一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法与流程

本发明属于车载雷达天线测量及对接方法领域，更具体的说，涉及一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法。

背景技术：

现代科学技术的发展，在航空、航天、机床及自动化装备等众多领域内，机器自身的空间六自由度位置定位的应用技术应用越来越广泛，并且要求越来越高。对空间一物体，不仅要测量它的某一自由度指标，而且要求精确检测其空间位置。要想知道空间物体的六个自由度，及沿x、y、z三个坐标方向的位移计绕三个坐标方向的转角α、β、γ。目前国内外对物体的六自由度位姿已进行了较为深入的研究并开发出了相应的测量系统。对物体的六自由度位姿测量主要通过gps技术、磁场感应技术、图像视觉处理技术及直接接触式测量集中方式实现。目前，在gps技术方面，美国的adroit公司推出的adroitads姿态测量系统，trimble公司推出的ms860定位与字条测量系统；在应用磁场感应技术方面，美国的williamr.patterson等人开发出用于测量远距离物体位置与角度的磁性追踪系统；在应用图像视觉处理技术方面，美国的perceptron、faro公司，英国的3dscanners公司均开发了相应的视觉测量系统。

gps技术适用于在视野开阔、障碍物较少的地区进行定位测量，尤其不适于进行室内位姿测量；磁感应原理由于其检测原理的限制，易受来自于周围环境磁场的影响，因此并不适于进行复杂条件下物体位姿的测量。直接接触式六自由度位姿测量技术由于其结构的局限，并不能运用于大型设备的位姿测量，且应用场合十分有限。现有的测量方式精度较低，成本较高，且难以实现六自由度的同时监控测量。

综合考虑功能要求、工作环境和成本等因素，本发明设计了一套低成本的空间位姿精确测量方案，提出了一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法。综合采用ccd相机、psd传感器、激光测距仪和倾角传感器，实现移动装置相对于固定装置的空间位姿偏差测量及对接。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法，能够解决现有技术条件下难以在实际情况下对空间六自由度车载雷达天线位姿偏差的实时测量及对接，且结构简单，精度高，成本低。

为解决上述技术问题，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法包括如下步骤：

s1、固定固定天线阵面，并以固定天线阵面为基准；

s2、测量移动天线阵面与固定天线阵面之间相对x轴和y轴的偏角δβ和δα，并根据测量结果将移动天线阵面调整至与固定天线阵面平行状态；

s3、测量移动天线阵面与固定天线阵面在绕z轴方向的夹角θ，并根据测量结果将θ调整为0°，即移动天线阵面与固定天线阵面平行；

s4、粗测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt，并根据测量结果调整移动天线阵面与固定天线阵面在高度方向上近似等高，前后方向上近似对齐；

s5、精测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxa和δza，并根据测量结果调整移动天线阵面与固定天线阵面在高度方向上等高，前后方向上对齐；

s6、测量移动天线阵面与固定天线阵面在y轴方向的距离δyd，并根据测量结果调整移动天线阵面与固定天线阵面在y轴方向的距离为0。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的步骤s2中采用两轴倾角传感器测量移动天线阵面与固定天线阵面之间相对x轴和y轴的偏角δβ和δα。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的步骤s3中测量移动天线阵面与固定天线阵面在绕z轴方向的夹角θ的具体方法为：

在移动天线阵面沿x轴方向的两端分别固定一个激光测距仪靶标ⅰ和激光测距仪靶标ⅱ，在固定天线阵面沿x轴方向的两端分别固定一个激光测距仪ⅰ和激光测距仪ⅱ，激光测距仪ⅰ与激光测距仪靶标ⅰ对应布置，激光测距仪ⅱ与激光测距仪靶标ⅱ对应布置，分别测得移动天线阵面与固定天线阵面对接面间的距离d1和d2，则

其中，θ为移动天线阵面与固定天线阵面在绕z轴方向的夹角，l为激光测距仪ⅰ与激光测距仪ⅱ之间的距离，d1为激光测距仪ⅰ与激光测距仪靶标ⅰ之间的距离，d2为激光测距仪ⅱ与激光测距仪靶标ⅱ之间的距离。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的步骤s4中采用视觉测量的方式粗测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法采用视觉测量的方式粗测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt的具体方法为：

