CN110220505A - 适用于多种传感器的控制测量标靶及空间坐标配准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多传感器的控制点测量标靶，包括一靶面，靶面和支架转动连接，支架和基座转动连接。本发明还提供了空间坐标配准方法，包括：构建全局控制网及局部测量空间，在各传感器坐标系下不同站点采集空间测量点，将控制标靶坐标作为公共控制点把空间点拼接到一个坐标基准下；建立各坐标基准下公共控制点对应关系，根据公共控制点误差定权迭代计算实现各空间坐标基准的统一。本发明提供的适用于多种传感器的控制测量标靶及空间坐标配准方法实用性强、精度更高，改变各传感器独立使用各自配套的控制标靶，公共控制点位置不相同，进行坐标基准统一时误差较大的现状，以及个别公共点坐标精度较低或误差过大对坐标转换参数的影响问题。

Description

适用于多种传感器的控制测量标靶及空间坐标配准方法
技术领域
本发明属于空间点采集及测量技术领域，涉及适用于多种传感器的控制点测量装置及方法。
背景技术
在船舶、海工、航空等工业构件建造领域，利用高精度传感器对钢结构进行精度控制测量，以判断构件点位的准确程度，最大限度减少现场修整工作量，提高工作效率，保证产品质量。在现有的工业建造领域中，建造精度一般要求达到毫米级乃至亚毫米级，这给测量提出了更高的标准。为保证测量精度，在工业构件的精度控制测量过程中，利用传感器进行三维数据的采集时离不开测量标靶的辅助，在各种测量标靶中，控制测量标靶可以起到点云拼接时的连接点的作用，其分布情况和测量精度等对最终三维数据的采集质量起着决定性的作用。
目前船舶等钢结构的三维测量中，由于工业构件复杂多样，仅依靠单一传感器往往无法实现三维测量，多采用全站仪、近景摄影测量、激光扫描仪等多传感器进行组合测量，充分利用全站仪远测程、全局控制特性与近景摄影测量高精度、动态测量特性，以及激光扫描仪多细节特性的互补优势，目前各传感器使用各自配套的控制测量标靶进行三维空间点采集，由于不同传感器坐标系下的控制测量标靶位置往往各不相同，导致测量误差的累积，并未考虑在测量过程中将各传感器的测量信息进行优势互补，此外，由于测量误差的存在，导致个别公共点坐标精度较低或误差过大，在坐标参数解算过程中并未考虑这些公共点对计算结果带来的影响，导致计算精度降低。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
目前各传感器使用各自配套的控制测量标靶进行三维空间点采集，导致测量误差的累积，由于测量误差的存在，导致个别公共点坐标精度较低或误差过大，在坐标参数解算过程中并未考虑这些公共点对计算结果带来的影响，导致计算精度降低。
2、技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种适用于多种传感器的控制点测量装置，包括靶面，所述靶面通过第一转轴和支架转动连接，基座包括底座和和底座上方的支柱，所述支柱设置在底座上方，所述支柱上方设有第二转轴，所述第二转轴和所述支架和下方转动连接，所述第一转轴和第二转轴垂直，靶面正面为第一靶面，靶面反面为第二靶面，所述第一靶面贴有回光反射材料，印有黑白相间的圆形图案，所述第二靶面四个角及中心嵌有编码标志。
所述支架的材料为铝合金。
本发明还提供了一种空间坐标配准方法，包括以下步骤，第一步：全局控制：在空间中预先布多个点作为全局控制点的点位，将所述的测量装置的基座固定在控制点位上，转动标靶靶面使得第一靶面朝向全站仪方向，通过单台全站仪在空间中多个站位对第一靶面的圆形图案的十字中心进行三维坐标测量，得到每个站位下各控制点的三维坐标，利用各站位之间的转换参数模型计算转换参数，得到转换参数后对各控制点进行转换，得到统一坐标基准下的三维控制点坐标；第二步：局部控制：根据控制场分布和被测物体的整体几何特征，现场划分不同的测量空间作为局部测量区域，选取合适位置的若干全局控制测量标靶作为局部控制点的点位，同时在测量站位上完成被测物的各局部区域测量；第三步：通过控制点编号提取局部坐标与全局坐标下公共控制点的一一对应关系，记录下来；第四步：借助空间坐标转换模型，利用公共控制点自动计算各局部坐标系与全局坐标系的转换参数，利用转换参数模型进行坐标系的转换，通过最小二乘法对转换参数进行参数估计，第五步：输出各传感器采集的空间数据在统一坐标基准下的坐标值。
3、有益效果：
本发明提供的适用于多种传感器的控制测量标靶及空间坐标配准方法实用性更强、精度更高，改变各传感器独立使用各自配套的控制标靶，公共控制点位置不相同，进行坐标基准的统一时误差较大的现状，以及个别公共点坐标精度较低或误差过大对坐标转换参数的影响问题。
