基于倾角传感的室内测量定位系统基站姿态自动补偿方法与流程

本发明涉及大尺度空间三维坐标测量方法，具体的说，是涉及一种基于光电扫描室内空间测量基站的姿态的自动补偿技术。

背景技术：

室内测量定位系统，是基于多站空间约束的新型大尺度空间坐标测量系统，因其具有精确度高、量程广、多任务同时测量等优点，被广泛应用于大尺寸部件生产中的精密测量和定位。室内测量定位系统是多站式高精度测量系统，借鉴全球定位系统的概念，多个发射站有规则地布置在测量空间内，通过定向建立大范围高精度测量网络。在整体测量网络中，发射站的定向参数对整体系统的测量精度有很大的影响，准确稳定的定向参数是高精度测量的基本前提。然而，随着应用环境越来越复杂，测量空间内的发射站不可避免地被外部振动或者长期结构蠕动所影响，导致定向参数失准。目前较有效的方式是周期性的系统重新校正标定，但是重复性的标定(包括基准尺标定和坐标控制场标定)必然导致大量重复性人工操作，十分低效。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于倾角传感的室内测量定位系统基站姿态自动补偿方法，此方法旨在实时自动补偿测量基站的定向参数，增加系统的稳定性，可以以通过倾角传感器自身姿态的改变量，实时补偿发射基站的姿态变化，增强测量系统的稳定性，适应恶劣的测量环境。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于倾角传感的室内测量定位系统基站姿态自动补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：根据发射站内部机械结构，设置嵌入有倾角传感器的发射站；

步骤二：基于自动安平水准仪与导轨机构，搭建水平基准坐标系；

步骤三：结合倾角传感器测量模型与发射站旋转测量模型，辅以水平基准坐标系，标定倾角传感坐标系与发射站测量坐标系相互位姿关系；

步骤四：通过倾角传感器的输出，结合姿态补偿算法，实时更新发射站姿态。

步骤二中建立水平基准坐标系的步骤如下：

步骤2-1：布置自动安平水准仪，根据水准泡将其调平；

步骤2-2：设置球形接收器和与其配套的承载球座；

步骤2-3：布置可升降的所述导轨机构，导轨机构上固定所述承载球座，承载球座上放置替代所述球形接收器的激光跟踪仪的反射靶球，调节导轨机构使反射靶球的球心处于水准器目镜十字叉丝交点处，即完成了等高控制点的布置；所述反射靶球为1.5英寸；

步骤2-4：通过激光跟踪仪测量等高控制点及其他控制点，以等高控制点为xoy平面建立水平基准坐标系oh-xhyhzh。

步骤三标定倾角传感坐标系与发射站测量坐标系相互位姿关系的步骤如下：

步骤3-1：结合发射站测量范围，在水平基准坐标系前布置发射站，发射站测量水平基准坐标系的所有点；

步骤3-2：定义发射站坐标系ot-xtytzt，根据发射站测量模型，计算出发射站坐标系与水平基准坐标系oh-xhyhzh的旋转矩阵，其中两个坐标系满足以下关系：

其中(am,bm,cm,dm)m＝1,2是发射站的光平面方程,m是光平面方程序号，θ是发射站扫描角，(xh,yh,zh)为水平基准坐标系下坐标；分别是发射站到水平基准坐标系的旋转矩阵与平移矩阵；

步骤3-3：通过空间后方交会测量方法，计算得到发射站到水平基准坐标系的旋转矩阵

步骤3-4：建立倾角传感器测量模型，定义倾角传感器坐标系为oi-xiyizi；

步骤3-5：根据倾角传感器测量模型，将倾角传感器读数转化为绕相应轴的旋转角：

其中a和β是倾角传感器输出读数，θi和γi为倾角传感器绕自身x,y轴的旋转角；

则水平基准坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵为：

其中γi为旋转矩阵中绕z轴旋转角；

步骤3-6：定义发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵为并将旋转矩阵参数化

其中r1…r9为已知参数，ri1…ri9为待求参数；

步骤3-7：根据坐标系刚性变换关系，可以得到：

数学处理后即为：

步骤3-8：调整测量基站至少三个姿态，结合旋转矩阵正交约束条件，构建非线性最优化目标方程，迭代优化求解；

步骤四实时更新发射站姿态的步骤如下：

步骤4-1：实时获取倾角传感器读数，计算水平基准坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵；

步骤4-2：基于已标定的发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵，计算发射基站姿态更新矩阵，实时补偿更新发射站姿态，得到姿态补偿算法如下：

