基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置与方法与流程

本发明涉及一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置与方法，属于物联网高精度测量技术领域。

背景技术：

目前运动模拟领域、工业现场需要测量待测目标的姿态，有些场合不允许接触测量，这样光栅、码盘等传统方式不再适合，有的对测量成本限制较多，需要一种经济实惠、非接触的测量方式。

现有技术中论文“五自由度气浮台姿态的计算机视觉辅助确定”(四川大学学报，许剑，20090720)提出了一种使用计算机视觉辅助五自由度气浮台姿态测量的方法。该方法设计了一种“单目视觉+两轴倾角仪+三轴陀螺仪”的组合定姿方案，通过摄像机实时采集气浮台运动图像并识别出台上定位指示灯的图像坐标，进一步解算出气浮台的偏航角，该方法经实验验证能够对气浮台的姿态进行精确的估计和校正。但是其中提出的使用计算机视觉辅助五自由度气浮台姿态测量的方法，虽然可以通过摄像机采集到的气浮台运动图像解算出气浮台的偏航角，但采用了“单目视觉+两轴倾角仪+三轴陀螺仪”的组合定姿方案，无法实现通过单个传感器对气浮台姿态进行测量，测量精度受到多个因素的共同影响，难以进行误差的分析和补偿，而且使用了包括陀螺仪在内的多种传感器，测量系统的实现成本较高、模块化程度较低。

现有技术中论文“基于计算机视觉的三轴气浮台姿态确定”(计算机测量与控制，邱万斌，20150225)提出了一种基于计算机视觉的姿态确定方案。该方案设计了一种以非同心圆对为特征的平面靶标，基于二次曲线不变理论，计算该平面靶标在摄像机坐标系下的姿态，实现气浮台三轴姿态确定。该方案经实验验证可以实现三轴气浮台姿态的精确测量。但是其中提出的基于计算机视觉的姿态确定方案，虽然可以通过计算事先安装的合作靶标的姿态进而确定三轴气浮台的姿态，但是仍然无法避免光照条件变化等因素对相机成像造成的影响，在光照条件不佳时难以保证较高的测量精度。

现有技术中专利“一种对具有平行线特征的目标空间姿态测量方法”(发明专利，郝冲，20180202)提出了一种对具有平行线特征的目标空间姿态测量方法。该方法首先求取线激光照射到被测目标表面的直线的空间方向矢量，通过坐标系的旋转变换求解姿态角和方位角，具有测量系统架设方便、成本低、测量步骤简单等特点。但是其中提出的对具有平行线特征的目标空间姿态测量方法，虽然可以通过计算线激光照射到被测目标表面的直线的空间方向矢量，进而通过坐标系的旋转变换求解姿态角和方位角，但是由于采用了工业相机作为测量的传感器，得到的测量数据需要经过预处理、特征提取、位姿结算等步骤后才能得到最终的测量结果，整个测量过程所需的时间较长，采样频率和实时性受到制约。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的无法实现通过单个传感器对气浮台姿态进行测量，无法避免光照条件变化等因素对相机成像造成的影响，得到的测量数据需要经过预处理等步骤后才能得到最终的测量结果，且所需时间长，采样频率和实时性受到制约等问题，进而提供一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置，由测量基准平面、待测目标和激光测距仪组成；

所述测量基准平面位于待测目标的上方，三个激光测距仪均垂直于待测目标的上表面安装，激光测距仪发射的激光线与测量基准平面相交得到对应的光斑特征点，激光测距仪的测量输出值为激光测距仪的发射器到光斑特征点之间的距离，待测目标做三自由度的转动，其转动的范围确保三个激光测距仪对应的光斑特征点均位于测量基准平面上。

一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量方法，包括以下步骤：

将三个激光测距仪的发射器分别记作a、b、c，将三个激光测距仪对应的光斑特征点分别记作a1、b1、c1；

首先，建立姿态测量所必需的坐标系，建立与测量基准平面固连的参考坐标系w，其oxy平面与测量基准平面重合，oz轴与测量基准平面垂直，类似地，建立与待测目标上表面固连的物体坐标系t，其oxy平面与待测目标上表面重合，oz轴与待测目标上表面垂直；

之后，三个激光测距仪开始测量自身到测量基准平面之间的距离，分别记作ha、hb、hc，得到距离的测量值之后，将其上传至云端姿态解算算法的入口处，通过空间矢量运算计算得到待测目标的姿态；