附图说明
图1是标靶装置的前视图。
图2是标靶装置的后视图。
图3是标靶装置的侧视图。
图4是标靶装置的俯视图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例来对本发明进行详细说明。
如图1-图4所示，本发明提供了一种适用于多种传感器的控制点测量装置，包括靶面，所述靶面通过第一转轴5和支架3转动连接，基座包括底座1和和底座1上方的支柱2，所述支柱2设置在底座1上方，所述支柱2上方设有第二转轴6，所述第二转轴6和所述支架3和下方转动连接，所述第一转轴5和第二转轴6垂直，靶面正面为第一靶面4，靶面反面为第二靶面7，所述第一靶面4贴有回光反射材料，印有黑白相间的圆形图案，所述第二靶面7四个角及中心嵌有编码标志。
适用于多种传感器的控制点测量装置的使用方法为：所述靶面通过第一转轴与所述支架转动连接，所述支架通过第二转轴与所述基座转动连接。将所述基座固定在控制点位置，转动所述靶面，使所述靶面的一面朝向对应测绘仪器方向，开始进行测绘，进行下一个点的测绘时，再次转动所述靶面，使所述靶面朝向对应测绘仪器，进行测绘。所述靶面包括第一靶面和第二靶面两部分，第一靶面贴有回光反射材料，印有黑白相间的圆形图案，可用于全站仪测量和激光扫描仪测量，第二靶面的四个角及中心嵌有编码标志，可用于摄影测量。所述第二靶面中心设有一孔，可安置编码标志，当中心的编码标志未采集到时，可用四个角的编码标志对角线交点推算出中心的坐标。
本发明还提供了一种空间坐标配准方法，包括以下步骤，第一步：全局控制：为了使不同传感器采集的三维点坐标配准到同一坐标系下，需要设置公共控制点，利用公共控制点计算坐标转换参数，由于不同传感器一般使用各自配套的测量标靶，很难保证不同控制测量标靶放置的位置相同，通过设计适用于多传感器的控制测量标靶，通过转换靶面，使得不同传感器的公共控制点位置相同，提高控制点测量精度，全局控制的方法为：在空间中预先布多个点作为全局控制点的点位，将所述的测量装置的基座固定在控制点位上，转动标靶靶面使得第一靶面4朝向全站仪方向，通过单台全站仪在空间中多个站位对第一靶面4的圆形图案的十字中心进行三维坐标测量，得到每个站位下各控制点的三维坐标，利用各站位之间的转换参数模型计算转换参数，得到转换参数后对各控制点进行转换，得到统一坐标基准下的三维控制点坐标。
第二步：局部控制：全局测量与精度控制是超大空间内精密测量的基础，决定着整体测量的性能和适用性。利用全站仪构建三维坐标测量控制网虽然能够基本满足全局精度控制的要求，然而往往不能满足复杂局部特征的更高精度控制要求，通过分区域构建局部控制场，可以保证测量的精度，具体方法为：根据控制场分布和被测物体的整体几何特征，现场划分不同的测量空间作为局部测量区域，选取合适位置的若干全局控制测量标靶作为局部控制点的点位，同时在测量站位上完成被测物的各局部区域测量；第三步：通过控制点编号提取局部坐标与全局坐标下公共控制点的一一对应关系，记录下来；第四步：借助空间坐标转换模型，利用公共控制点自动计算各局部坐标系与全局坐标系的转换参数，利用转换参数模型进行坐标系的转换，通过最小二乘法对转换参数进行参数估计，第五步：输出各传感器采集的空间数据在统一坐标基准下的坐标值。
在第二步中，在测量站位上完成被测物的各局部区域测量的方法为：控制测量装置保持原位不动，转动标靶靶面使得第一靶面朝向激光扫描仪方向，对圆形图案的十字中心进行坐标测量。
在第二步中，在测量站位上完成被测物的各局部区域测量的方法为：控制测量装置保持原位不动，转动标靶靶面使得第二靶面朝向摄影测量相机方向，对编码标志中心进行坐标测量。
在第一步中，所述的转换参数模型为：X＝(ΑΤQ-1Α)-1ΑΤQΒ，其中B代表公共点在新坐标系的坐标，A代表公共点在旧坐标系的坐标，Q为新坐标系下公共点坐标测量误差的协方差矩阵，得到转换参数后可利用下式对各控制点进行转换：式中，Δx、Δy、Δz表示坐标原点的平移量，k为尺度因子，εx、εy、εz代表x、y、z三个坐标轴的旋转角。经过三维坐标转换建立了高精度的三维坐标测量控制场。
在第四步和第五步之间还设有一步纠正参数误差的步骤，具体为：当对公共控制点进行坐标转换后一个或多个点其坐标差值较大时，认为该公共控制点的坐标精度较低或误差过大，利用公式其中，Q为新坐标系下公共点坐标测量误差的协方差矩阵，λ为给新坐标系下公共点坐标测量误差分配的权值，通过对该公共控制点进行重新定权，降低其在解算中的作用，降低公共控制点过大的误差对坐标转换的影响，重新解算转换参数的估值，采用迭代计算的方法，当第m次计算的转换参数与第m-1次计算转换的参数坐标值之差小于既定阈值ε时就结束迭代计算，即，并取第m次计算的坐标转换参数为最后估值。
