CN106595654A - 一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置 - Google Patents

一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置，引入惯性测量装置，利用最优估计算法对激光跟踪测量值和惯性测量值进行融合优化，得到惯性测量装置当前位置和姿态的最优估计值，并估计误差系数；若目标保持锁定状态，激光跟踪测量***不断估计并修正累积误差；当光路中断目标丢失时，惯性测量装置利用中断前一刻位置和姿态的最优测量值和误差系数继续测量，连续输出自身位置和姿态测量值；根据惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系，计算合作靶标当前的位置，并反馈至激光跟踪测量***进行自动瞄准，恢复跟踪测量；惯性测量装置的输出填补光路中断期间的测量数据。本发明实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能。

Description

一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置
技术领域
本发明涉及精密测量方法与技术领域，尤其涉及一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置。
背景技术
激光跟踪测量***具有测量精度高、量程覆盖范围大(从一米至上百米)、布局灵活、操作方便及自动化程度高等优点，是目前现场大尺寸精密测量最常用的一类仪器。例如，激光跟踪仪在汽车、航空、航天及其他精密制造领域中发挥着重要作用；全站仪已成为桥梁隧道盾构及船舶制造中的关键设备。激光跟踪测量***通过测量多个基准点或六自由度(6D)传感器获得被测目标的精确位置和姿态信息，为大型部件对接与装配、大型建筑结构安装、工业机器人与移动机器人等运载平台动态跟踪、大型盾构机自动导向等关键问题提供技术支撑。相比于其他仪器，该类测量设备的显著优势在于能够实时跟踪被测目标，实现自动化连续测量，在现场环境下能够大幅提高测量效率，节省人力和时间。但是，其显著缺点在于在测量过程中必须保证通视性，光路不允许中断。在目标连续运动过程中，光路一旦被遮挡而中断即丢失目标，不能继续跟踪，必须手动瞄准后才能继续跟踪测量。在实际使用中，频繁丢失目标会造成数据缺失并严重影响测量效率。
针对这一问题，各个仪器制造厂商也陆续开发了自动跟踪锁定目标的功能，使激光跟踪测量***在丢失目标后能够自动搜寻到目标的位置并将激光束对准目标进行跟踪。但是，从丢失目标到再次捕获期间的测量数据将会缺失。另一方面，其搜索能力有限(一般为30°左右)，且为螺旋式搜索，具有一定的盲目性，难以在极短时间内快速寻找到目标。另外，当在跟踪路径上存在较长时间遮挡或目标运动速度较快(如工业机器人携带6D传感器高速运动)的情况下，目标很快超出搜索范围，自动跟踪锁定功能即失效。
通常测量现场环境比较复杂，通视条件差，现场人员及设施，以及被测目标自身位姿变化均可能在动态跟踪过程中构成遮挡因素。尤其在执行大型复杂测量任务时，测量设备距被测目标较远，现场人员众多，指挥调度困难，光路上任何人员遮挡均会造成中断，无法实现连续测量。另一方面，激光跟踪测量***在远距离搜索能力较弱，难以自动锁定目标，不得不手动将激光束瞄准目标处，严重影响测量效率。
总之，目前激光跟踪测量***在环境复杂的测量现场条件下尚不能很好地解决连续跟踪测量问题。因此，解决激光跟踪测量***在复杂现场环境中，自身跟踪锁定功能失效情况下自动跟踪问题，不仅能够填补缺失测量数据，而且能够大幅提高测量效率，实现全自动连续跟踪测量，提高该类仪器设备在现场测量应用中的灵活性和适应性。
发明内容
本发明提供了一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法及装置，本发明将激光跟踪测量和惯性测量两类设备的测量结果统一到同一基准下，并对惯性测量装置的累积误差进行有效修正，实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能，详见下文描述：
一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
惯性测量装置根据自身更新算法测得其自身相对于初始坐标系的位置和姿态；
激光跟踪测量***测量合作靶标，并通过坐标系转换得到惯性测量装置相对于初始坐标系的位置和姿态；
