CN103591891A - 室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，包括在测量空间内布设有多个移动鸟巢和多个站位；利用目标反射镜和移动鸟巢上组成全局控制点；激光跟踪仪在所有站位下测量所有全局控制点的三维坐标；利用激光跟踪仪的测距值作为约束，采用动态加权，解算全局控制点的三维坐标；布置多个发射站，结合精密控制场完成发射站定向过程；利用室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，解算被测点的三维坐标。本发明利用激光跟踪仪高精度测距作为约束，获取全局控制点更为精确的三维坐标，构建精密控制场，作为wMPS***的测量基准，实现现场精度溯源，进而提高wMPS***的测量精度。

Description

室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法

技术领域

本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量方法，特别涉及一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法。

背景技术

室内空间测量定位***（wMPS：Workspace Measurement Positioning system）是针对航天、航空、造船等大型制造业测量需求，基于空间角度交会特点发展起来的一种新型的多站分布式空间测量定位***，可实现大尺度空间坐标的网络化高精度自动测量。图1为已有技术的室内空间测量定位***（即《扫描平面激光空间定位***测量网络的构建》所描述的空间测量定位***）组成示意图。如图1所示,这种wMPS定位***主要由多个发射站101、多个接收器102和解算工作站103组成。此类***借鉴全球定位***的思想，使用多个发射站101组成测量网络，采用基于光电扫描的空间角度交会自动测量方法对单个接收器102进行定位，发射站101在工作时不负责解算接收器坐标，而是通过向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的光电接收器提供定位服务。

由于wMPS定位***采用空间角度交会进行三维坐标测量，测量误差随测量距离增加而显著增大，需要通过测量现场精度溯源来保证测量的可靠性。传统的现场精度溯源多采用标准件作为测量基准，携带维护不方便，测量灵活性不高，难以适应工业大尺寸现场的测量范围大，环境恶劣等特点。目前，在大尺度空间内尚没有可靠的溯源基准。

因此，研究空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法对提高室内空间测量定位***的测量精度，实现现场测量的精度溯源具有重要价值。

发明内容

针对上述现有技术，为了弥补wMPS***因测量距离增大导致的精度损失，以及工业现场大尺寸测量难以使用标准件实现精度溯源的不足，充分利用激光跟踪仪干涉测距可直接溯源至激光波长的特点，本发明提供一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法。本发明利用激光跟踪仪高精度测距作为约束，获取全局控制点更为精确的三维坐标，构建精密控制场，作为wMPS***的测量基准，实现现场测量的精度溯源，进而提高wMPS***的测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，包括以下步骤：

步骤一、在测量空间内布设有N个移动鸟巢和M个站位，将激光跟踪仪放置在站位1，

步骤二、将一目标反射镜放在移动鸟巢1上形成全局控制点1，测量该全局控制点1的三维坐标，以此类推，移动所述目标反射镜到移动鸟巢2、移动鸟巢3、……、移动鸟巢N-1、移动鸟巢N，测量所有全局控制点2、全局控制点3、……、全局控制点N-1和全局控制点N的三维坐标；

步骤三、将激光跟踪仪依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移动激光跟踪仪后重复步骤二，至此，完成所有站位对所有全局控制点的共同观测；上述步骤二和步骤三中，激光跟踪仪在每个站位至少测量到3个以上的全局控制点；

步骤四、根据所有站位下、所有全局控制点的三维坐标计算所有站位的方位定向，从而获得所有全局控制点和所有站位三维坐标迭代初值；

步骤五、利用所述激光跟踪仪测得的站位与全局控制点的距离值作为约束建立优化目标方程，进行平差解算，其中采用动态加权的方法，将所述全局控制点的三维坐标测量精度溯源至激光跟踪仪干涉测距精度，从而建立精密控制场；

步骤六、在测量空间内布置多个发射站，待发射站初始化后，结合精密控制场完成发射站定向过程，快速组成测量网络；

步骤七、利用室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据激光跟踪仪干涉测距可直接溯源至激光波长的特点，利用跟踪仪高精度测距作为约束，获取现场工装型架上全局控制点更为精确的三维坐标，构建精密控制场，并将其作为工业现场高精度测量基准，室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，并利用高精度平差解算，将全局控制点的精度复现到被测点上，实现现场测量的精度溯源，提高了室内空间测量定位***的测量精度。