在移动天线阵面上固定ccd相机，在固定天线阵面上固定ccd相机靶标，使ccd相机靶标处在ccd相机的视野范围内，ccd相机拍摄ccd相机靶标图像后，对图像进行特征提取和分析并计算出移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的步骤s5中精测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离δxa和δza的具体方法为：

在移动天线阵面沿x轴方向的两端各固定一个psd传感器，在固定天线阵面沿x轴方向的两端各固定一个激光发射器，在两个psd传感器上找出移动天线阵面与固定天线阵面位置没有偏差时的点作为基准点，测量过程中，两个psd传感器接收对应激光发射器发射的激光，识别激光点所在的位置，并与基准点对比，得移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的偏差δxt1,δxt2与δzt1,δzt2，则

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的步骤s6中测量移动天线阵面与固定天线阵面在y轴方向的距离δyd的具体方法为：

测得激光测距仪ⅰ与激光测距仪靶标ⅰ之间的距离dl1和激光测距仪ⅱ与激光测距仪靶标ⅱ之间的距离dl2，则

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法所述ccd相机靶标为五个呈十字形排布的led灯。

一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的有益效果为：

1.能够在实际情况下对空间六自由度车载雷达天线位姿偏差进行实时测量及对接，且结构简单，精度高，成本低。

2.利用高低精度传感器搭配的方式进行物理量的大量程、高精度测量，可以提高系统的测量的快速性、准确性，并且极大降低了装置的成本。

3.激光测距仪靶标ⅰ、激光测距仪靶标ⅱ、ccd相机靶标和psd传感器均安装在固定天线阵面，每次对接和拆解任务完成后，不需要重新标定，大大提高了实用性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的示意图。

图2为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法中移动天线阵面与固定天线阵面之间相对x轴和y轴的偏角的示意图。

图3为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法移动天线阵面与固定天线阵面在绕z轴方向的夹角的示意图。

图4为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法中粗测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离的示意图。

图5为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法精测量移动天线阵面与固定天线阵面在x轴方向和z轴方向的距离的示意图。

图6为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法移动天线阵面与固定天线阵面在y轴方向的距离的示意图。

图7为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的视觉测量模型的示意图。

图8为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的图像坐标系的示意图。

图9为本发明一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法的ccd相机靶标的示意图。

图中：移动天线阵面1；固定天线阵面2；两轴倾角传感器3；激光测距仪ⅰ4；激光测距仪靶标ⅰ5；激光测距仪ⅱ6；激光测距仪靶标ⅱ7；ccd相机8；ccd相机靶标9；psd传感器10；激光发射器11。

具体实施方式

具体实施方式一：

下面结合图1-9说明本实施方式，本发明属于车载雷达天线测量及对接方法领域，更具体的说，涉及一种空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法，能够解决现有技术条件下难以在实际情况下对空间六自由度车载雷达天线位姿偏差的实时测量及对接，且结构简单，精度高，成本低。

该空间六自由度车载雷达天线位姿偏差测量及对接方法包括如下步骤：

s1、固定固定天线阵面2，并以固定天线阵面2为基准；

s2、测量移动天线阵面1与固定天线阵面2之间相对x轴和y轴的偏角δβ和δα，并根据测量结果将移动天线阵面1调整至与固定天线阵面2平行状态；

s3、测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在绕z轴方向的夹角θ，并根据测量结果将θ调整为0°，即移动天线阵面1与固定天线阵面2平行；

s4、粗测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt，并根据测量结果调整移动天线阵面1与固定天线阵面2在高度方向上近似等高，前后方向上近似对齐；粗测量可以使得移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离变小，使得更高精度的传感器能够进行测量。

s5、精测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxa和δza，并根据测量结果调整移动天线阵面1与固定天线阵面2在高度方向上等高，前后方向上对齐；精测量在粗测量之后，这样可以充分利用传感器性能，节省生产制造成本。

s6、测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在y轴方向的距离δyd，并根据测量结果调整移动天线阵面1与固定天线阵面2在y轴方向的距离为0。