利用最优估计算法对两个测量值进行融合优化，得到惯性测量装置当前位置和姿态的最优估计值，并估计惯性测量装置的误差系数；
若目标保持锁定状态，激光跟踪测量***不断估计并修正惯性测量装置的累积误差；
当光路中断目标丢失时，惯性测量装置利用中断前一刻位置和姿态的最优测量值和误差系数继续测量，连续输出自身位置和姿态测量值；
根据惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系，计算合作靶标当前的位置，并反馈至激光跟踪测量***进行自动瞄准，恢复跟踪测量；
惯性测量装置的输出填补光路中断期间的测量数据。
其中，所述测量方法还包括：
将惯性测量装置刚性联接于被测目标上，定义惯性测量装置的坐标系；
将合作靶标固定在被测目标上，以合作靶标的自身结构建立目标坐标系，并标定由惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系。
其中，所述测量方法还包括：
在初始位置定义惯性测量装置初始坐标系；定义激光跟踪测量***自身的坐标系为激光跟踪测量坐标系，并标定初始坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系。
本发明利用惯性测量装置辅助激光跟踪测量***在光路中断后自动捕获目标，涉及的方法及装置具备如下有益效果：
1、取代手动瞄准方式，节省激光跟踪测量***恢复跟踪测量的时间，大幅提高测量效率；
2、在激光跟踪***丢失目标无法测量的短暂时间内，惯性测量装置的输出能够提供足够精度的测量数据，保证测量结果的连续性和完整性；
3、使激光跟踪测量***在复杂测量现场环境中仍具备自动跟踪测量能力，增强其在现场测量中的灵活性和适应性。
附图说明
图1为一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法的流程图；
图2为本发明所涉及的测量装置的一个实施例的示意图；
图中：101：激光跟踪测量***的一个典型实施例——激光跟踪仪；102：合作靶标的一种实施例——6D传感器；103：惯性测量单元；104：工业机器人。
图3为本发明所涉及的测量方法的示意图。
图中：201：位姿最优估计值；202：障碍物；203：位姿惯性测量值；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
为达到上述目的，本发明实施例利用激光跟踪测量***与惯性测量装置同步测量，激光跟踪测量***在光路中断，自身自动跟踪锁定功能失效情况下，利用惯性测量装置继续自主测量目标的位置和姿态信息补充缺失数据，并反馈给激光跟踪测量***，控制其重新对准目标进行跟踪测量。
激光跟踪测量***和惯性测量装置两类性能互补的测量仪器。激光跟踪测量***能够持续稳定输出高精度测量结果，但是必须保证通视条件。
相比之下，惯性测量装置上电后即自主工作，不受外部环境影响。但是该类测量设备存在累积误差问题，尤其是易于集成的小体积、低成本的惯性测量单元，长时间工作会产生较大测量误差。另一方面，两类测量仪器测量各自的目标信息，前者测量合作目标位置，后者测量自身位姿。
本发明实施例的关键是将两类设备的测量结果统一到同一基准下，并对惯性测量装置的累积误差进行有效修正，实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能。
一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法，参见图1，该测量方法包括以下步骤：
11：惯性测量装置根据自身更新算法测得其自身相对于初始坐标系的位置和姿态；激光跟踪测量***测量合作靶标，并通过坐标系转换得到惯性测量装置相对于初始坐标系的位置和姿态；
12：利用最优估计算法对两个测量值进行融合优化，得到惯性测量装置当前位置和姿态的最优估计值，并估计惯性测量装置的误差系数；若目标保持锁定状态，激光跟踪测量***不断估计并修正惯性测量装置的累积误差；
13：当光路中断目标丢失时，惯性测量装置利用中断前一刻位置和姿态的最优测量值和误差系数继续测量，连续输出自身位置和姿态测量值；
14：根据惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系，计算合作靶标当前的位置，并反馈至激光跟踪测量***进行自动瞄准，恢复跟踪测量；
15：惯性测量装置的输出填补光路中断期间的测量数据。
其中，在步骤11之前，该测量方法还包括：
将惯性测量装置刚性联接于被测目标上，定义惯性测量装置的坐标系；