附图说明

图1是现有技术室内空间测量定位***（wMPS）组成示意图；

图2是本发明中全局控制点三维坐标在多个站位下的测量过程示意图；

图3是将被测点精度溯源至精密控制场示意图；

图4是与1.5英寸目标反射镜大小形状一致的接收器104的示意图；

图5是激光跟踪仪201球坐标测量***数学模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法进行详细说明。

本方法是基于《扫描平面激光空间定位***测量网络的构建》所述的室内空间测量定位***(即所述的已有技术中的WMPS***)，并结合精密控制场实现测量现场精度溯源。wMPS***组成如图1所示，采用基于光电扫描的空间角度自动测量方法对单个光电接收器(简称接收器)进行定位，发射站在工作时不负责解算接收器坐标，而是通过向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的光电接收器提供定位服务。***内每个接收器收到发射站光信号后自动计算自身在各个发射站坐标系的下的角度信息，并结合已知的发射站方位信息使用角度交会方法计算自身三维坐标。

如图2所示，为了提高室内空间测量定位***的测量精度，实现现场测量的精度溯源，本发明一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，包括以下步骤：以飞机大部件对接为例

步骤一、在对接机身的装配型架上布设N个移动鸟巢，在对接大部件周围布设M个站位，将激光跟踪仪201放置在站位1，

步骤二、将一目标反射镜202（本发明中目标反射镜202为1.5英寸目标反射镜）放在移动鸟巢1上形成全局控制点1，利用激光跟踪仪201测量该全局控制点1的三维坐标，以此类推，移动所述目标反射镜202到移动鸟巢2、移动鸟巢3、……、移动鸟巢N-1、移动鸟巢N，测量所有全局控制点2、全局控制点3、……、全局控制点N-1和全局控制点N的三维坐标；

步骤三、将激光跟踪仪201依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移动激光跟踪仪201后重复步骤二，至此，完成所有站位对所有全局控制点的共同观测；上述步骤二和步骤三中，激光跟踪仪201在每个站位至少测量到3个以上的全局控制点；

步骤四、根据所有站位下、所有全局控制点的三维坐标计算所有站位的方位定向，从而获得所有全局控制点和所有站位三维坐标迭代初值；

步骤五、利用所述激光跟踪仪201测得的站位与全局控制点的距离值作为约束建立优化目标方程，进行平差解算，其中采用动态加权的方法，将所述全局控制点的三维坐标测量精度溯源至激光跟踪仪201干涉测距精度，从而建立精密控制场；其过程如下：

步骤5-1）激光跟踪仪201是球坐标测量***，其数学模型如图5所示，其干涉测距值可表示为：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}---\left(1\right)$

利用式（1）根据各站位坐标系下全局控制点的三维坐标计算全局控制点在各站位坐标系下的干涉测距值r_ij，作为优化过程的测量值，其中i表示第i个站位，i=1,2,…,M，j表示第j个全局控制点，j=1,2,…,N；

步骤5-2）以站位1的坐标系为全局坐标系，完成各站位的方向定向，求得全局控制点和激光跟踪仪所在站位在全局坐标系下的三维坐标，分别为 $\left(\begin{array}{ccc}{x}_j^0& y_j^0& z_j^0\end{array}\right)$ 和 $\left(\begin{array}{ccc}{X}_i^0& Y_i^0& Z_i^0\end{array}\right),$ 作为优化过程的初值；

步骤5-2）在全局坐标系下，建立冗余测距方程，表示为：

$l_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_j-X_i)}^2+{(y_j-Y_i)}^2+{(z_j-Z_i)}^2}---\left(2\right)$

式（2）中，l_ij为测距值，对式（1）在 $\left(\begin{array}{ccc}{x}_j^0& y_j^0& z_j^0\end{array}\right),$ $\left(\begin{array}{ccc}{X}_i^0& Y_i^0& Z_i^0\end{array}\right)$ 处按泰勒一阶展开，得：

