非正交轴系激光经纬仪测量系统标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及精密测量仪器，特别设及一种非正交轴系激光经绅仪测量系统的标定 方法。
【背景技术】
[0002] 经绅仪是一种精密的角度测量仪器，采用两台或多台经绅仪可W组成空间坐标测 量系统。但传统经绅仪均采用正交轴系架构，因此在其设计、加工、装配、检校和维护等方面 有严格的要求，从而也决定了该仪器制造、使用和维护的高成本。
[0003] 专利申请（基于非正交轴系激光经绅仪的测量方法，201410850221. 8)提出了一 种非正交轴系激光经绅仪。该非正交轴系激光经绅仪与传统经绅仪类似，也采用轴"架 构，但又与传统经绅仪不同，其轴"架构无正交要求，也无须交于空间一点。因此，与传 统经绅仪相比较，该非正交轴系激光经绅仪在仪器设计、加工、装配等方面降低了要求，进 而大大降低了该仪器制造和维护的成本。
[0004] 与传统经绅仪相同，仅单台非正交轴系激光经绅仪无法实现空间坐标测量，需要 两台或多台该仪器组成测量系统。但由于仪器非正交轴系架构的特殊性，传统经绅仪测量 系统光束平差法及精确互瞄法等标定方法并不适用，需要研究非正交轴系经绅仪测量系统 的标定方法。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术的不足，提供一种用于非正交轴系激光经绅仪测量系统的标定方 法，通过该方法，可W组建非正交轴系激光经绅仪测量系统，进而实现空间坐标、尺寸的测 量。为此，本发明采取的技术方案是，非正交轴系激光经绅仪测量系统标定方法，首先，进行 非正交轴系激光经绅仪内参数的标定；然后利用基准尺，建立两台非正交轴系激光经绅仪 之间的位姿关系，从而完成非正交轴系激光经绅仪测量系统的标定，包括下列详细步骤：
[0006] 1)利用=座标测量机、传统经绅仪测量系统或激光跟踪仪完成非正交轴系激光经 绅仪内参数的标定，非正交轴系激光经绅仪的内参指的是，非正交轴系激光经绅仪的=个 轴；竖直轴，横轴，视准轴，在世界坐标系下的方程；
[0007] 2)在合适的位置摆放，并固定两台非正交轴系激光经绅仪；
[000引 3)在测量空间中3个或3个W上位置处摆放基准尺；
[0009] 4)使两台非正交轴系激光经绅仪的准直激光束分别交汇于基准尺两端的标志；
[0010] 5)记录交汇时每台非正交轴系激光经绅仪的水平角和竖直角；
[0011] 6)根据测量系统标定模型得到两台非正交轴系激光经绅仪之间的位姿关系，完成 测量系统标定。
[0012] 根据测量系统标定模型得到两台非正交轴系激光经绅仪之间的位姿关系，完成测 量系统标定，具体步骤是，假设基准尺的长度为以基准尺左、右两端标记点在测量系统坐标 下的空间坐标分别为P_L和p_R，则有长度约束方程：
[0013] |p_l^-p_R|-L= 0 (17)
[0014] 假设其中任意一台非正交轴系激光经绅仪内部参数标定时的世界坐标系为WCSl， 测量系统的世界坐标系为SWCS，并称该非正交轴系激光经绅仪为1#非正交轴系激光经绅 仪，其余为2#非正交轴系激光经绅仪，若1#非正交轴系激光经绅仪初始状态轴上的点在 SWCS和WCS1下分别为巧和，贝贿
[0015]
【主权项】
1. 一种非正交轴系激光经炜仪测量系统标定方法，其特征是，首先，进行非正交轴系激 光经炜仪内参数的标定；然后利用基准尺，建立两台非正交轴系激光经炜仪之间的位姿关 系，从而完成非正交轴系激光经炜仪测量系统的标定，包括下列详细步骤： 1) 利用三座标测量机、传统经炜仪测量系统或激光跟踪仪完成非正交轴系激光经炜仪 内参数的标定，非正交轴系激光经炜仪的内参指的是，非正交轴系激光经炜仪的三个轴：竖 直轴，横轴，视准轴，在世界坐标系下的方程； 2) 在合适的位置摆放，并固定两台非正交轴系激光经炜仪； 3) 在测量空间中3个或3个以上位置处摆放基准尺； 4) 使两台非正交轴系激光经炜仪的准直激光束分别交汇于基准尺两端的标志； 5) 记录交汇时每台非正交轴系激光经炜仪的水平角和竖直角； 6) 根据测量系统标定模型得到两台非正交轴系激光经炜仪之间的位姿关系，完成测量 系统标定。
