利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法
2023-10-17 20:14:59
利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法，步驟是：(1)現場構建多個長度基準：在多個剛性杆兩端安裝雷射跟蹤儀靶球座作為測量點，利用雷射跟蹤儀標定剛性杆兩端測量點間的距離；(2)布設多個雷射跟蹤儀靶球座作為全局測量點，安置基準長度的多個剛性槓，將剛性杆兩端的雷射跟蹤儀靶球座也當成全局測量點；(3)在m個站位下設置雷射跟蹤儀，測量所有全局測量點的三維坐標；(4)利用所有m個站位下全局測量點的三維坐標，實現方位定向，計算得到迭代初值；(5)建立雷射跟蹤儀測長、水平角、垂直角約束方程，構建長度基準的約束方程，優化全局測量點的三維坐標。本方法構造成本低，效率高，能夠有效增強坐標測量場精度。
【專利說明】利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於工業現場大尺寸三維坐標測量【技術領域】，特別涉及一種利用空間多長 度約束增強坐標測量場精度的方法。
【背景技術】
[0002] 大型裝備製造、裝配過程中的精密測量問題已成為航空航天、船舶製造等大型裝 備製造領域常見的迫切問題。這類測量問題面臨的複雜技術難題在於：一是測量空間龐大， 通常測量範圍在十幾米至幾十米；二是測量精度高，需要實現亞毫米的高精度測量，同時兼 顧兩者具有相當難度。因此，為了解決此類測量問題，實現大空間的全局測量和精度控制， 必須在測量空間內構建精密三維坐標測量場。
[0003] 雷射跟蹤儀作為一種大尺寸三維坐標測量儀器，是構建精密坐標測量場的常用手 段，但面對局部更高的測量精度需求，必須減小全局定向過程中的轉站誤差，增強區域的測 量場精度。目前存在利用雷射跟蹤儀單個站位測量實現坐標測量場構建的方法，該方法精 度不高、適用性較差，要求所有全局測量點必須在雷射跟蹤儀的測量範圍內，且測量過程中 不能存在空間遮擋，無法滿足現場大尺寸測量需求。
[0004] 近年來發展了一種利用雷射跟蹤儀多站位測量構建精密坐標測量場的方法，該方 法實現了空間測量範圍的擴展，滿足了大空間測量的量程要求。然而雷射跟蹤儀的測角誤 差較大（±15μπι+6μπι/πι)，制約了三維坐標測量場精度的提高。為了進一步提高測量場的 精度，目前一種比較有效的方法是在測量場中引入長度基準。現有的長度基準多採用現成 的實物基準尺構造，存在構建條件依賴性強，攜帶維護不方便，測量靈活性不高等缺點，無 法適應工業測量現場的要求，因此急需一種能夠現場實現、成本較低、靈活可靠的長度約束 構建方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於提供一種利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法，現 場構建空間長度基準，並利用所構建的多長度約束增強坐標測量場精度。該方法利用高精 度的雷射幹涉測距，在惡劣的工業測量環境下，通過跟蹤儀靶球座配合碳纖維或殷鋼杆現 場構造多個空間長度基準（μ m量級精度），長度基準可靈活布置於所需空間區域，構建成 本低，解決了實物基準尺攜帶、維護困難的問題。將構造的長度基準作為約束，加入到跟蹤 儀多站位對測量點的冗餘測量過程當中，從而克服單站空間遮擋問題並優化跟蹤儀測角誤 差，將測量場的三維坐標測量精度溯源至雷射幹涉測距的精度，進一步提高所構建長度基 準的測量點坐標精度，實現區域測量場的精度增強。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明一種利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的 方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、現場構建多個長度基準：在多個剛性杆兩端安裝雷射跟蹤儀靶球座作為 測量點，利用雷射跟蹤儀高精度的雷射幹涉測距，現場標定剛性杆兩端測量點間的距離；包 括：
[0008] 1-1、把剛性杆架設在雷射跟蹤儀正前方放置的兩個三角架上；
[0009] 1-2、將雷射跟蹤儀靶球分別置於剛性杆兩端的雷射跟蹤儀靶球座上，反覆調整兩 個三角架的姿態，使雷射跟蹤儀的幹涉測距方向與雷射跟蹤儀的Y坐標軸方向一致，進而 標定剛性杆兩端測量點間的距離；
[0010] 1-3、重複上述步驟1-1和1-2,從而現場標定出多個基準長度剛性杆，把這些標定 好的剛性杆在測量空間中隨意放置，從而現場構建多個長度基準；
[0011] 步驟二、在測量空間內的穩固位置布設多個雷射跟蹤儀靶球座作為全局測量點， 把步驟一標定好的基準長度的多個剛性槓穩固安置在工位型架上，將剛性杆兩端的雷射跟 蹤儀靶球座也當成全局測量點加入到測量場中；上述布設的雷射跟蹤儀靶球座的點與剛性 杆兩端的雷射跟蹤儀靶球座的點之和為η ;
[0012] 步驟三、在測量空間的某一站位設置雷射跟蹤儀，將雷射跟蹤儀靶球依次放在每 個雷射跟蹤儀靶球座上，測量全局測量點的三維坐標，將雷射跟蹤儀分別移到到另一新的 站位，重複上述過程，實現在m個站位下對全局測量點三維坐標的測量，在每個站位下雷射 跟蹤儀至少測量3個以上的公共測量點；