${\tilde{l}}_{\mathrm{ij}}=l_{\mathrm{ij}}^0+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂X_i}\mathrm{\Δ}{X}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{{\∂Y}_i}\mathrm{\Δ}{Y}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂Z_i}\mathrm{\Δ}{Z}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}\mathrm{\Δ}{x}_j+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂y_j}\mathrm{\Δ}{y}_j+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂z_j}\mathrm{\Δ}{z}_j---\left(3\right)$

式（3）中，(Δx_j Δy_j Δz_j)和(ΔX_i ΔY_i ΔZ_i)分别为全局控制点和跟踪仪站位的三维坐标的优化改正值，利用式（3）建立如下误差方程：

$v{l}_{\mathrm{ij}}={\tilde{l}}_{\mathrm{ij}}-r_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$

对于M个激光跟踪仪站位，N个全局控制点，冗余误差方程组用下式表示：

V=AΔX-b   （5）

式（5）中，矩阵A是由式（2）的泰勒展开的一阶求导项所组成的大型稀疏矩阵，ΔX=[ΔX₁,ΔY₁,ΔZ₁,ΔX₂,ΔY₂,ΔZ₂,...,ΔX_M,ΔY_M,ΔZ_M,Δx₁,Δy₁,Δz₁,Δx₂,Δy₂,Δz₂,...,Δx_N,Δy_N,Δz_N]^T $b={[r_{11}-l_{11}^0,r_{12}-l_{12}^0,...,r_{\mathrm{MN}}-l_{\mathrm{MN}}^0]}^T;$

步骤5-3）根据激光跟踪仪的测距精度σ_l对向量V进行加权，并用下式表示：

P=diag((σ_ll₁₁)^-2,(σ_ll₁₂)^-2,…,(σ_ll_MN)^-2)   （6）

步骤5-4）根据激光跟踪仪的测距及测角精度对向量[Δx₁,Δy₁,...,Δx_N,Δy_N,Δz_N]^T进行初始加权，并根据定向精度对向量[ΔX₁,ΔY₁,ΔZ₁,...,ΔX_M,ΔY_M,ΔZ_M]^T进行初始加权，由此得到向量ΔX的初始权矩阵

步骤5-5）当全局控制点个数N和激光跟踪仪测量站位数M满足MN>3(M+N)时，建立优化目标方程表示为下式：

$\left\{\begin{array}{c}{V}^T\mathrm{PV}=\min \\ \mathrm{\Δ}{X}^T{P}_{X_0}\mathrm{\ΔX}=\min \end{array}\right.---\left(7\right)$

由于矩阵A是病态矩阵，矩阵条件数极大，平差解算时较小的误差就会引起解的失真，因此采用奇异值分解计算广义逆矩阵的方法，进行迭代解算。

在每一次迭代中，计算向量ΔX^k和协方差矩阵

其中，k表示迭代次数；根据

对

进行修正，实现动态加权；

迭代至满足终止条件，得到全局控制点的三维坐标值，完成精密控制场的建立。

步骤六、在对接大部件周围布置多个发射站101，待发射站初始化后，结合精密控制场完成发射站定向过程，快速组成测量网络，其步骤如下：

步骤6-1）使用与1.5英寸目标反射镜大小形状一致的接收器104（如图4所示）替换全局控制点的目标反射镜202，替换过程中保证移动鸟巢203的位置不发生移动，以确保全局控制点的三维坐标不发生变化；

步骤6-2）在测量空间内布置好发射站101，每两个发射站间至少有四个全局控制点可同时接收到两个发射站101的信号；

步骤6-3）待所有发射站101转速平稳后，在测量空间多个位置摆放标准杆，利用标准杆和全局控制点实现室内空间测量定位***的定向过程，从而组成测量网络。

步骤七、利用室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场，如图3，其步骤如下：

步骤7-1）保持所有全局控制点处的接收器（104）和所有发射站（101）不发生移动；

步骤7-2）在测量空间内的被测点处放置好接收器（104），每个接收器（104）至少可同时接收到两个发射站（101）的信号；

步骤7-3）利用发射站（101）组成的测量网络同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场。

综上，本发明根据激光跟踪仪干涉测距可直接溯源至激光波长的特点，利用跟踪仪高精度测距作为约束，获取现场装配型架上全局控制点更为精确的三维坐标，构建精密控制场，并将其作为工业现场高精度测量基准，室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，并利用高精度平差解算，将全局控制点的精度复现到被测点上，实现现场测量的精度溯源，提高了室内空间测量定位***的测量精度。本发明具有以下优点：

