采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法

摘要

一种采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法。包括对标准杆进行标定；测量发射站发出的两旋转激光平面分别到达接收器时发射站转台旋转角度值θ1、θ2；根据发射站转台旋转角度值θ1、θ2求得发射站发出的两个旋转激光平面的旋转光平面方程在自身坐标系下的方程参数；解算接收器在发射站自身坐标系下的方位角及俯仰角对发射站进行全局定向等步骤。本发明的定向方法不依赖辅助设备进行全局定向，定向时对WMPS系统站位摆放没有有严格要求，因此能够有效地降低系统使用成本。同时采用本发明提供的定向方法时只需要一人在十几分钟即可完成WMPS系统现场定向，从而可以大大提高WMPS系统测量网络的组网效率，因此十分适合工业现场使用。

权利要求

1.一种采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法，其特征在于：所述的快速定向方法包括按顺序进行的下列步骤：步骤一，对标准杆进行标定；

步骤二，测量发射站发出的第一旋转激光平面M1、第二旋转激光平面M2分别到达接收器时发射站转台旋转角度值θ1、θ2；

步骤三，根据发射站转台旋转角度值θ1、θ2求得发射站发出的两个旋转激光平面的旋转光平面方程在自身坐标系下的方程参数；

步骤四，解算接收器在发射站自身坐标系下的方位角及俯仰角；

步骤五，对发射站进行全局定向；

所述的标准杆由标准杆杆体(A)、信号处理单元(B)、第一接收器(RT)和第二接收器(RB)组成；其中：标准杆杆体(A)为管状结构，其中部集成有信号处理单元(B)，两端分别安装有第一接收器(RT)和第二接收器(RB)；

信号处理单元(B)为第一接收器(RT)和第二接收器(RB)的数据处理单元，同时还具有无线通讯功能，其能够单独采集每个接收器时间值数据并以此计算角度信息，并将测量得到的角度信息通过Zigbee无线传感网络发送给解算工作站；

第一接收器(RT)和第二接收器(RB)均为WMPS系统接收器，用于采集发射站发出的旋转激光平面信号和脉冲激光信号；

在步骤五中，所述的对发射站进行全局定向的方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在布置好发射站后，将标定所需的标准杆安装在三脚架上，并将标准杆调至竖直状态，以计算标准杆到发射站的近似水平距离，并选择发射站Tx1的坐标系作为全局测量坐标系，此时全局定向过程即求解其余各个发射站坐标系相对于发射站Tx1的旋转矩阵及平移向量；

2)完成标准杆调竖直后，移动三脚架并保持标准杆的近似竖直状态，在空间J个位置获取发射站扫描角度信息，J满足4NJ+J＞7N+3J，其中N为发射站数量，并保证每两个发射站间至少有四个位置标准杆可同时接收到两个发射站信号；

3)在解算各定向参数前，计算标准杆两端接收器在发射站坐标系下的坐标近似值；

4)计算发射站Txn相对于发射站Tx1的近似旋转变换；

5)计算发射站Txn在发射站Tx1坐标系下原点坐标近似值；

6)以近似值为迭代初值，建立优化方程进行优化求解，得到发射站Txn相对于发射站Tx1的旋转矩阵及原点坐标的精确值，至此整个发射站全局定向过程结束。

2.根据权利要求1所述的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法，其特征在于：所述的标准杆杆体(A)由碳纤维、殷钢或陶瓷材料制成。

说明书

采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法

技术领域

[0001] 本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量技术领域，特别是涉及一种采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法。

背景技术

[0002] 工作空间测量定位系统(WMPS：Workspace Measurement Positioning System)是针对航天、航空、造船等大型制造业测量需求及全局测量控制网的特点而发展起来的一种新型多站网络式室内空间测量定位系统，可实现大尺度空间坐标的网络化高精度自动测量。图1为已有技术的工作空间测量定位系统(即《扫描平面激光空间定位系统测量网络的构建》所描述的工作空间测量定位系统)组成示意图。如图1所示，这种WMPS定位系统主要由多个发射站101、多个接收器102和解算工作站103组成，此类系统采用基于光电扫描的空间角度自动测量方法对单个接收器102进行定位，发射站101在工作时不负责解算接收器坐标，而是通过向外发射带有角度信息的光信号，为测量空间内的接收器提供定位服务，最后由解算工作站103完成相应运算从而实现定位；接收器102收到发射站101发出的光信号后可以从中得到自身在每个发射站坐标系下的角度信息，在已知发射站101相互关系后，只要有两个以上的发射站101就可以使用角度交汇方法计算出接收器102的三维坐标。