移动天线阵面1与固定天线阵面2可以分别固定在一辆可移动汽车上，x轴方向指行车方向，y轴方向指车宽方向，z轴方向指竖直方向，移动天线阵面1的调节可以选用现有技术中的调节设备，仅仅是简单的移动和旋转。本发明中可以采用研华1716高精度a/d数据采集板卡，用于采集各传感器反馈的模拟量或数字量信号。本发明运用机器视觉与激光测距技术相结合和原理进行物体空间位姿的测量。

具体实施方式二：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤s2中采用两轴倾角传感器3测量移动天线阵面1与固定天线阵面2之间相对x轴和y轴的偏角δβ和δα。两轴倾角传感器3的型号为ais2000，传感器测量范围是±30°，测量精度为0.002°，能够满足测量要求。两轴倾角传感器3测出移动天线阵面1与固定天线阵面2之间相对x轴和y轴的偏角δβ和δα后，将该位姿信息传递给调姿机构后，调姿机构作出相应调整，调姿机构绕轴yr和xr轴分别旋转角度δψ和满足δψ＝δα，则移动天线阵面1被调整至与固定天线阵面2平行状态。

具体实施方式三：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤s3中测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在绕z轴方向的夹角θ的具体方法为：

经前述调整，移动天线阵面1与固定天线阵面2上表面皆平行于水平面，即移动天线阵面1与固定天线阵面2的上表面互相平行，仅在绕z轴方向存在夹角。为测量该夹角，在移动天线阵面1沿x轴方向的两端分别固定一个激光测距仪靶标ⅰ5和激光测距仪靶标ⅱ7，在固定天线阵面2沿x轴方向的两端分别固定一个激光测距仪ⅰ4和激光测距仪ⅱ6，激光测距仪ⅰ4与激光测距仪靶标ⅰ5对应布置，以使得激光测距仪ⅰ4发射的激光被激光测距仪靶标ⅰ5接收，激光测距仪ⅱ6与激光测距仪靶标ⅱ7对应布置，以使得激光测距仪ⅱ6发射的激光被激光测距仪靶标ⅱ7接收，分别测得移动天线阵面1与固定天线阵面2对接面间的距离d1和d2，则

其中，θ为移动天线阵面1与固定天线阵面2在绕z轴方向的夹角，l为激光测距仪ⅰ4与激光测距仪ⅱ6之间的距离，d1为激光测距仪ⅰ4与激光测距仪靶标ⅰ5之间的距离，d2为激光测距仪ⅱ6与激光测距仪靶标ⅱ7之间的距离。

将测得的θ位姿信息传递给调姿机构后，调姿机构绕zr轴旋转角度δφ，满足δφ＝θ，使得移动天线阵面1与固定天线阵面2的对接面互相平行。激光测距仪ⅰ4和激光测距仪ⅱ6的型号为ft80rla-5000s1l8，测量范围是250～750mm，分辨率为0.25～0.75mm。

激光测距仪靶标ⅰ5、激光测距仪靶标ⅱ7均安装在固定天线阵面，每次对接和拆解任务完成后，不需要重新标定，大大提高了实用性。

具体实施方式四：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤s4中采用视觉测量的方式粗测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt。比如选用ccd相机8与ccd相机靶标9想配合进行粗测。本专利中所谓“粗测”、“近似等高”和“近似对齐”均是指位移测量精度达不到0.1mm，本专利中所谓“精测”、“等高”和“对齐”均是指位移测量精度达到或超过0.1mm。

具体实施方式五：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进四步说明，采用视觉测量的方式粗测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt的具体方法为：

经前述调整，移动天线阵面1与固定天线阵面2在三个方向上互相平行，仅在位移上存在偏差，即在x轴方向(即行车方向)和z轴方向(即竖直方向)的偏差。

在移动天线阵面1上固定ccd相机8，在固定天线阵面2上固定ccd相机靶标9，使ccd相机靶标9处在ccd相机8的视野范围内。ccd相机靶标9安装在固定天线阵面，每次对接和拆解任务完成后，不需要重新标定，大大提高了实用性。

ccd相机8拍摄ccd相机靶标9图像后，对图像进行特征提取和分析并计算出移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt。调姿机构将移动天线阵面1移动δxc和δzc，使满足δxc＝δxt，δzc＝δzt，则移动天线阵面1与固定天线阵面2高度方向上近似等高，前后方向上近似对齐。天线对接的工作场所为户外环境，因此选择的测量装置需要能够在环境干扰条件下正常工作。基于视觉的测量系统抗干扰能力强，能够在恶劣环境中工作。