在坐标转换参数计算过程中，采用迭代计算的方法，根据公共控制点精度进行定权，降低其在解算中的作用，该方法能够克服个别公共点坐标精度较低或误差过大对坐标转换参数的影响，并解算出高精度坐标转换参数，从而达到高精度坐标转换的目的。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一种适用于多种传感器的控制点测量装置，其特征在于：包括靶面，所述靶面通过第一转轴(5)和支架(3)转动连接，基座包括底座(1)和底座(1)上方的支柱(2)，所述支柱(2)设置在底座(1)上方，所述支柱(2)上方设有第二转轴(6)，所述第二转轴(6)和所述支架(3)和下方转动连接，所述第一转轴(5)和第二转轴(6)垂直，靶面正面为第一靶面(4)，靶面反面为第二靶面(7)，所述第一靶面(4)贴有回光反射材料，印有黑白相间的圆形图案，所述第二靶面(7)四个角及中心嵌有编码标志。
2.如权利要求1所述的适用于多种传感器的控制点测量装置，其特征在于：所述支架的材料为铝合金。
3.一种空间坐标配准方法，包括以下步骤，第一步：全局控制：在空间中预先布多个点作为全局控制点的点位，将权利1或2所述的适用于多种传感器的控制点测量装置的基座固定在控制点位上，转动标靶靶面使得第一靶面(4)朝向全站仪方向，通过单台全站仪在空间中多个站位对第一靶面(4)的圆形图案的十字中心进行三维坐标测量，得到每个站位下各控制点的三维坐标，利用各站位之间的转换参数模型计算转换参数，得到转换参数后对各控制点进行转换，得到统一坐标基准下的三维控制点坐标；第二步：局部控制：根据控制场分布和被测物体的整体几何特征，现场划分不同的测量空间作为局部测量区域，选取合适位置的若干全局控制测量标靶作为局部控制点的点位，同时在测量站位上完成被测物的各局部区域测量；第三步：通过控制点编号提取局部坐标与全局坐标下公共控制点的一一对应关系，记录下来；第四步：借助空间坐标转换模型，利用公共控制点自动计算各局部坐标系与全局坐标系的转换参数，利用转换参数模型进行坐标系的转换，通过最小二乘法对转换参数进行参数估计，第五步：输出各传感器采集的空间数据在统一坐标基准下的坐标值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在第二步中，在测量站位上完成被测物的各局部区域测量的方法为：控制测量装置保持原位不动，转动标靶靶面使得第一靶面朝向激光扫描仪方向，对圆形图案的十字中心进行坐标测量。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在第二步中，在测量站位上完成被测物的各局部区域测量的方法为：控制测量装置保持原位不动，转动标靶靶面使得第二靶面朝向摄影测量相机方向，对编码标志中心进行坐标测量。
6.如权利要求3-5任一权利要求所述的方法，其特征在于：在第一步中，所述的转换参数模型为：X＝(ΑΤQ-1Α)-1ΑΤQΒ，其中B代表公共点在新坐标系的坐标，A代表公共点在旧坐标系的坐标，Q为新坐标系下公共点坐标测量误差的协方差矩阵，得到转换参数后可利用下式对各控制点进行转换：式中，Δx、Δy、Δz表示坐标原点的平移量，k为尺度因子，εx、εy、εz代表x、y、z三个坐标轴的旋转角。
7.如权利要求3-5任一权利要求所述的方法，其特征在于：在第四步和第五步之间还设有一步纠正参数误差的步骤，具体为：当对公共控制点进行坐标转换后一个或多个点其坐标差值较大时，认为该公共控制点的坐标精度较低或误差过大，利用公式对该公共控制点进行重新定权，采用迭代计算的方法，当第m次计算的转换参数与第m-1次计算转换的参数坐标值之差小于时就结束迭代计算，即|Xj(m)-Xj(m-1)|＜ε，并取第m次计算的坐标转换参数为最后估值。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：在第四步和第五步之间还设有一步纠正参数误差的步骤，具体为：当对公共控制点进行坐标转换后一个或多个点其坐标差值较大时，认为该公共控制点的坐标精度较低或误差过大，利用公式对该公共控制点进行重新定权，其中，Q为新坐标系下公共点坐标测量误差的协方差矩阵，λ为给新坐标系下公共点坐标测量误差分配的权值，采用迭代计算的方法，当第m次计算的转换参数与第m-1次计算转换的参数坐标值之差小于既定阈值ε时就结束迭代计算，即|Xj(m)-Xj(m-1)|＜ε，并取第m次计算的坐标转换参数为最后估值。
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