弥补了室内空间测量定位***因测量距离增大导致的精度损失；

结合精密控制场完成发射站定向过程，提高室内空间测量定位***的定向效率和精度

精密控制场为工业现场测量提供了测量基准，实现了室内空间测量定位***三维坐标测量的精度溯源；

在提高室内空间测量定位***测量精度的同时，不影响其工作效率。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，包括以下步骤：

步骤一、在测量空间内布设有N个移动鸟巢和M个站位，将激光跟踪仪（201）放置在站位1，

步骤二、将一目标反射镜（202）放在移动鸟巢1上形成全局控制点1，测量该全局控制点1的三维坐标，以此类推，移动所述目标反射镜（202）到移动鸟巢2、移动鸟巢3、……、移动鸟巢N-1、移动鸟巢N，测量所有全局控制点2、全局控制点3、……、全局控制点N-1和全局控制点N的三维坐标；

步骤三、将激光跟踪仪（201）依次放置在站位2、站位3、……、站位M-1和站位M，每次移动激光跟踪仪（201）后重复步骤二，至此，完成所有站位对所有全局控制点的共同观测；上述步骤二和步骤三中，激光跟踪仪（201）在每个站位至少测量到3个以上的全局控制点；

步骤四、根据所有站位下、所有全局控制点的三维坐标计算所有站位的方位定向，从而获得所有全局控制点和所有站位三维坐标迭代初值；

步骤五、利用所述激光跟踪仪（201）测得的站位与全局控制点的距离值作为约束建立优化目标方程，进行平差解算，其中采用动态加权的方法，将所述全局控制点的三维坐标测量精度溯源至激光跟踪仪（201）干涉测距精度，从而建立精密控制场；

步骤六、在测量空间内布置多个发射站（101），待发射站初始化后，结合精密控制场完成发射站定向过程，快速组成测量网络；

步骤七、利用室内空间测量定位***同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场。

2.根据权利要求1所述室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，其中，步骤五建立精密控制场的步骤如下：

步骤5-1）根据各站位坐标系下全局控制点的三维坐标计算激光跟踪仪的干涉测距值r_ij，其中i表示第i个站位，i=1,2,…,M，j表示第j个全局控制点，j=1,2,…,N；

步骤5-2）以站位1的坐标系为全局坐标系，完成各站位的方向定向，求得全局控制点和激光跟踪仪所在站位在全局坐标系下的三维坐标，分别为 $\left(\begin{array}{ccc}{x}_j^0& y_j^0& z_j^0\end{array}\right)$ 和 $\left(\begin{array}{ccc}{X}_i^0& Y_i^0& Z_i^0\end{array}\right),$ 作为优化过程的初值；

步骤5-2）在全局坐标系下，建立冗余测距方程，表示为：

$l_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_j-X_i)}^2+{(y_j-Y_i)}^2+{(z_j-Z_i)}^2}---\left(1\right)$

式（1）中，l_ij为测距值，对式（1）在 $\left(\begin{array}{ccc}{x}_j^0& y_j^0& z_j^0\end{array}\right),$ $\left(\begin{array}{ccc}{X}_i^0& Y_i^0& Z_i^0\end{array}\right)$ 处按泰勒一阶展开，得：

${\tilde{l}}_{\mathrm{ij}}=l_{\mathrm{ij}}^0+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂X_i}\mathrm{\Δ}{X}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{{\∂Y}_i}\mathrm{\Δ}{Y}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂Z_i}\mathrm{\Δ}{Z}_i+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}\mathrm{\Δ}{x}_j+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂y_j}\mathrm{\Δ}{y}_j+\frac{\∂l_{\mathrm{ij}}}{\∂z_j}\mathrm{\Δ}{z}_j---\left(2\right)$

