[发明专利]一种激光跟踪测量系统连续跟踪测量方法及装置

说明书

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系统连续跟踪测量方法及装置。

背景技术

激光跟踪测量系统具有测量精度高、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。激光跟踪测量系统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，使激光跟踪测量系统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，激光跟踪测量系统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，目前激光跟踪测量系统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，解决激光跟踪测量系统在复杂现场环境中，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系统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：

一种激光跟踪测量系统连续跟踪测量方法，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；

激光跟踪测量系统测量合作靶标，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，激光跟踪测量系统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系统进行自动瞄准，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；定义激光跟踪测量系统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系统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，节省激光跟踪测量系统恢复跟踪测量的时间，大幅提高测量效率；