一种基于wMPS的动态物体的位置姿态测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动态物体测量领域，特别是一种基于wMPS的动态物体的位置姿态测 量方法。
【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、造船等大型制造业位置姿态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，可实现大尺度空间整体坐标系下的高精 度自动并行测量。现有技术中的工作空间测量定位系统（《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）如图1包括多个激光发射站、多个激光接 收器（接收器）、信号处理器和解算工作站，系统采用基于光电扫描的空间角度自动测量方 法对单个接收器进行定位，其中，激光发射站在工作时不负责解算接收器坐标，而是轴系匀 速旋转向外发射带有角度信息的光平面信号，为测量空间内的接收器提供定位服务信号； 激光接收器接收光平面信号并转换为电信号发送给信号处理器，信号处理器以内部晶振为 时钟计时时间基准对发射站发出的光信号进行计时测量，并从中得到每个信号处理器自身 在每个发射站坐标系下的角度信息，角度信息在上传给解算工作站后，通过多个发射站之 间的角度交汇关系可计算出接收器的三维坐标。在上述工作模式中，发射站单向发送信息， 连接有接收器的信号处理器以本地晶振为计时基础完成计时测角，发送-接收之间采用广 播模式不存在闭环，因此确认等待环节，可实现全自动多点并行的高精度三维坐标测量，并 可通过增加发射站个数来达到增加量程的目的。目前，wMPS系统在航空航天制造现场等需 要多工序并行和整体精度控制的加工装配过程中已经获得大量成功应用。
[0003] 但是在如航天设备对接过程全物理仿真等动态测量应用中，关注重点不仅包括多 个设备在全局坐标系下的任一时刻空间位置和姿态，还需要在统一的时间轴上重建整个运 动过程。对于wMPS系统而言，在静态或准静态（测量时处于相对静止状态）测量的应用 中，被测物的空间位置和方位角度（姿态）可通过在被测物表面安装多个（3个以上）激光 接收器以最优化拟合算法解决被测物在全局坐标系（或wMPS坐标系）下的位置和姿态测 量。但是动态测量时，由于系统采用多个发射站发射旋转光信号对空间进行空间扫描，被测 物的运动必然会引入动态误差，影响物体位置姿态计算精度，主要包括以下方面：
[0004] (1)单个接收器接收多个发射站光信号不同步引入的坐标测量误差，该误差指在 物体运动过程中激光发射站光信号在不同位置先后到达单个接收器表面而引起的交会误 差；
[0005] (2)多个接收器间的测量时刻不同步而引入的姿态测量误差，由于被测物的空间 位置和方位角度（姿态）需要通过在被测物表面安装多个（3个以上）接收器进行拟合测 量，多接收器间的测量时刻同步误差主要指在物体运动过程中由于多个接收器空间坐标测 量时刻存在时间先后差异而引入的位姿测量误差。该同步误差主要来源于两方面，一方面 由于发射站在扫描空间多个接收器过程中光信号到达接收器时间先后顺序不同而引起的 坐标解算时刻差异，另一方面源于多个接收器数据在信号处理器内处理先后顺序不同而解 算时刻差异。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在计算结果中集成 信号处理器在本地计时信息，将激光接收器坐标测量结果同步到同一时刻，有效降低不同 激光接收器由于坐标测量时刻不同步造成被测物位置姿态测量误差的基于wMPS的动态物 体的位置姿态测量方法。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种基于wMPS的动态物体的位置姿态测量方法，包括 如下步骤：
[0008] 步骤一、在测量试验现场放置η个激光发射站，记为激光发射站i，i = 1，2,3···， n，然后在被测物表面任意选取m个测点安装激光接收器，记为激光接收器j，j = 1，2,3···， m，其中，η为激光发射站数量，m为激光接收器数量；