[0003] WMPS系统在使用前的关键准备步骤是标定各发射站101坐标系到全局坐标系的旋转矩阵及平移矢量，并将各个发射站101在自身坐标系下的角度测量结果统一到预定的全局测量坐标系下才能计算接收器102坐标，这一过程称为WMPS系统的全局定向过程。在现有的定向方法中，欲实现定向过程通常需要在现场测量空间内布设20个以上的测量控制点，采用经纬仪或激光跟踪仪等设备对控制点进行辅助定位，以获得控制点坐标近似值，并同时采用WMPS系统接收器102测量各发射站101发出的旋转激光平面扫过控制点时的转台角度，然后以辅助设备测量得到的坐标近似值为迭代初值结合接收器102测得的角度信息构造约束方程，并采用优化算法解算发射站101旋转矩阵及平移矩阵。

[0004] 综上所述，现有的WMPS全局定向方法严重依赖辅助设备，无法实现系统自定向，在需要快速组网测量的场合，表现出以下突出问题：

[0005] (1)由于目前此种依赖辅助设备的全局定向方法至少需要两人配合操作才能完成，因此完成一次定向时间较长，效率极低。

[0006] (2)同时由于WMPS系统的测量结果和辅助设备的测量结果需要一一对应，多人操作容易产生配合失误，从而导致解算失败。

[0007] (3)另一方面，测量时由于需要WMPS系统及辅助设备能够同时在控制点处进行测量，因此对两个系统的相互间站位摆放也有一定要求。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法，解决现有采用辅助设备的标定方法中所存在的定向效率低下问题。

[0009] 为了达到上述目的，本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法包括按顺序进行的下列步骤：

[0010] 步骤一，对标准杆进行标定；

[0011] 步骤二，测量发射站发出的两旋转激光平面分别到达接收器时发射站转台旋转角度值θ1、θ2；

[0012] 步骤三，根据发射站转台旋转角度值θ1、θ2求得发射站发出的两个旋转激光平面的旋转光平面方程在自身坐标系下的方程参数；

[0013] 步骤四，解算接收器在发射站自身坐标系下的方位角及俯仰角；

[0014] 步骤五，对发射站进行全局定向。

[0015] 所述的标准杆由标准杆杆体、信号处理单元、第一接收器和第二接收器组成；其中：

[0016] 标准杆杆体为管状结构，其中部集成有信号处理单元，两端分别安装有第一接收器和第二接收器；

[0017] 信号处理单元为第一接收器和第二接收器的数据处理单元，同时还具有无线通讯功能，其能够单独采集每个接收器时间值数据并以此计算角度信息，并将测量得到的角度信息通过Zigbee无线传感网络发送给解算工作站；

[0018] 第一接收器和第二接收器均为WMPS系统接收器，用于采集发射站发出的旋转激光平面信号和脉冲激光信号。

[0019] 所述的标准杆接收器由碳纤维、殷钢或陶瓷材料制成。

[0020] 在步骤五中，所述的对发射站进行全局定向的方法包括按顺序进行的下列步骤：

[0021] 1)在布置好发射站后，将标定所需的标准杆安装在三脚架上，并将标准杆调至竖直状态，以计算标准杆到发射站的近似水平距离，并选择发射站Tx1的坐标系作为全局测量坐标系，此时全局定向过程即求解其余各个发射站坐标系相对于发射站Tx1的旋转矩阵及平移向量；

[0022] 2)完成标准杆调竖直后，移动三脚架并保持标准杆的近似竖直状态，在空间J个位置获取发射站扫描角度信息，J满足4NJ+J＞7N+3J，其中N为发射站数量，并保证每两个发射站间至少有四个位置的标准杆可同时接收到两个发射站信号；