式（2）中，(Δx_j Δy_j Δz_j)和(ΔX_i ΔY_i ΔZ_i)分别为全局控制点和激光跟踪仪站位的三维坐标的优化改正值，利用式（2）建立如下误差方程：

$v{l}_{\mathrm{ij}}={\tilde{l}}_{\mathrm{ij}}-r_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

对于M个激光跟踪仪站位，N个全局控制点，冗余误差方程组用下式表示：

V=AΔX-b   （4）

式（4）中，矩阵A是由式（1）的泰勒展开的一阶求导项所组成的大型稀疏矩阵,ΔX=[ΔX₁,ΔY₁,ΔZ₁,ΔX₂,ΔY₂,ΔZ₂,...,ΔX_M,ΔY_M,ΔZ_M,Δx₁,Δy₁,Δz₁,Δx₂,Δy₂,Δz₂,...,Δx_N,Δy_N,Δz_N]^T $b={[r_{11}-l_{11}^0,r_{12}-l_{12}^0,...,r_{\mathrm{MN}}-l_{\mathrm{MN}}^0]}^T;$

步骤5-3）根据激光跟踪仪的测距精度σ_l对向量V进行加权，并用下式表示：

P=diag((σ_ll₁₁)^-2,(σ_ll₁₂)^-2，…，(σ_ll_MN)^-2)   （5）

步骤5-4）根据激光跟踪仪的测距及测角精度对向量[Δx₁,Δy₁,...,Δx_N,Δy_N,Δz_N]^T进行初始加权，并根据定向精度对向量[ΔX₁,ΔY₁,ΔZ₁,...,ΔX_M,ΔY_M,ΔZ_M]^T进行初始加权，由此得到向量ΔX的初始权矩阵

步骤5-5）当全局控制点个数N和激光跟踪仪测量站位数M满足MN>3(M+N)时，建立优化目标方程表示为下式：

$\left\{\begin{array}{c}{V}^T\mathrm{PV}=\min \\ \mathrm{\Δ}{X}^T{P}_{X_0}\mathrm{\ΔX}=\min \end{array}\right.---\left(6\right)$

采用奇异值分解计算广义逆矩阵的方法，进行迭代解算；

在每一次迭代中，计算向量ΔX^k和协方差矩阵

其中，k表示迭代次数；根据

对

进行修正，实现动态加权；

迭代至满足终止条件，得到全局控制点的三维坐标值，完成精密控制场的建立。

3.根据权利要求1所述室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，其中，所述目标反射镜（202）为1.5英寸目标反射镜，步骤六中，结合精密控制场完成发射站定向过程包括以下步骤：

步骤6-1）使用与1.5英寸目标反射镜大小形状一致的接收器（104）替换全局控制点的目标反射镜（202），替换过程中保证移动鸟巢（203）的位置不发生移动，以确保全局控制点的三维坐标不发生变化；

步骤6-2）在测量空间内布置好发射站（101），每两个发射站间至少有四个全局控制点可同时接收到两个发射站（101）的信号；

步骤6-3）待所有发射站（101）转速平稳后，在测量空间多个位置摆放标准杆，利用标准杆和全局控制点实现室内空间测量定位***的定向过程，从而组成测量网络。

4.根据权利要求1所述室内空间测量定位***的精密控制场精度溯源方法，其中，步骤七中，结合精密控制场完成发射站定向过程包括以下步骤：

步骤7-1）保持所有全局控制点处的接收器（104）和所有发射站（101）不发生移动；

步骤7-2）在测量空间内的被测点处放置好接收器（104），每个接收器（104）至少可同时接收到两个发射站（101）的信号；

步骤7-3）利用发射站（101）组成的测量网络同时测量全局控制点和被测点，以全局控制点的三维坐标作为约束，进行平差解算，求得被测点的三维坐标，将被测点的三维坐标测量精度溯源至精密控制场。

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