[0013] 步驟四、利用雷射跟蹤儀在m個站位下對全局測量點三維坐標的觀測值，完成所 有m個站位的方位定向，得到全局測量點和站位三維坐標的迭代初值；
[0014] 步驟五、建立雷射跟蹤儀自身球坐標系的測長、水平角、垂直角約束方程，同時利 用步驟一中構建的長度基準建立長度約束方程，利用步驟四方位定向得到的全局控制點和 站位三維坐標迭代初值，採用最優化方法求取全局測量點三維坐標的優化值，從而利用長 度約束增強三維坐標場的測量精度，實現將測量場的精度溯源至雷射幹涉測距的精度；包 括：
[0015] 5-1、根據雷射跟蹤儀在m個站位下對η個全局測量點的測量，得到mn組球坐標 測量參數(^，<，為)，其中，i表示第i個測量點，i = 1，2, ···，]!，j表示第j個站位，j = 1，2, ···，!!!，構造的長度約束為g，其中，k表示第k個長度約束，k = 1，2,…，Hl1, Hl1為構造 的長度約束個數；其中η是布設的點和所有基準長度剛性杆上的測量點之和；
[0016] 5_2、以某一站位坐標系作為全局坐標系，完成各個站位坐標系的方位定向，求得 全局坐標系下全局測量點和站位三維坐標的迭代初值.和(Χ)?，Ζ^，定向過 程中的旋轉矩陣為K1';
[0017] 5-3、每個測量站位局部坐標系下測量點的三維坐標由全局坐標系下測量點的三 維坐標通過式（1)轉換得到：
【權利要求】
1. 一種利用空間多長度約束增強坐標測量場精度的方法，包括以下步驟： 步驟一、現場構建多個長度基準：在多個剛性杆兩端安裝雷射跟蹤儀靶球座作為測量 點，利用雷射跟蹤儀高精度的雷射幹涉測距，現場標定剛性杆兩端測量點間的距離；包括： 1-1、把剛性杆架設在雷射跟蹤儀正前方放置的兩個三角架上； 1-2、將雷射跟蹤儀靶球分別置於剛性杆兩端的雷射跟蹤儀靶球座上，反覆調整兩個三 角架的姿態，使雷射跟蹤儀的幹涉測距方向與雷射跟蹤儀的Y坐標軸方向一致，進而標定 剛性杆兩端測量點間的距離； 1-3、重複上述步驟1-1和1-2,從而現場標定出多個基準長度剛性杆，把這些標定好的 剛性杆在測量空間中隨意放置，從而現場構建多個長度基準； 步驟二、在測量空間內的穩固位置布設多個雷射跟蹤儀靶球座作為全局測量點，把步 驟一標定好的基準長度的多個剛性槓穩固安置在工位型架上，將剛性杆兩端的雷射跟蹤儀 靶球座也當成全局測量點加入到測量場中；上述布設的雷射跟蹤儀靶球座的點與剛性杆兩 端的雷射跟蹤儀靶球座的點之和為η; 步驟三、在測量空間的某一站位設置雷射跟蹤儀，將雷射跟蹤儀靶球依次放在每個激 光跟蹤儀靶球座上，測量全局測量點的三維坐標，將雷射跟蹤儀移到另一新的站位，重複上 述過程，實現在m個站位下對全局測量點三維坐標的測量，在每個站位下雷射跟蹤儀至少 測量3個以上的公共測量點； 步驟四、利用雷射跟蹤儀在m個站位下對全局測量點三維坐標的觀測值，完成所有m個 站位的方位定向，得到全局測量點和站位三維坐標的迭代初值； 步驟五、建立雷射跟蹤儀自身球坐標系的測長、水平角、垂直角約束方程，同時利用步 驟一中構建的長度基準建立長度約束方程，利用步驟四方位定向得到的全局控制點和站位 三維坐標迭代初值，採用最優化方法求取全局測量點三維坐標的優化值，從而利用長度約 束增強三維坐標測量場的精度，實現將測量場的精度溯源至雷射幹涉測距的精度；包括： 5-1、根據雷射跟蹤儀在m個站位下對η個全局測量點的測量，得到mn組球坐標測量參 數其中，i表示第i個測量點，i= 1，2,…，n，j表示第j個站位，j= 1，2,…，m， 構造的長度約束為4，其中，k表示第k個長度約束，k= 1，2,…，Hi1,Hi1為構造的長度約束 個數；其中η是布設的點和所有基準長度剛性杆上的測量點之和； 5-2、以某一站位坐標系作為全局坐標系，完成各個站位坐標系的方位定向，求得全局 坐標系下全局測量點和站位三維坐標的迭代初值和?工定向過程中 的旋轉矩陣為<; 5-3、每個測量站位局部坐標系下測量點的三維坐標由全局坐標系下測量點的三維坐 標通過式（1)轉換得到：
式（1)中，&為全局坐標繫到站位j局部坐標系的旋轉矩陣，矩陣為3X3形式；在測 量站位局部坐標系下測量點的三維坐標(.<,，)轉換為球坐標測量參數為仏，)； 5-4、在全局坐標系下，構造長度基準的兩個全局測量點間的距離Lk表示為：
式⑵中，（xkl，ykl，zkl)和（xk2,yk2,zk2)分別為全局坐標系下第k個長度基準兩端全局 測量點的三維坐標； 5-5、建立雷射跟蹤儀測長、水平角、垂直角約束方程及高精度的長度約束方程：
式（3)中，反正切轉換實現量綱的統一，對於m個站位、η個全局測量點和Hi1個長度約 束，建立311111+1?個約束方程； 5-6、利用全局坐標系下全局測量點和站位三維坐標的迭代初值b1,>f,< )和 (f'zj，採用非線性最優化方法，求解全局測量點三維坐標的優化值，從而實現利用 長度約束增強坐標測量場的精度，其中的非線性最優化方法選用最小二乘法或牛頓法。
【文檔編號】G01B11/03GK104315983SQ201410549597
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】林嘉睿, 邾繼貴, 郭寅, 任瑜, 謝政委 申請人:天津大學