将合作靶标固定在被测目标上，以合作靶标的自身结构建立目标坐标系，并标定由惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系。
其中，在步骤11之前，该测量方法还包括：
在初始位置定义惯性测量装置初始坐标系；定义激光跟踪测量***自身的坐标系为激光跟踪测量坐标系，并标定初始坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤11-步骤15将两类设备的测量结果统一到同一基准下，并对惯性测量装置的累积误差进行有效修正，实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能。
实施例2
下面结合具体的图1、图2和图3对实施例1中的方案进行详细介绍，详见下文描述：
21：将惯性测量装置刚性联接于被测目标上，定义惯性测量装置的坐标系；
22：将合作靶标固定在被测目标上，以合作靶标的自身结构建立目标坐标系，并标定由惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系；
23：在被测目标开始运动前，在初始位置定义惯性测量单元初始坐标系，简称初始坐标系；定义激光跟踪测量***自身的坐标系为激光跟踪测量坐标系，并标定初始坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系；
24：被测目标运动时，在没有遮挡的情况下，惯性测量装置与激光跟踪测量***同步测量；
其中，惯性测量装置根据状态更新算法(状态更新算法为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述)测得其自身相对于初始坐标系的位置和姿态；激光跟踪测量***测量合作靶标，并通过坐标系转换得到惯性测量装置相对于初始坐标系的位置和姿态；
25：利用最优估计算法对两个***测量值进行融合优化，得到惯性测量装置当前位置和姿态的最优估计值，并估计惯性测量装置的误差系数；若目标保持锁定状态，激光跟踪测量***不断估计并修正惯性测量装置的累积误差；
其中，最优估计算法可以为：卡尔曼滤波算法、互补滤波算法等。采用最优估计算法对测量值进行融合优化的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述，且对最优估计算法不做限制，只要能实现上述功能的算法均可。
26：当光路中断目标丢失时，惯性测量装置利用中断前一刻位置和姿态的最优测量值和误差系数继续测量，连续输出自身位置和姿态测量值；
其中，惯性测量装置经过误差系数修正，在有限时间内仍然能够保持足够精度。
27：根据得到的由惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系，计算合作靶标当前的位置，并反馈至激光跟踪测量***进行自动瞄准，恢复跟踪测量；另一方面，惯性测量装置的输出填补光路中断期间的测量数据。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤21-步骤27将两类设备的测量结果统一到同一基准下，并对惯性测量装置的累积误差进行有效修正，实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能。
实施例3
本发明实施例提供了一种激光跟踪测量***连续跟踪测量装置，该测量装置用于实施实施例1和2中的测量方法，参见图2和图3。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以激光跟踪仪对工业机器人(以下简称机器人)高速跟踪为例对本发明实施方式作进一步地详细描述。
机器人在高精度柔性加工与装配，自动取件、搬运、上料等过程中对定位精度均有严格的要求。本发明实施例能够对机器人进行高速连续跟踪测量，实现其精密定位。
本发明实施例适用于所有激光跟踪测量设备对任何运动载体六自由度测量。
下面结合图2和图3对实施例中的方案进行详细介绍，详见下文描述：
所采用的激光跟踪测量***具体为一台激光跟踪仪101及其附属的6D传感器102。所采用的惯性测量装置为一个惯性测量单元103。
将惯性测量单元103与6D传感器102均连接到机器人104末端法兰上，在机器人104高速运动过程中两者始终保持刚性固定连接关系。定义惯性测量单元103的坐标系为I。
定义6D传感器102的坐标系为目标坐标系Q，标定由惯性测量单元103坐标系到目标坐标系的旋转矩阵和平移向量
