了应用场景。研究分析光电扫描测量系统动态误差特性并对其进行针对性补偿是提高其动态测量应用价值的有效手段，能够进一步完善光电扫描动态测量的理论体系，具有重要的理论研究和工程应用价值。

由动态误差产生机理可知，光电扫描测量系统动态误差的关键在于获取其测量间隔内的目标角运动和线运动信息。以陀螺仪和加速度计为代表的惯性测量系统能够全天候、自主地感知目标运动角速度和加速度，具有测量频率高、抗干扰能力强等特点，其独立进行位姿测量时的漂移误差随时间快速发散，无法满足精度要求。受限于发射站转速，wMPS测量频率较低，但其单次测量误差间互不相关，具有长期稳定性，需要外部辅助系统敏感其测量间隔内的运动信息进而实现误差补偿。因此，wMPS与IMU(惯性测量单元)二者具有优良的测量互补性。IMU辅助wMPS动态测量成为提高wMPS动态性能的重要方法，其中的关键问题在于两个测量系统被测对象的统一问题和观测数据的有效融合问题。

发明内容

本发明提供了一种融合惯性测量信息的动态位置、姿态同步的测量方法，本发明首先介绍wMPS位姿测靶与IMU间坐标系标定，随后提出一种wMPS观测数据与IMU观测数据融合，实现测靶的动态位姿实时测量，提高wMPS动态测量精度和实时性，进一步满足高端装备智能制造背景下的高性能动态测量需求，详见下文描述：

一种融合惯性测量信息的动态位置、姿态同步的测量方法，所述方法包括：