CN113063354B - 用于空间测量定位的合作靶标定向装置及其定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于空间测量定位的合作靶标定向装置，包括立方体的合作靶标，接收单元和信号处理单元；所述靶标外表面固定设置多个接收单元，用于接收发射站光平面信号并二值化为逻辑脉冲；所述接收单元为两两相对设置，且每两个相对设置的接收单元分别位于相对的平面上；所述接收单元为圆形目标,所述圆形目标的圆心位置作为目标点；所述信号处理单元位于所述合作靶标的内部，用于将所述接收单元接收并转化的信号转换为扫描角度，通过有线网络或无线网络将数据发送到解算计算机。本发明还公开了一种空间测量定位的定向方法。

Description

用于空间测量定位的合作靶标定向装置及其定向方法

技术领域

本发明属于空间三维坐标精密测量技术领域，特别涉及一种用于空间测量定位的合作靶标定向装置及其定向方法。

背景技术

空间测量定位***是一种分布式测量***，以精密旋转结合多路激光扫描构建覆盖全周向的激光测量场，通过测量节点形成的多角度观测量交会获取接收节点处的三维坐标，该类旋转激光扫描分布式测量***以尼康公司的iGPS和天津大学的wMPS***为代表。***各个基站之间的位姿关系的精确确定(又称***定向过程)是实现***高精度测量的关键。在传统空间测量定位***定向方法中，专利(申请号：CN201110234777.0)公开了一种采用标准杆的工作空间测量定位***快速定向方法，该方法利用发射站工作时水平安置的特点，通过引入基准长度约束结合空间角度交会测量模型对发射站的定向参数进行优化解算，但该方法只利用了一维的长度约束，基准长度需要预先标定，且要求基准尺移动多个位置，所需移动空间较大。专利(申请号：CN201510689702.X)公开了一种基于wMPS***的移动发射站快速定向方法，该方法联合基准长度约束和固定点位约束，可以快速地将移动站坐标系定向到全局坐标系下，但该方法依赖外部空间中预先布置的固定三维特征点，现场配置灵活性较差。此外，这两种方法使用的基准长度约束和固定点位约束都依赖于更高精度的辅助测量设备获取，此时***定向精度受同尺寸接收节点工装互换精度的影响较大，如***的球型接收器和激光跟踪仪的反射靶球之间的对心误差将会引入到定向参数中。

综上所述，现有的空间测量定位***定向方法依赖更高精度的辅助测量设备获取约束场基准尺长信息或固定点位信息，而且***定向精度受接收节点工装互换精度的影响较大。

发明内容

本发明的目的是解决空间测量定位***现有定向方法依赖更高精度的辅助测量设备、***定向精度受接收节点工装互换精度影响较大的问题，提供一种用于空间测量定位的合作靶标定向装置及其定向方法，首先，合作靶标上集成的多个接收单元确保了充分的两两相对位置关系，可移动合作靶标构成冗余空间约束条件；其次，定向方法以靶标上各个接收单元中心位置的空间相对距离不变为刚性约束条件，不需要预先标定靶标控制点位置关系，避免了接收节点球型工装互换对心误差的引入，定向方法灵活性好同时也保证了较高的定向精度。

为解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种用于空间测量定位的合作靶标定向装置，包括立方体的合作靶标，接收单元和信号处理单元；

所述靶标外表面固定设置多个接收单元，用于接收发射站光平面信号并二值化为逻辑脉冲；所述接收单元为两两相对设置，且每两个相对设置的接收单元分别位于相对的平面上；所述接收单元为圆形目标,所述圆形目标的圆心位置作为目标点；

所述信号处理单元位于所述合作靶标的内部，用于将所述接收单元接收并转化的信号转换为扫描角度，通过有线网络或无线网络将数据发送到解算计算机。

进一步的，所述靶标上固定设置6个接收单元，其中3个接收单元位于所述靶标的顶部，另3个接收单元位于所述靶标的底部。

一种利用所述合作靶标定向装置的空间测量定位的定向方法，包括如下步骤：

步骤1：在待测区域固定若干待定向发射站，其中各发射站相距一定距离；结合发射站的测量范围,在待测量的公共区域附近设置一个合作靶标定向装置，且所述合作靶标定向装置上各接收单元到各个发射站之间无遮挡；随机选择一个所述发射站为主站，将所述主站坐标系作为全局坐标系O-XYZ；

步骤2：在各发射站测量的公共区域中将所述合作靶标定向装置前后移动多个位置，每个位置由接收单元采集各发射站的两个光平面信号，由信号处理单元将光平面信号转换为扫描角度并发送至解算计算机；

步骤3：根据步骤2获得的扫描角度获得两个光平面自初始时刻起旋转到达接收单元时的旋转角度，再将所述发射站的初始位置的光平面法向量左乘旋转矩阵获得旋转后的光平面法向量；