利用ccd相机8和ccd相机靶标9测量距离是本领域的现有技术，但是为了使得本领域技术人员更容易理解，简单对其原理进行说明。

视觉测量方法的基础是拍摄被测物不同方位的图像，通过对拍摄所得图像的处理，获得物体实际坐标信息。图7中存在三个坐标系：世界坐标系w、相机坐标系c和图像坐标系。

世界坐标系是一个三维坐标系，为了使用方便，通常将世界坐标系定义在被测物体上。定义坐标点mi＝(x^w，y^w，z^w)^t为世界坐标系中点的三维坐标。ccd相机8坐标系也是一个三维坐标系，其原点位于ccd相机8的光心，z轴(又称光轴)从光心射出，垂直指向图像平面。相机坐标系c和世界坐标系w之间是刚体变换关系，图7中的r，t表示旋转和平移变换。图像坐标系是定义在ccd相机8拍摄到的图像上的坐标系，又被成为像素坐标系。如图8所示，坐标系原点位于图像左上角，坐标轴的方向分别为水平向右和竖直向下。图像坐标系中的点坐标(u，v)中的u和v分别表示一个像素点在图像中所处的列数和行数，图像中该点对应的值为该点的灰度信息。

已知被测物体在世界坐标系中n(n>＝3)个点的三维坐标及他们对应图像的二维点，求解出完全标定好的ccd相机8相对于被测物体的位姿，即旋转矩阵r和平移向量t的问题，被称为n点透视问题，即pnp问题。

要计算三维位姿，我们需要知道一组3d-2d对应点坐标，即世界坐标系w中点的坐标mi＝(x^w，y^w，z^w)^t投影在图像坐标系中的点的坐标为mi＝(u，v)^t。世界坐标系中的点的坐标到相机坐标系中的坐标(x^c，y^c，z^c)^t的变换关系可表示为式1-1。

其中，r为3*3的旋转矩阵，表示世界坐标系要和相机坐标系三个轴分别平行需要进行的旋转变换；t为3*1的平移向量，表示世界坐标系原点要与相机坐标系原点重合所需进行的平移变换，也表示世界坐标系原点在相机坐标系中的坐标。式1-1写成矩阵形式可表示为式1-2。

三维的相机坐标系中的点(x^c，y^c，z^c)^t经过小孔成像模型投影到二维的图像平面中，投影点的坐标记为(x，y)^t，该点在像素坐标系下的坐标记为(u，v)^t。投影点(x，y)^t的坐标单位为长度单位，对应的像素点坐标(u，v)^t的单位是像素个数，二者之间的变换关系可表示为式1-3。

式中u0，v0——光轴穿过图像平面的点的像素坐标；

du——单位像素在u方向上的长度；

dv——单位像素在v方向上的长度。

相机坐标系中的点(x^c，y^c，z^c)^t到二维图像平面的投影的点坐标(x，y)^t之间的关系可表示为式1-4。

式中f——相机的焦距。

由式1-3和1-4可得相机坐标系点(x^c，y^c，z^c)^t到图像坐标系中点的坐标(u，v)^t的变换关系可表示为式1-5。

将式1-5写成矩阵形式可表示为式1-6。

由式1-2和1-6可得世界坐标系中点(x^w，y^w，z^w)^t到图像坐标系中点(u，v)^t的变换关系即相机的投影模型，可表示为式1-7。

式中，——ccd相机8的内参；——ccd相机8的外参。

所述ccd相机靶标9为五个呈十字形排布的led灯，如图9所示。对获取的ccd相机靶标9图像处理的主要任务是圆形的检测与识别。目前大多识别圆和线条的方法基于霍夫变换。识别线条时，定义一个二维参数空间，将图像中的每个点映射成该二维空间中的点或曲线。线段上的每个点都将映射到二维参数空间里的一个点，参数空间中点的坐标即描述这条线的参数。圆的识别是线段识别过程的简单扩展，不同之处在于圆的描述需要三个参数，即圆心坐标和半径。与二维空间相比，三维空间需要的计算量更大，可以利用先验信息来减少计算量。