[0023] 3)在解算各定向参数前，计算标准杆两端接收器在发射站坐标系下的坐标近似值；

[0024] 4)计算发射站Txn相对于发射站Tx1的近似旋转变换；

[0025] 5)计算发射站Txn在发射站Tx1坐标系下原点坐标近似值；

[0026] 6)以近似值为迭代初值，建立优化方程进行优化求解，得到发射站Txn相对于发射站Tx1的旋转矩阵及原点坐标的精确值，至此整个发射站全局定向过程结束。

[0027] 本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法不依赖辅助设备进行全局定向，定向时对WMPS系统站位摆放没有有严格要求，因此能够有效地降低系统使用成本。同时采用本发明提供的定向方法时只需要一人在十几分钟即可完成WMPS系统现场定向，从而可以大大提高WMPS系统测量网络的组网效率，因此十分适合工业现场使用。

附图说明

[0028] 图1为已有技术的工作空间测量定位系统组成示意图。

[0029] 图2为已有技术的发射站结构示意图。

[0030] 图3为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中所采用的标准杆结构示意图。

[0031] 图4为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中激光发射数学模型示意图。

[0032] 图5为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中标定数据采集时系统部分结构示意图。

[0033] 图6为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中接收器局部坐标解算示意图。

[0034] 图7为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中接收器近似旋转变换求解示意图。

[0035] 图8为本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法中的水平高度差求解示意图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的采用标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法进行详细说明。

[0037] 本方法是基于《扫描平面激光空间定位系统测量网络的构建》所述的工作空间测量定位系统(即所述的已有技术中的WMPS系统)，并利用一标准杆进行定位。如图1-图5所示，本发明提供的快速定向方法是在已有技术WMPS系统的基础上，针对接收器102进行了改进，即使用标准杆作为接收器来代替已有技术的接收器102；因此，本发明中所述的WMPS系统除接收器外，其它主要部分均与已有技术中的WMPS系统相同。

[0038] 本发明提供的仅采用单个标准杆的工作空间测量定位系统快速定向方法包括按顺序进行的下列步骤：

[0039] 步骤一，对标准杆进行标定：标准杆的结构如图3所示，其由标准杆杆体A、信号处理单元B、第一接收器RT和第二接收器RB组成；其中：

[0040] 标准杆杆体A为管状结构，由碳纤维、殷钢、陶瓷等温度系数较小的材料制成，在其中部集成有信号处理单元B，两端分别安装有第一接收器RT和第二接收器RB；两个接收器的光学中心距离为L，可以通过二维影像仪等外部辅助器材测量标定L的准确值，在WMPS系统定向过程中，用L值作为系统缩放尺度标准；

[0041] 信号处理单元B为第一接收器RT和第二接收器RB的数据处理单元，同时还具有无线通讯功能，其能够单独采集每个接收器时间值数据并以此计算角度信息，并将测量得到的角度信息通过Zigbee(Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词)无线传感网络发送给解算工作站；

[0042] 第一接收器RT和第二接收器RB均为WMPS系统接收器，用于采集发射站发出的旋转激光平面信号和脉冲激光信号。

[0043] 步骤二，测量发射站发出的两旋转激光平面M1、M2分别到达接收器时发射站转台旋转角度值θ1、θ2：

[0044] 本发明提供的快速定向方法中所采用的发射站与已有技术中的发射站相同，如图2所示，WMPS系统所用的发射站由转台及基座组成，其中转台主要由旋转平台201和两个线激光器202组成，基座主要由脉冲激光器203、光编码器204、驱动电机205和固定基座206组成。

[0045] 发射站工作时其上转台在驱动电机205的驱动下绕固定轴207逆时针匀速旋转，同时由两个线激光器202向外发射两束相互之间具有一定空间角度的旋转激光平面M1和旋转激光平面M2；每当转台转至预定位置就会触发基座内的脉冲激光器203发出全向光脉冲作为转台单周旋转起点的时间同步标记光信号；当旋转激光平面M1或M2扫过接收器或接收器接收到同步标记光信号时，接收器内部的传感器处理电路将光信号转化为电信号，同时通过内部计时器记录下此时时间值并解算发射站转台转过旋转角度值θ1、θ2，然后通过Zigbee无线传感网络将角度值发送给解算工作站。解算工作站将采集传感器记录的多个发射站转台旋转角度值，并以此计算出此时接收器的精确坐标。