步骤4：根据步骤2获得的扫描角度和步骤3获得的光平面法向量建立单站测角模型，优化求解定向参数初值，获取定向参数初值后，再次优化求解定向参数精确值。

进一步的，所述步骤4具体包括：

步骤401：估算所述接收单元在合作靶标坐标系下的坐标初值随后建立单站测角模型，利用单站测角模型中后方交会原理求解所述全局坐标系到其他发射站坐标系的定向参数初值；

步骤402：根据获得的定向参数初值作为定向算法的迭代起点，利用合作靶标上各接收单元中心位置空间相对距离不变为刚性约束条件，对各发射站坐标系到全局坐标系的定向参数建立优化方程进行优化求解，迭代算法全局收敛后，得到的计算结果即为定向参数的精确值。

其中，步骤401中所述定向参数包括旋转矩阵和平移矩阵。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

本发明所述的利用合作靶标定向装置的空间测量定位***定向方法以合作靶标上各接收单元中心位置空间相对距离不变为刚性约束条件，无需事先精确确定合作靶标上各接收单元间的相对位置关系，消除了接收节点球型工装互换精度对定向参数精度的影响，同时合作靶标上多接收单元的设计保证了充分的约束条件，以冗余空间图形约束信息提高标定精度；

而且本发明的定向方法简单有效，以两步优化组成，第一步为在每个靶位处利用单站测角模型中后方交会原理优化求解合作靶标坐标系到T1坐标系间的定向参数初值；第二步为利用第一步得到的初值再次优化求解各发射站坐标系到全局坐标系的定向参数精确值。

附图说明

图1是本发明所述的合作靶标定向装置的结构示意图；

图2是本发明所述的定向方法的工作原理图。

图中：

1：合作靶标； 2：接收单元； 3：信号处理单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于空间测量定位的合作靶标定向装置，包括长方体的合作靶标1，接收单元2和信号处理单元3；

所述靶标1外表面固定设置多个接收单元2，所述接收单元与所述靶标外表面之间通过连接杆固定连接；所述接收单元2为两两相对设置，且每两个相对设置的接收单元分别位于相对的平面上；所述靶标上固定设置6个接收单元，其中3个接收单元位于所述靶标的顶部，另3个接收单元位于所述靶标的底部，设置有所述接收单元的两平面间隔一定距离。

所述信号处理单元位于所述合作靶标的内部，用于将所述接收单元接收并转化的信号计算出同步光平面信号与扫描光平面信号之间的时间差以及两个扫描光平面信号之间的时间差，并转换为扫描角度，通过靶标内部的无线网络或有线网络传输单元发送到解算计算机。

图2示出一种利用所述合作靶标定向装置的空间测量定位的定向方法，所述定向方法包括：

步骤一、固定若干个待定向发射站T1,T2…Tp在测试环境中，其中各发射站相距5m，设置一个合作靶标的定向装置的多个位置P1,P2,P3…Pm在测量环境中，保证合作靶标上各接收单元到各个发射站之间无遮挡；设所述发射站T1的坐标系作为全局坐标系，此时定向过程即为求解各发射站坐标系Tp到全局坐标系T1的定向参数，所述定向参数即为旋转矩阵和平移矩阵；

步骤二、由合作靶标采集发射站光平面的扫描角度θ₁、θ₂。

在各发射站测量的公共区域中将合作靶标前后移动m个位置，保证m≥2。以其中一位置为例，P1位置由合作靶标上的接收单元采集发射站的光平面信号并二值化为逻辑脉冲，由靶标内部的信号处理单元计算出同步光平面信号与扫描光平面信号之间的时间差以及两个扫描光平面信号之间的时间差并转换为扫描角度θ₁、θ₂，通过靶标内部的无线网络传输单元发送到解算计算机。其余位置的扫描角度的获得与上述方法相同，在此不再赘述。合作靶标采集数据示意图如图1所示；

步骤三、根据步骤2获得的扫描角度θ₁、θ₂获得两个光平面自初始时刻起旋转到达接收单元时的旋转角度，再将所述发射站的初始位置的光平面法向量左乘旋转矩阵获得旋转后的光平面法向量。其中，每个发射站内部都有一个固定的码盘零位，每次发射站的转子旋转到达该零位时发射站就会发出一个同步光信号，作为扫描角度测量的初始位置。

已知初始位置光平面1的法向量n₁₀为(a₁₀,b₁₀,c₁₀)，光平面2的法向量n₂₀为(a₂₀,b₂₀,c₂₀)。随着转子绕Z轴逆时针方向旋转，两个光平面自初始时刻起旋转到达接收单元时的旋转角度θ₁、θ₂可由步骤二得到，则由初始光平面法向量左乘旋转矩阵可得到旋转后的光平面法向量n1、n2：

