[发明专利]一种六自由度激光标靶测量系统及其动态性能提升方法

说明书

本发明公开一种六自由度激光标靶测量系统及其动态性能提升方法，所述系统包括激光跟踪仪和六自由度姿态激光标靶，所述标靶中包括倾角传感单元和捷联惯导测量单元。所述动态性能提升方法将将捷联惯导测量单元的量测信息比对所述倾角传感单元和视觉成像单元的量测信息获得捷联惯导测量单元的误差，引入故障检测算法实时判定倾角传感单元工作状态，并在倾角传感单元正常和失准时使用多重次优渐消自适应容错卡尔曼滤波算法进行自适应容错滤波对捷联惯导测量单元误差进行预测与补偿。

技术领域

本发明涉及分布式测量系统，具体涉及一种六自由度激光标靶测量系统及其动态性能提升方法。

背景技术

激光标靶六自由度测量系统以其测量精度稳定，量程广，灵活装卸的特点在我国工业测量与生产诸如船舶制造、盾构导向、轨道检测、大型仪器装调等工程领域中有着广泛应用。其主要工作原理是测量基站发射测量光经激光标靶针孔棱镜部分反射并由测量基站接收获取其位置信息，并通过倾角仪测角并结合视觉映射模型解算待测目标姿态值。但由于激光标靶内部的倾角传感器件通过测量重力加速度在其相应惯性轴的比力从而获取其惯性轴与水平面的倾角，因此该方法主要适用于无非引力加速度场景的静态或准静态环境的测量，然而随着我国工业发展，对测量及装配环节的动态性能及工程效率需求日益提升，典型的在我国隧道工程中，激光标靶用以实时获取盾构机(TBM)的位姿信息，然而在TBM进行盾构掘进时，由于地质中硬岩、软土、空洞分布不均，将给倾角传感单元引入各种不规则的干扰加速度从而影响盾构导向中的姿态测量精度，降低工程制造的效率及质量，因此提升六自由度激光标靶系统在动态应用场景下的精度与鲁棒性是亟待解决的问题。

目前，对于激光标靶的动态提升算法主要包括：隔振补偿法与传感器融合法。其中，隔振补偿法([1]Li H X,Pan M H,Wang L,et al.Research of vibration errorcompensation for inclinometers[C],Advanced Materials Research,2012,590:377-384.)主要通过对其不同振动环境下的输出特性进行分析，发现其共振规律，从而进行隔振并通过数字滤波技术平稳输出信号以减小振动误差，然而，在盾构场景下由于土质不均引入的振动具有不规则性，并且土质结构还会随着不同地域发生改变，因此此类方法应用范围有限，并且在盾构等不规则振动的应用场景效果较差。传感器融合法通过引入其他高精度抗振单元从而补偿倾角仪的动态性能，文献([2]肖兴维,马国鹭,曾国英,等.正交视觉与倾角仪组合空间位姿测量方法研究[J].激光技术,2020,44(3):278-282.)中提出正交双目视觉与倾角仪相结合的位姿测量方法，利用双目视觉求解的位姿信息结合倾角仪输出的角度信息实现相对位姿的测量，然而由于视觉测量精度随测量距离下降，并且易受工作环境等噪声影响，并不适用于盾构等大型室外作业工程之中。文献([3]肖涛.盾构姿态测量中倾角仪和陀螺仪的组合应用研究[D].武汉:华中科技大学,2013.)中利用光纤陀螺仪与激光标靶的融合进行六自由度位姿测量，提出基于陀螺仪零漂估计的传感器融合算法，利用稳态环境下激光标靶高精度输出对陀螺仪零漂进行估计与预测，从而提升组合系统的动态性能与测量精度，然而该方法中缺少对倾角仪失准的有效监测，将导致在动态情况下倾角仪的输出“野值”污染滤波器，并且在盾构等高动态振动情况下，缺失了激光标靶的静态基准，组合系统缺少有效的误差补偿方法，陀螺仪的输出将会产生较为严重的误差累积，此外光纤陀螺成本较高且温度系数、可靠性、长储尚不理想。

六自由度激光标靶测量系统在我国盾构等大型工程领域的实时位姿测量中有着重要应用并对其动态性能提出了更高需求，然而目前对其动态性能提升方法尚有不足，寻找一种高精度、高鲁棒性的六自由度激光标靶动态性能提升方法，进一步满足我国大型工程中装配与制造需求，具有重要的应用价值。

发明内容