[0046] 步骤三，根据发射站转台旋转角度值θ1、θ2求得发射站发出的两个旋转激光平面的旋转光平面方程在自身坐标系下的方程参数：

[0047] 如图4所示，发射站的数学模型为绕公共旋转轴上一点的两个旋转的非平行半平面及一个以固定频率发射脉冲光的点光源，在组装完毕后定义发射站自身坐标系为：旋转激光平面M1与旋转轴的交点为发射站原点，旋转轴为Z轴，X轴为初始时刻(即转台转至固定位置，发射器发射脉冲光时)线激光器202光轴所在位置，Y轴遵循右手定则；出厂前对单台发射站转台旋转角速度ω进行设定，并标定发射站的两个旋转激光平面M1，M2在转台转至初始位置时的平面结构参数(主要为两平面结构方程)；处于初始位置处发射站的两个旋转激光平面M1，M2的旋转光平面方程为：

[0048]

[0049] 由发射站数学模型可知当发射站的两个旋转激光平面M1，M2扫描分别到达接收器时，发射站转台转过角度分别为θ1、θ2，可求得发射站两个旋转光平面方程在自身坐标系下的方程参数为：

[0050]

[0051] 此时，发射站光平面法矢量表示为：

[0052]

[0053] 步骤四，解算接收器在发射站自身坐标系下的方位角及俯仰角：

[0054] 制造过程中可保证旋转激光平面M1与旋转轴交点近似以及旋转激光平面M1与旋转轴交点(发射站原点)接近(＜3mm)，此时由发射站原点引出一条射线指向接收器，并定义接收器在发射站坐标系下的俯仰角β及水平角方位角α，如图4所示；假设射线的方向矢量为r，则当接收器位于该发射站旋转激光平面M1及M2内时有r⊥n1，r⊥n2此时，可求解接收器在发射站坐标系下的方位角α及俯仰角β近似为：

[0055]

[0056] 步骤五，对发射站进行全局定向：

[0057] 如图5所示，WMPS系统工作时，发射站一般采取水平安置的方式。当标准杆方向与发射站旋转轴平行时，靠发射站测角功能结合三角关系可估算出接收器到发射站之间的水平距离。因此，发射站调平后可将标准杆调至竖直状态，在不同位置估算标准杆两端接收器的坐标及各个发射站坐标系转换关系，并通过光束平差方法解算发射站定向参数。采用标准杆的发射站全局定向无需经纬仪等辅助设备参与，主要包含数据采集及解算两个过程，其中：步骤1)和步骤2)为数据采集过程，主要通过发射站和接收器完成；步骤3)-步骤6)为解算过程，均在解算工作站内部完成；对发射站进行全局定向的方法包括按顺序进行的下列步骤：

[0058] 1)在布置好发射站后，将标定所需标准杆安装在三脚架上，并将标准杆调至竖直状态，以计算标准杆到发射站的近似水平距离；在采用标准杆进行发射站全局定向时，选择发射站Tx1的坐标系作为全局测量坐标系，此时全局定向过程即求解其余各个发射站坐标系相对于发射站Tx1的旋转矩阵及平移向量。

[0059] 2)完成标准杆调竖直后，移动三脚架并保持标准杆的近似竖直状态，在空间J个位置获取发射站扫描角度信息，J满足4NJ+J＞7N+3J，其中N为发射站数量；并保证每两个发射站间至少有四个位置标准杆可同时接收到两个发射站信号，至此数据采集过程完毕，转入全局定向参数解算。

[0060] 3)在解算各定向参数前，需计算标准杆两端接收器在发射站坐标系下的坐标近似值；考虑到标准杆方向与发射站旋转轴近似平行，采用接收器角度测量公式(4)可得到标准杆顶部接收器RT的俯仰角βT及水平角αT，以及标准杆底部接收器RB的俯仰角βB及水平角αB，如图6所示；此时由于发射站及接收器同处于竖直状态，可得α＝αT≈αB，T如已知标准杆长L，则标准杆两端接收器在发射站坐标系下的坐标(xT yT zT) 及(xB yB zB)T
可表示为：

[0061]

[0062]