步骤四，由步骤二和步骤三得到的扫描角度θ₁、θ₂和光平面法向量n1、n2对发射站进行全局定向。包括按顺序进行的以下步骤：

(1)估算接收单元在合作靶标坐标系下的坐标初值随后建立单站测角模型，每次选取一个发射站与全局坐标系进行定向，再利用单站测角模型中的后方交会原理解算m个位置处合作靶标坐标系到T1坐标系间的定向参数初值。

(2)由扫描角度θ₁、θ₂和光平面法向量n₁、n₂建立目标函数：

为便于分析，设合作靶标上安装n个接收单元，定向过程中靶标在空间中移动了m个靶位，待定向的发射站数量为p。在p个发射站的定向过程中，将发射站1作为主站，主站坐标系为全局坐标系。

m个靶位处靶标坐标系到主站坐标系下的旋转矩阵为R_Bi、平移矩阵为T_Bi(i＝1～m)；而主站坐标系到发射站p坐标系的旋转矩阵为R、平移矩阵为T，R与T即待为求解的定向参数。设n个接收单元中心位置在靶标坐标系下坐标(靶标内参P_b)为(x_Bj,y_Bj,z_Bj)(j＝1～n)，m个靶位处n个接收单元中心位置在主站坐标系下的坐标为(x_1ij,y_1ij,z_1ij)，在发射站p坐标系下的坐标为(x_pij,y_pij,z_pij)。则有：

由已知的每个发射站初始光平面参数[a_k,b_k,c_k,d_k]^T(k＝1,2)和扫描角度θ_ijk得m个靶位处n个接收单元对应的光平面法向量：

n_ijk表示第i靶位下第j个接收单元所获取的每个发射站的第k个光平面的法向量(i＝1～m；j＝1～n；k＝1,2)。

发射站1和发射站p的光平面约束方程：

则求解定向参数R与T的目标函数可表示：

其中F的决策变量R、R_Bi还必须满足旋转矩阵正交性约束条件：

最后，利用靶标上各接收单元中心位置空间相对距离不变的特征建立刚性约束条件，接收单元中心位置间距r_ij可表示：

r_ij＝||(x_1ij,y_1ij,z_1ij)^T-(x_1i(j+1),y_1i(j+1),z_1i(j+1))^T|| (7)

则刚性约束条件可以表示：

g_ij＝r_ij-r_(i+1)j＝0 (8)

本文采用外罚函数法将此有约束问题转换为无约束问题进行迭代求解。

由上述分析构造的非线性无约束目标函数为：

其中p₁、p₂为罚函数因子。由方程数目大于未知量数目的条件知，当满足式(10)：

5nm-6m-4n≥6 (10)

最优化问题minM存在最优解。

(3)以(1)得到的各参数初值作为优化方程的迭代起点，利用最优化方法对定向参数R与T进行优化求解，当迭代算法全局收敛后，得到的计算结果即为定向参数的精确值。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种空间测量定位的定向方法，其特征在于，所述定向方法利用合作靶标定向装置，所述合作靶标定向装置包括立方体的合作靶标(1)、接收单元(2)和信号处理单元(3)；

所述合作靶标外表面固定设置多个接收单元(2)，用于接收发射站光平面信号并二值化为逻辑脉冲；所述接收单元(2)为两两相对设置，且每两个相对设置的接收单元分别位于相对的平面上；所述接收单元为圆形目标,所述圆形目标的圆心位置作为目标点；

所述信号处理单元(3)位于所述合作靶标的内部，用于将所述接收单元接收并转化的信号转换为扫描角度，通过有线网络或无线网络将数据发送到解算计算机；

所述定向方法包括如下步骤：

步骤1：在待测区域固定若干待定向发射站，其中各发射站相距一定距离；结合发射站的测量范围，在待测量的公共区域附近设置一个合作靶标定向装置，且所述合作靶标定向装置上各接收单元到各个发射站之间无遮挡；随机选择一个所述发射站为主站，将所述主站坐标系作为全局坐标系O-XYZ；

步骤2：在各发射站测量的公共区域中将所述合作靶标定向装置前后移动多个位置，每个位置由接收单元采集各发射站的两个光平面信号，由信号处理单元将光平面信号转换为扫描角度并发送至解算计算机；

步骤3：根据步骤2获得的扫描角度获得两个光平面自初始时刻起旋转到达接收单元时的旋转角度，再将所述发射站的初始位置的光平面法向量左乘旋转矩阵获得旋转后的光平面法向量；

步骤4：估算所述接收单元在合作靶标坐标系下的坐标初值随后建立单站测角模型，利用单站测角模型中后方交会原理求解所述全局坐标系到其他发射站坐标系的定向参数初值；

根据获得的定向参数初值作为定向算法的迭代起点，利用合作靶标上各接收单元中心位置空间相对距离不变为刚性约束条件，对各发射站坐标系到全局坐标系的定向参数建立优化方程进行优化求解，迭代算法全局收敛后，得到的计算结果即为定向参数的精确值。

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