其中(ct)new,(ct)old分别为发射站最新姿态与发射站初始姿态，分别为倾角传感器最新输出矩阵与初始输出矩阵。

自动安平水准仪的安平精度≤0.3″，每公里往返测量的标准偏差≤±1mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明根据倾角传感器的高精度测角原理，不断获取倾角传感器姿态变化，结合倾角传感坐标系与发射站坐标系的姿态关系，实时更新发射站的自身姿态。此方法解决了在恶劣环境下测量基站姿态因抖动变化而无法实时补偿的问题，有效避免了重复性大范围重新定向，增强了系统鲁棒性。

附图说明

图1是倾角传感器嵌入的发射站透视剖面示意图。

图2是水平基准坐标系的建立方式示意图。

图3是倾角传感器测量模型示意图。

图4是发射站测量模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

该发明将高精度双轴倾角传感器嵌入到室内测量定位系统测量基站中，提供一种实时补偿基站姿态变化的方法，通过后方交会方法实现发射站坐标系与倾角传感坐标系的标定，根据倾角传感器变化值，实时补偿测量基站姿态，增强系统在恶劣环境下的鲁棒性。

步骤一、参见图1，根据发射站内部机械结构，结合倾角传感器特性，将倾角传感器嵌入到发射站中；

步骤二、参见图2，空间中固定自动安平水准仪，通过水准泡将其调平；本实施例中自动安平水准仪选择苏州一光仪器有限公司生产的dsz2，其安平精度≤0.3″，每公里往返测量的标准偏差≤±1mm。

设计1.5英寸球形接收器与配套的承载球座，其中1.5英寸球形接收器与激光跟踪仪的反射靶球尺寸一致，保证两接收球互换后球心处于同一点；空间中布置可升降导轨，球座固定导轨之上，球座上放置激光跟踪仪的反射靶球，其中靶球的球心可视，调节导轨使激光跟踪仪的反射靶球的球心处于水准器目镜十字叉丝交点处，即完成了等高控制点的布置；

使用激光跟踪仪测量等高控制点以及空间中其他控制点，以等高控制点为xoy平面建立水平基准坐标系oh-xhyhzh；

结合发射站测量范围和发射站测量模型(见图4)，在水平基准坐标系前布置发射站，将球形接收器分别放到水平基准坐标系各个点上，接收发射站的扫描光平面信号以及同步标记光信号，通过后方交会方法得到发射站坐标系到水平基准坐标系的旋转关系

步骤三、参见图3，定义倾角传感器坐标系为oi-xiyizi，得到倾角传感器两轴读数，根据倾角传感器测量模型将倾角传感器读数转化为绕相应轴的旋转角：

其中a和β是倾角传感器输出读数，θi和γi为倾角传感器绕自身x,y轴的旋转角；

通过以上关系，计算水平基准坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵为：

其中γi为旋转矩阵中绕z轴旋转角；

定义发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵为并将旋转矩阵参数化如下

其中r1…r9为已知参数，ri1…ri9为待求参数

根据发射站坐标系、水平基准坐标系和倾角传感器坐标系三者旋转关系，可以得到：

通过上式联立方程组：

调整测量基站至少三个姿态，通过线性方程求解最小二乘解，计算得到ri1…ri9，即发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵；

结合旋转矩阵约束条件，构建非线性最优化目标方程，通过迭代算法进行优化求解最终发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵精确解；

其中

步骤四、实时获取倾角传感器读数，基于已标定的发射站坐标系到倾角传感器坐标系的旋转矩阵，计算发射站姿态更新矩阵，实时补偿发射站姿态，得到姿态补偿算法如下：

综上所述，本发明实现了基于倾角传感的室内测量定位系统基站姿态自动补偿方法，通过倾角传感器的高精度姿态感知，进行发射站姿态补偿更新，有效避免了在复杂恶劣环境下由于振动或者蠕动导致的测量基站姿态改变，大大提高整体测量场的稳定性，符合如今的高精度、大范围的测量要求，提高了工作空间测量系统的适用性。

其中，本发明技术方案中涉及的倾角传感器测量模型可参考文献:“文香稳.盾构姿态测量中的倾角仪误差补偿研究[d].华中科技大学,2011.”；

发射站测量模型可参考文献：“杨凌辉.基于光电扫描的大尺度空间坐标测量定位技术研究[d].天津大学,2010”；

空间后方交会测量方法可参考文献：“刘哲旭.面向大型复杂现场的测量定位方法研究[d].天津大学,2014”。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。