根据上述坐标系转换关系计算得到惯性测量单元103在目标坐标系下的位置同时得到6D传感器102的原点在惯性测量单元103坐标系下的坐标，记作
在机器人104开始运动前，在初始位置定义惯性测量单元103初始时刻坐标系I0，简称初始坐标系，并标定初始坐标系与激光跟踪仪101坐标系T的旋转矩阵和平移向量
机器人104运动过程中，在没有遮挡的情况下，惯性测量单元103与激光跟踪仪101同步测量。前者根据更新算法测得其自身相对于初始坐标系的位置为和姿态矩阵后者通过测量6D传感器102得到由目标坐标系到激光跟踪仪101坐标系的旋转矩阵和平移向量并根据标定结果，通过坐标转换关系得到惯性测量单元103相对于初始坐标系I0的位置为和姿态矩阵
将激光跟踪仪101的测量值与惯性测量单元103的测量值代入最优估计算法，计算惯性测量单元103自身位姿的最优估计值如图3中201所示，并估计惯性测量单元103的误差系数D*。若目标保持锁定状态，激光跟踪仪101不断估计并修正惯性测量单元103的累积误差。
当跟踪过程中光线被障碍物202遮挡，光路中断目标丢失时，惯性测量单元103利用中断前一刻的最优估计值以及误差系数D*(-)继续保持自主测量，连续输出自身位置和姿态的测量值如图3中203所示。惯性测量单元103经过误差系数修正，在有限时间内仍然能够保持位置精度。
根据标定结果及坐标系转换关系，计算6D传感器102原点在激光跟踪仪101坐标系下的坐标：
将6D传感器102原点的坐标反馈至激光跟踪仪101的控制***，一方面控制激光束自动瞄准目标，实现了跟踪功能，另一方面，惯性测量单元103的输出填补光路中断期间的测量数据。
综上所述，本发明实施例通过上述装置将两类设备的测量结果统一到同一基准下，并对惯性测量装置的累积误差进行有效修正，实现复杂现场环境下自动跟踪定位功能。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
惯性测量装置根据自身更新算法测得其自身相对于初始坐标系的位置和姿态；
激光跟踪测量***测量合作靶标，并通过坐标系转换得到惯性测量装置相对于初始坐标系的位置和姿态；
利用最优估计算法对激光跟踪测量值和惯性测量值进行融合优化，得到惯性测量装置当前位置和姿态的最优估计值，并估计误差系数；
若目标保持锁定状态，激光跟踪测量***不断估计并修正累积误差；
当光路中断目标丢失时，惯性测量装置利用中断前一刻位置和姿态的最优测量值和误差系数继续测量，连续输出自身位置和姿态测量值；
根据惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系，计算合作靶标当前的位置，并反馈至激光跟踪测量***进行自动瞄准，恢复跟踪测量；
惯性测量装置的输出填补光路中断期间的测量数据。
2.根据权利要求1所述的一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：
将惯性测量装置刚性联接于被测目标上，定义惯性测量装置的坐标系；
将合作靶标固定在被测目标上，以合作靶标的自身结构建立目标坐标系，并标定由惯性测量装置坐标系到目标坐标系的转换关系。
3.根据权利要求1所述的一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：
在初始位置定义惯性测量装置初始坐标系；定义激光跟踪测量***自身的坐标系为激光跟踪测量坐标系，并标定初始坐标系与激光跟踪测量坐标系的转换关系。
4.一种用于实施权利要求1-3中任一权利要求所述的一种激光跟踪测量***连续跟踪测量方法的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：激光跟踪仪、6D传感器、惯性测量单元；
惯性测量单元与6D传感器均连接到机器人末端法兰上，在机器人高速运动过程中两者始终保持刚性固定连接关系；
机器人运动过程中，在没有遮挡的情况下，惯性测量单元与激光跟踪仪同步测量；
当跟踪过程中光线被障碍物遮挡，光路中断目标丢失时，惯性测量单元利用中断前一刻的最优估计值以及误差系数继续保持自主测量，连续输出自身位置和姿态的测量值；
根据坐标系转换关系得到6D传感器原点的坐标；
惯性测量单元经过误差系数修正，在有限时间内仍然能够保持位置精度；
将6D传感器原点的坐标反馈至激光跟踪仪的控制***，一方面控制激光束自动瞄准目标，实现了跟踪功能，另一方面，惯性测量单元的输出填补光路中断期间的测量数据。
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