CN107677207A - 基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器位置误差标定方法 - Google Patents

基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器位置误差标定方法 Download PDF

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袁培江
陈冬冬
曹双倩
蔡鹦
高雷
史震云
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    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明公开了一种基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器安装位置误差标定方法，属于机器人技术领域。本发明所使用的装置由机械臂、安装架、激光测距传感器、平板、激光跟踪仪组成。安装架固连在机械臂末端，激光测距传感器安装在安装架上。该方法基于激光测距传感器测量距离原理，推导出测量距离误差模型，并采用扩展卡尔曼滤波的方法对激光测距传感器的安装位置误差进行参数辨识，以提高测量精度。该方法考虑了测量误差对标定的影响，具有标定精度高等优点。

Description

基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器位置误差标定方法
技术领域
本发明涉及机器人技术，更具体地说，本发明涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器安装位置误差标定方法。
背景技术
曲面法线测量技术是航空钻铆机器人中重要的关键技术之一，采用非接触式的激光测距传感器的曲面法线测量方法是常用的一种方法。激光测距传感器式的法线测量方法对传感器的位置安装进度要求较高。在实际应用中，由于激光测距传感器的装配过程中，由于各种原因导致安装存在误差，无法保证与理论CAD模型保持一致，进而导致了激光位移传感器测量精度的下降，无法满足法线测量要求，因此对激光测距传感器的安装位置误差进行标定对提高法线测量精度具有很重要的意义。对安装位置直接进行标定是最常用的方法，这种方法没有利用传感器理论的位置数据，且未考虑测量误差等影响，因此存在标定精度不高等问题，因此将测量误差进行滤波，通过对安装位置的误差进行标定可以较好的提高标定精度。
发明内容
针对现有技术，本发明的目的在于提供了一种基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器安装位置误差标定方法，该方法基于激光测距传感器测量距离原理，推导出测量距离误差模型，并采用扩展卡尔曼滤波的方法对激光测距传感器的安装位置误差进行参数辨识，以提高测量精度。
本发明所使用的装置由机械臂、安装架、激光测距传感器、平板、激光跟踪仪组成。安装架固连在机械臂末端，激光测距传感器安装在安装架上。
本发明通过以下技术方案实现。
该方法包括如下步骤：
步骤1：将激光跟踪仪固定在地面上，并且激光跟踪仪的测量范围包括安装架和平板所在空间；
步骤2：移动机械臂使得激光测距传感器激光束可以打到平板上，且距离在激光测距传感器量程内，激光跟踪仪测量安装架上的三个基准孔，基于三个基准孔的空间位置建立工具坐标系；
步骤3：固定平板，激光跟踪仪测量平板上的三个在工具坐标系下的空间位置，然后拟合出平板的空间方程；
步骤4：求激光测距传感器激光束在工具坐标系中的直线方程；
步骤5：求激光测距传感器激光束所在直线与平板交点；
步骤6：求激光测距传感器发射点与交点的长度，并建立误差模型；
步骤7：记录此时激光测距传感器的读数,计算测量长度误差；
步骤8：重复n-1次步骤2至步骤7的操作并记录相关的数据，n大于等于6；
步骤9：采用扩展卡尔曼滤波进行参数辨识，反复迭代，直到满足精度要求，即可求得激光测距传感器安装位置误差。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述的基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器位置误差标定方法，该方法考虑了测量误差对标定的影响，具有标定精度高等优点。
附图说明
图1为本发明中激光测距传感器安装位置误差标定模型示意图。
图中：1.机械臂；2.安装架；3.激光测距传感器；4.平板；5.激光跟踪仪；
具体实施方式：
下面通过结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的实施方式：
参见图1，本发明所使用的装置由机械臂1、安装架2、激光测距传感器3、平板4、激光跟踪仪5组成。安装架2固连在机械臂1末端，激光测距传感器3安装在安装架2上。
下面为本发明方法的步骤做详细的说明。
本发明方法的具体实施步骤如下：
步骤1：将激光跟踪仪5固定在地面上，并且激光跟踪仪5的测量范围包括安装架2和平板4所在空间；
步骤2：移动机械臂1使得激光测距传感器3激光束可以打到平板4上，且距离在激光测距传感器3量程内，激光跟踪仪5测量安装架2上的三个基准孔I、基准孔O和基准孔J，然后建立工具坐标系OXYZ，其中孔O为原点，OI为X轴，OJ为Y轴，根据右手法则确定Z轴的方向；
步骤3：固定平板4，激光跟踪仪5测量平板4上的基准孔U、基准孔V、基准孔W在工具坐标系下的空间位置，然后拟合出平板4的空间方程为：
ax+by+cz＝d
其中，a,b,c,d为平面方程参数；
步骤4：激光测距传感器3发射点P在工具坐标系下的名义位置和方向为[xP,yP,zP,mp,np,qp],激光测距传感器激光束在工具坐标系中的直线方程为：
步骤5：求激光测距传感器3激光束所在直线与平板4交点Q，其在工具坐标系下的坐标(xQ,yQ,zQ)可以表示为：
步骤6：求激光测距传感器3发射点P与交点Q的长度L为
上式还可以表示为：
L＝g(xP,yP,zP,mP,nP,qP)
上式的微分方程为：
其中：ΔΦ＝[ΔxP ΔyP ΔzP ΔmP ΔnP ΔqP]T
步骤7：记录此时激光测距传感器3的读数Lc,计算测量长度误差ΔL＝Lc-L；
步骤8：重复n-1次步骤2至步骤7的操作并记录相关的数据，n大于等于6；
步骤9：采用扩展卡尔曼滤波进行参数辨识；首先建立扩展卡尔曼滤波***方程，方程表示为：
Yk＝Yk-1+ωk-1
其中，Y＝ΔΦ，ωk-1是6×1的***噪声矩阵；然后建立观测方程：
Zk＝HkYk+vk
其中，Zk＝ΔL，Hk＝Jk,vk是1×1的观测噪声矩阵；
最后参数辨识可以通过扩展卡尔曼滤波，反复迭代，直到满足精度要求，即可求得激光测距传感器3安装位置误差。

Claims (1)

1.一种基于扩展卡尔曼滤波的激光测距传感器安装位置误差标定方法，其特征在于：
本发明所使用的装置由机械臂、安装架、激光测距传感器、平板、激光跟踪仪组成；安装架固连在机械臂末端，激光测距传感器安装在安装架上；
该方法包括如下步骤：
步骤1：将激光跟踪仪固定在地面上，并且激光跟踪仪的测量范围包括安装架和平板所在空间；
步骤2：移动机械臂使得激光测距传感器激光束可以打到平板上，且距离在激光测距传感器量程内，激光跟踪仪测量安装架上的三个基准孔，基于三个基准孔的空间位置建立工具坐标系；
步骤3：固定平板，激光跟踪仪测量平板上的三个在工具坐标系下的空间位置，然后拟合出平板的空间方程；
步骤4：求激光测距传感器激光束在工具坐标系中的直线方程；
步骤5：求激光测距传感器激光束所在直线与平板交点；
步骤6：求激光测距传感器发射点与交点的长度，并建立误差模型；
步骤7：记录此时激光测距传感器的读数,计算测量长度误差；
步骤8：重复n-1次步骤2至步骤7的操作并记录相关的数据，n大于等于6；
步骤9：采用扩展卡尔曼滤波进行参数辨识，反复迭代，直到满足精度要求，即可求得激光测距传感器安装位置误差。
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