[0009] 步骤二、令η个激光发射站匀速自转，激光发射站i在自转周期T1的起始时刻发送 同步光脉冲，同时在自转周期T i内还发送两束扫描光脉冲，其中，η个激光发射站的自转周 期分别记为Tn T2、TfTn;所述的同步光脉冲、扫描光脉冲为光平面信号，激光发射站i的 同步光脉冲、两束扫描光脉冲的角度信息各不相同且η个激光发射站的同步光脉冲、两束 扫描光脉冲角度信息各不相同，其中，角度信息为光平面信号与水平面的垂直面的夹角；
[0010] 步骤三、令m个激光接收器将接收到的多个激光发射站发送的同步光脉冲及扫描 光脉冲并将其分别转换为同步电脉冲及扫描电脉冲信号；
[0011] 步骤四，以统一的计时基准对激光发射站i的同步电脉冲及扫描电脉冲信号按照 激光发射站i的自转周期T 1进行匹配计时，对于激光发射器i，将激光接收器接收到激光发 射器i的同步光脉冲的时刻记为t。，将激光接收器分别接收到激光发射器i的两束扫描光 脉冲的时刻分别记为Vt 2，得到在自转周期T1内激光发射器i扫过激光接收器时的旋转角 度Θ U、Θ 21分别为
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[0014] 将t。作为激光发射站i的时间戳；
[0015] 步骤五、建立wMPS坐标系，然后在wMPS坐标系中对激光发射站i的两束扫 描光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为（8Η，?3Η，(3Η，(1 Η)与（a2i，b2i，c2i，d2i)， 对激光发射站k的两束光平面的平面方程系数进行标定，并分别记为（alk，blk，clk，d lk) 与（a2k, b2k, c2k, d2k)，进而得到激光接收器j在tw时刻的坐标P Uj, y_j，zj，遍历所有激 光接收器，得到各个激光接收器坐标，并分别记为P1, P2, P3，…Pni,坐标解算时刻分别为 tPi, tp2, tp3,......tpm，其中，k = I, 2, 3···η，得到 Uj,乃，Zj)可由下式求得
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[0018]
[0019] (a2kcos ( Θ 2k) -b2ksin ( Θ 2k)) Xj+ (a2ksin ( Θ 2k) +b2kcos ( Θ 2k)) yj+c2kz^d2k= 0 ；
[0020] tpj为激光接收器j接收到的所有激光发射站时间戳的均值，wMPS坐标系的Z轴竖 直向上，Z轴与激光发射站1的第一束同步光脉冲的交点为原点，XOY平面过原点并垂直于 Z轴，第一束同步光脉冲与XOY平面的交线为X轴，Y轴指向根据右手定则确定；
[0021] 步骤六、如果 max(tpl, tp2, tp3, ."tpn)-min(tpl, tp2, tp3, ."tpn) < Tnax，则根据各个 激光接收器坐标（P1J2J3,……PJ计算动态物体位置姿态，动态物体的位置姿态测量结 束，如果11^(% 1，％2，％3，...％"1)1^11("％3，一％" 1)>1'随，则转入步骤七，其中，1^ = max (T1, T2, T3, ···, Ti)；
[0022] 步骤七、令tpq= max (t pl, tp2, tp3,......tpm)，得到tpq时刻激光接收器k的修正坐标
P"k为
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[0024] 其中W k为激光接收器k上一自转周期的坐标，q = 1，2, 3…m，C *为激光接 收器k上一自转周期的坐标P',的时刻；
[0025] 步骤八、根据各个激光接收器坐标P/'，P2"，P3"，…，P/计算动态物体位置姿态。
[0026] 所述的m彡3。
[0027] 所述的统一的计时基准为信号处理器的内部晶振。
[0028] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0029] (1)本发明方法以现有WMPS系统信号处理器时钟为时标，在计算结果中集成信号 处理器在本地计时信息，将连接信号处理器的多个激光接收器坐标测量结果同步到同一时 亥IJ，可有效降低不同激光接收器由于坐标测量时刻不同步而造成的被测物位置姿态测量误 差，实现基于wMPS的工业现场实时高精度大尺寸位姿测量；
[0030] (2)本发明方法克服