在云端完成姿态解算之后，根据其他模块对姿态测量结果的请求指令，将姿态测量结果通过无线网络分发给其他模块。

本发明的有益效果为：

本发明采用激光测距仪作为传感器，传感器本身的输出结果受环境因素的影响较小，不会受到环境光照等条件改变的影响。并且与工业相机相比，激光测距仪的输出值具有明确的物理意义，不需要预处理、特征提取等额外的步骤，可以直接用于姿态的结算，从而能够缩短测量时间，提高系统的采样频率和实时性。

本发明测量方法中所需的传感器仅包括激光测距仪，无需其他传感器的辅助，可以实现成本更低、模块化程度更高的优点。并且姿态解算算法在云端运行，传感器端仅需要具备基本的网络通信功能，因此传感器端的硬件设备可以尽可能设计地简单便携，在方便安装的同时最大限度地减少了传感器安装对待测目标本身的影响。此外，姿态测量结果的分发也在云端进行，因此测量数据的接收端可以方便地通过网络请求测量数据和接收测量数据，接收端数量改变时无需增加或减少物理连线，使得测量系统在使用上更加灵活。

附图说明

图1为本发明基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置结构示意图。

图2为本发明基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置简化示意图。

图中的附图标记，1为测量基准平面，2为待测目标，3为激光测距仪。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置，包括：测量基准平面1、待测目标2和激光测距仪3等组成；

如图1所示，所述测量基准平面1位于待测目标2的上方，三个激光测距仪3均垂直于待测目标2的上表面安装，激光测距仪3发射的激光线与测量基准平面1相交得到对应的光斑特征点，激光测距仪3的测量输出值为激光测距仪3的发射器到光斑特征点之间的距离，待测目标2做三自由度的转动，其转动的范围应确保三个激光测距仪对应的光斑特征点均位于测量基准平面上。

基于上述一种基于物联网数据融合的高精度姿态测量装置的测量方法，包括以下步骤：

如图2所示，将三个激光测距仪的发射器分别记作a、b、c，将三个激光测距仪对应的光斑特征点分别记作a1、b1、c1；

首先，建立姿态测量所必需的坐标系，建立与测量基准平面固连的参考坐标系w，其oxy平面与测量基准平面重合，oz轴与测量基准平面垂直，类似地，建立与待测目标上表面固连的物体坐标系t，其oxy平面与待测目标上表面重合，oz轴与待测目标上表面垂直；

之后，三个激光测距仪开始测量自身到测量基准平面之间的距离，分别记作ha、hb、hc，得到距离的测量值之后，将其上传至云端姿态解算算法的入口处，通过空间矢量运算计算得到待测目标的姿态；

在云端完成姿态解算之后，根据其他模块对姿态测量结果的请求指令，将姿态测量结果通过无线网络分发给其他模块。

具体的姿态解算过程如下：

根据三个激光测距仪的安装位置，可以得到点a、b、c在物体坐标系下的坐标，分别记作pa、pb、pc；

由于三个激光测距仪均垂直于待测目标的上表面安装，可以得到激光测距仪发射的激光束与物体坐标系的oz轴平行，因此，点a、b、c与点a1、b1、c1之间仅有z轴坐标不同，且该坐标值恰好为对应的激光测距仪的测量值，可以得到点a1、b1、c1在物体坐标系下的坐标，分别记作pa′、pb′、pc′；

接下来，根据点a、b、c在物体坐标系下的坐标pa、pb、pc以及点a1、b1、c1在物体坐标系下的坐标pa′、pb′、pc′求取参考坐标系w相对于物体坐标系t的旋转矩阵；

在平面a1b1c1内，找到两个空间矢量其坐标分别为

可求得平面a1b1c1在物体坐标t下的法向量

以及平面a1b1c1的法向量

由此，可求得参考坐标系w相对于物体坐标系t的旋转轴和旋转角度θ；

根据轴角对和旋转四元数之间的变换关系，可求得参考坐标系w相对于物体坐标系t的旋转四元数q

其中，nx、ny和nz分别为旋转轴的3个分量，q0、q1、q2和q3分别为旋转四元数q的4个分量。

根据旋转四元数和旋转矩阵之间的变换关系，可求得参考坐标系w相对于物体坐标系t的旋转矩阵

最后，根据参考坐标系w相对于物体坐标系t的旋转矩阵可求得物体坐标系t相对于参考坐标系w的旋转矩阵

物体坐标系t相对于参考坐标系w的旋转矩阵即为测得的姿态信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。