在测量过程中，被测物体即ccd相机靶标9在世界坐标系中的三维坐标已知，获取ccd相机靶标9图像后，并进行图像处理，可得ccd相机靶标9投影到图像坐标系中点的坐标，由相机投影模型可求解ccd相机8相对ccd相机靶标9的位姿信息。由于ccd相机8与移动天线阵面1相对固定，ccd相机靶标9与固定天线阵面2相对固定，所得的位姿也就是移动天线阵面1相对固定天线阵面2的位姿。

在式1-7相机投影矩阵中，旋转矩阵r可写作矩阵形式，可表示为式1-8。

那么相机投影矩阵可写作式1-9。

将式1-9写成等式形式为式1-10、1-11和1-12。

zc＝r31xw+r32xw+r33zw(1-12)

将式1-12带入式1-10、1-11可得式1-13和1-14。

式中，led灯在世界坐标系中的坐标(x^w，y^w，z^w)^t已知；zc可由测量获得；ccd相机焦距f已知；图像坐标系中像素坐标(u，v)^t和(u0，v0)^t可在图像识别中获得。由于旋转矩阵r为正交阵，矩阵中只有3个未知数，且用于检测的圆有五个。故由上述方程可计算出旋转矩阵r和移动矩阵t，即ccd相机相对ccd相机靶标的位姿信息，即移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的距离δxt和δzt。

具体实施方式六：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤s5中精测量移动天线阵面(1)与固定天线阵面(2)在x轴方向和z轴方向的距离δxa和δza的具体方法为：

经视觉测量获取偏差值并进行相应的调姿，移动天线阵面1与固定天线阵面2高度方向上近似等高，前后方向上近似对齐。但由于视觉测量方法本身的限制，这种方法精度不能到达系统要求，利用这种方法将偏差降低，限制到更精确的调姿方法的测量范围内，以便进行更精确的测量。

在移动天线阵面1沿x轴方向的两端各固定一个psd传感器10，在固定天线阵面2沿x轴方向的两端各固定一个激光发射器11，在两个psd传感器10上找出移动天线阵面1与固定天线阵面2位置没有偏差时的点作为基准点，测量过程中，两个psd传感器10接收对应激光发射器11发射的激光，识别激光点所在的位置，并与基准点对比，得移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向的偏差δxt1,δxt2与δzt1,δzt2，则

根据测量得到的位姿信息，调姿机构进行相应的调整，将移动天线阵面1沿x轴和z轴分别移动δxa和δza，则此时移动天线阵面1与固定天线阵面2在x轴方向和z轴方向上的偏差消除，即移动天线阵面1与固定天线阵面2高度相等，前后对齐。psd传感器型号为psd-2121，drx-2dpsd-pc002，感光面积大小为20mm*20mm，测量精度为0.05mm，可满足测量要求。

具体实施方式七：

下面结合图1-9说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤s6中测量移动天线阵面1与固定天线阵面2在y轴方向的距离δyd的具体方法为：

经前述调整，移动天线阵面1与固定天线阵面2在y轴方向，即车宽方向存在偏差。该距离的测量继续使用前述对夹角θ测量中使用的激光测距仪ⅰ4、激光测距仪靶标ⅰ5、激光测距仪ⅱ6与激光测距仪靶标ⅱ7。

测得激光测距仪ⅰ4与激光测距仪靶标ⅰ5之间的距离dl1和激光测距仪ⅱ6与激光测距仪靶标ⅱ7之间的距离dl2，则

由调姿机构进行相应的调整，即移动天线阵面1沿y轴方向移动δyd，则移动天线阵面1与固定天线阵面2对接面相接触，对接调姿工作完成。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。