[0063] 4)计算发射站Txn(n＞1)相对于发射站Tx1的近似旋转变换；如图7所示：选择发射站Tx1的坐标系作为全局测量坐标系，当采用标准杆进行发射站全局定向时，由于各个发射站水平摆放，因此不同发射站坐标系间的旋转变换关系可用绕发射站Z轴的旋转角度近似描述。假定发射站坐标系绕自身旋转轴选转角度θrzn后可使自身坐标系方向与全局坐标系(发射站Tx1坐标系)方向大致相同，则表示发射站Txn(n＞1)相对于发射站Tx1的近似旋转变换的四元数为qTXGn(cos(θrzn/2)，0，0，sin(θrzn/2))。进行数据采集时，由于标准杆竖直放置与发射站轴向方向一致，其两端点接收器的XY坐标近似相同。利用这一特点，可通过两个不同位置处标准杆接收器的水平坐标求解θrzn，水平面内由标准杆位置A1指向标准杆位置A2的矢量在发射站Tx1坐标系下为v12，其方向角为θ12。在发射站Txn坐标系下为v′12，方向角为θ′12，则旋转角度θrzn近似值为：

[0064]

[0065] 5)计算发射站Txn(n＞1)在发射站Tx1坐标系下原点坐标近似值，当以发射站Tx1坐标系作为全局坐标系时，如图8所示，易求发射站Txn与发射站Tx1的水平高度差Δz可表示为：

[0066] Δz＝tanβ1T·l1-tanβnT·ln (8)

[0067] 将标准杆分别置于测量空间内不同位置可以测得标准杆两端点在发射站Txn坐标系XY平面内坐标大致为(x1n，y1n)，在发射站Tx1坐标系XY平面内坐标大致为(x11，y11)。在求得Z轴旋转角度近似值θrzn后，可知发射站Txn在发射站Tx1坐标系下的XY原点坐标(x0n，y0n)为：

[0068]

[0069] 6)以近似值为迭代初值，建立优化方程进行优化求解，得到发射站Txn(n＞1)相对于发射站Tx1的旋转矩阵及原点坐标的精确值。为便于分析解算过程，假设在标定时全局测量网络中包括N台发射站，标准杆布置有J个参考位置，并且当接收器位于每个参考点处时都可以接收到全部发射站发出的光信号。如位于初始位置时发射站Txn的两个平面系T T数分别为：(a′n1，b′n1，c′n1，d′n1)、(a′n2，b′n2，c′n2，d′n2)，则当两个旋转激光平面分别扫过接收器时其测量坐标系平面方程系数为：

[0070]

[0071] (m∈(1，2)，n∈N)(10)

[0072] 其中m为发射站扫描光平面序号，n为发射站序号，角标TXG表示该参数属于测量坐标系下的发射站参数。a′nm，b′nm，c′nm为光平面法的初始矢方向余弦，此时测量空间内任意一点坐标(x，y，z)到发射站Txn的光平面m的距离可以表示为：

[0073]

[0074] 进行精确求解时，发射站Tx1的原点O为全局测量坐标系原点，当采用单位四元数qTXGn：(qTXGn1，qTXGn2，qTXGn3，qTXGn4)表示旋转矩阵RTXG时，全局测量网络内除发射站Tx1外，发射站Txn的坐标PTXGn及旋转四元数qTXGn为未知，则除发射站Tx1外每个发射站引入7个未知参数。假设标定位置i处的标准杆上两接收器坐标分别为PRXGjT：(xRXGjT，yRXGjT，zRXGjT)T，PRXGjB：(xRXGjB，yRXGjB，zRXGjB)T则位于第j个参考位置处的标准杆引入有PRXGjT、PRXGjB共6个未知参数，此时总的未知数为7(N-1)+6J，如果每个参考点处的接收器都可以接收到网络内所有发射站发出的信号，可以列出4NJ个形同式(11)的约束方程，如考虑基准尺度两端的接收器及基准尺本身的长度约束，则此时待解方程总数为4NJ+J。只要使4NJ+J＞7N+3J，待求方程组内方程数量就大于未知数数量，方程在理论上就是可解的。可以构造目标函数为：

[0075]

[0076]

[0077] 对该目标函数进行最小二乘优化求解即可得到每个发射站在测量坐标系下的定向参数最优解。

[0078] 至此，整个发射站全局定向过程结束。