2. 如权利要求1所述的非正交轴系激光经炜仪测量系统标定方法，其特征是，根据测 量系统标定模型得到两台非正交轴系激光经炜仪之间的位姿关系，完成测量系统标定，具 体步骤是，假设基准尺的长度为L，基准尺左、右两端标记点在测量系统坐标下的空间坐标 分别为P_L和p_R，则有长度约束方程： p_L-p_R|-L = O (17); 假设其中任意一台非正交轴系激光经炜仪内部参数标定时的世界坐标系为WCS1，测量 系统的世界坐标系为SWCS，并称该非正交轴系激光经炜仪为1#非正交轴系激光经炜仪，其 余为2#非正交轴系激光经炜仪，若1#非正交轴系激光经炜仪初始状态轴上的点在SWCS和 WCSl下分别为C和C，则有
同理，定义2#非正交轴系激光经炜仪内部参数标定时的世界坐标系为WCS2,若其初始 状态轴上的点在SWCS和WCS2下分别为C和 ^local ? 则有
(5) "D T1" 其中，Mat为坐标系SWCS和WCS2之间的转换矩阵，Mai = () i，R为旋转矩阵，T为 平移向量，且_a、b、c、d为四兀 数，其满足下式夫糸：
a2+b2+c2+d2= 1 (6) 两台或多台非正交轴系激光经炜仪交汇于空间点P时，有 TT TT (W1 *r〇 -V-W2^r1 *V) *(w3 ·C1 - W1 *c3) = (W1 · r3 -V-W3^rl · V)*(w2 -C1 -W1 -c2) (14) 其中，
P，Rp、tp及Q P、t(^别为 1# 和2#非正交轴系激光经炜仪视准轴坐标系CS到世界坐标系WCS的旋转矩阵和平移向量， 厂6::(、厂6，.；：分别为P点在Iii和狀非正交轴系激光经讳仪视准轴坐标系CS下的坐标； 当基准尺摆放三个或者三个以上的位置时，由（6)、（14)、（17)可得到至少10个方程， 通过非线性方程组的求解得到参数矩阵Mat，由（5)式可知，若已知转换矩阵Mat，则可将各 非正交轴系激光经炜仪进行坐标系统一，进而得到在统一坐标系SWCS下的各非正交轴系 激光经炜仪的视准轴动态方程，联立各视准轴动态方程，从而实现被测点空间坐标的解算 与测量。
3.如权利要求1所述的非正交轴系激光经炜仪测量系统标定方法，其特征是，利用激 光跟踪仪完成非正交轴系激光经炜仪内参数的标定，具体包括如下步骤： 对于竖直轴5位姿的标定：在水平转台上固定一标准小球或磁性基座，并使标准小球 或磁性基座随水平转台绕竖直轴旋转多于3个位置，通过三座标测量机、传统经炜仪测量 系统或激光跟踪仪等仪器设备对其位置坐标进行测量，上述仪器设备的测量坐标系即为世 界坐标系1，然后进行空间圆拟合，则拟合空间圆的中心轴线方程即为竖直轴5在世界坐标 系1下的方程。若PI、P2为该中心轴线上任意两点，则竖直轴5可由直线^的方程表 示； 对于横轴6初始位姿的标定：在竖直转台上固定一标准小球或磁性基座，并使标准小 球或磁性基座随竖直转台绕横轴旋转多于3个位置，通过三座标测量机、传统经炜仪测量 系统或激光跟踪仪对其位置坐标进行测量，上述仪器设备的测量坐标系即为世界坐标系1， 然后进行空间圆拟合，则拟合空间圆的中心轴线方程即为横轴6在世界坐标系1下的方程， 若P3、P4为该中心轴线上任意两点，则横轴6可由直线_的方程表示； 对于视准轴7初始位姿的标定：在视准轴方向摆放一投影板，投影板上预设" + "或"〇" 标志，并使视准轴激光束中心与投影板上标志中心重合，通过传统经炜仪测量系统对标志 中心位置坐标进行测量，然后沿视准轴方向在多于2个位置移动投影板，并进行重合对准、 测量，上述仪器设备的测量坐标系即为世界坐标系1，然后进行空间直线拟合，则拟合空间 直线方程即为视准轴7在世界坐标系1下的方程，若P5、P6为该空间直线上任意两点，则视 准轴7可由直线P5P6的方程表示。
【专利摘要】本发明涉及精密测量仪器，为提供一种用于非正交轴系激光经纬仪测量系统的标定方法，通过该方法，可以组建非正交轴系激光经纬仪测量系统，进而实现空间坐标、尺寸的测量。为此，本发明采取的技术方案是，非正交轴系激光经纬仪测量系统标定方法，首先，进行非正交轴系激光经纬仪内参数的标定；然后利用基准尺，建立两台非正交轴系激光经纬仪之间的位姿关系，从而完成非正交轴系激光经纬仪测量系统的标定。本发明主要应用于非正交轴系激光经纬仪测量场合。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104880205
【申请号】CN201510352862
【发明人】吴斌, 薛婷
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月24日