一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法

1.本发明是关于一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，涉及光学精密计量领域。


背景技术：

2.空间中任何一个物体都具有六个空间自由度，通过确定这六个位姿参数就可以唯一地确定物体在空间中的位置和姿态。对物体的大尺度六自由度定位在许多领域都有着重要应用：例如在航天领域，对航天器的位姿测量是航天器间实现精确组网和对接的基础；在机械加工领域，对自动化机器人进行精确的末端位姿测量可以提升机器人手眼反馈控制性能，保证加工产品的质量；在飞机制造、造船等需要大型构件装配的场合，对部件进行位姿测量可以引导装配过程，提升装配精度。
3.激光多站法是大范围位姿测量方法中比较常见的一种。激光多站法是通过三个或以上的基站追踪目标物上的至少三个目标点，仅通过距离测量而不需要角度测量即可恢复被测目标点的六自由度位姿参量。在不要求测量被测物完整的姿态参数的场合下，激光多站法也可以仅用于对目标物进行三自由度坐标测量或其他数目的多自由度参量测量。例如测量三自由度坐标时，只需要使三个或以上基站对目标物上单个目标点进行跟踪测距。在激光多站法中，计算目标位姿参量时需要基站自身的坐标作为已知量。因此，实际测量前需要对基站坐标进行标定，而参量标定的精度直接影响目标位姿测量的精度。
4.现有技术中要实现基站坐标自标定需要采用冗余测量的方案，首先需要固定至少四个基站，以四个基站为基准建立空间坐标系，四个基站的三维坐标中会包含九个未知数。使各基站同时追踪被测空间中一个目标点，并记录各基站到目标点的距离。随后，将目标点移动至多个不同位置，并依次被至少四个基站同时测量。这样，每次对目标点进行测量会在产生三个未知数，也就是被测点三维坐标的同时，建立四个包含未知数的等式，也就是目标点到基站的距离等于测距值。通过这样的方法产生足够的冗余测量数据后，使用数值最优化的算法，迭代求出标定过程中所有未知数的值。该方法需要测量的数据较多，需要使用数值最优化算法，自标定过程复杂，耗时长。另外，该方法对基站坐标的标定采用的是间接式测量方法，自标定精度较低。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，能够实现基站坐标高效、精确自标定。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，包括：
7.设置有基站互瞄自标定系统，该系统包括至少三基站，每一基站的出光位置均设置有跟踪转镜；
8.以第一基站的零点建立空间坐标系；
9.进行第一基站和第二基站的间距测量，包括：旋转第一基站和第二基站相应的跟踪转镜，使第一基站和第二基站出射的测量光的传播方向重合且反向；获得第一基站的测量光与第二基站的参考光之间的第一光程差；获得第二基站的测量光与第一基站的参考光之间的第二光程差；基于第一光程差和第二光程差计算得到第一基站和第二基站的间距；
10.依次类推，采用上述第一基站和第二基站的间距测量方法获得各基站之间的间距；
11.基于各基站之间的间距获得各基站坐标，完成基站坐标自标定。
12.本发明的一个优选实施例中，跟踪转镜包括二维转台和反射镜，二维转台的两个转轴交于一点即为基站的零点，反射镜固定设置在二维转台上，反射镜的镜面经过基站的零点。
13.本发明的一个优选实施例中，第一基站与第二基站的间距指的是第一基站零点与第二基站零点的距离。
14.本发明的一个优选实施例中，以第一基站的零点建立空间坐标系，包括：
15.以第一基站零点(0，0，0)为原点，第二基站零点(x2，0，0)所在轴为x轴，第三基站零点(x3，y3，0)所在平面为xoy平面，建立空间直角坐标系。
16.本发明的一个优选实施例中，第一光程差和第二光程差的测试过程，包括：
17.第一基站内至少设置有第一准直镜、第一分光镜、第一探测器和第一参考镜，第二基站内至少设置有第二准直镜、第二分光镜、第二探测器和第二参考镜，所有基站共用一光源和一光学耦合器，其中，第一基站的出光处设置第一跟踪转镜，第二基站的出光处设置第二跟踪转镜；
18.光源发出的脉冲光经光纤耦合器分别到达第一准直镜和第二准直镜，经第一准直镜出射的光进入第一分光镜被分为测量光和参考光，其中，参考光入射到第一参考镜并原路返回后透过第一分光镜进入第一探测器，测量光先后经第一跟踪转镜和第二跟踪转镜到达第二分光镜，经第二分光镜反射进入第二探测器；脉冲光经过第二准直镜、第二分光镜及第二参考镜的光路与上述光路传播完全对称；第一探测器和第二探测器各采集到一对脉冲，通过测量两脉冲到达相应探测器的时间差，得到第一光程差和第二光程差。
19.本发明的一个优选实施例中，第一光程差和第二光程差的表达式为：
[0020][0021]
式中，d1、d2是互瞄状态下第一探测器和第二探测器的绝对测距读数；l
f1
、l
f2
是指从光学耦合器的分光点分别到第一准直镜和第二准直镜的出光口的光程；l
d1
、l
d2
是指从第一准直镜和第二准直镜出光口分别到第一分光镜和第二分光镜的分光点的光程；l
u1
、l
u2
是指第一分光镜和第二分光镜的分光点分别到第一跟踪转镜和第二跟踪转镜的零点光程；l
r1
、l
r2
是指第一分光镜和第二分光镜的分光点分别到第一参考镜和第二参考镜的光程，l
12
是第一基站和第二基站零点之间的光程即要计算的基站间距。
[0022]
本发明的一个优选实施例中，第一基站和第二基站的间距为：
[0023]
l
12
＝(d1+d2)/2-(l
u1-l
r1
)-(l
u2-l
r2
)。
[0024]
本发明的一个优选实施例中，基于各基站之间的间距获得各基站坐标为：
[0025][0026]
其中，l
13
为第一基站与第三基站之间的间距，l
23
为第二基站与第三基站之间间距。
[0027]
本发明的一个优选实施例中，对于基站数目超过三个时，在完成三个基站坐标自标定的基础上，分别测量这三个基站到其他基站的距离，基于各基站之间的间距计算出当前空间坐标系下的其他基站坐标。
[0028]
本发明的一个优选实施例中，当设置有第四基站时，第四基站(x4，y4，z4)的坐标为：
[0029][0030]
其中，l
14
、l
24
和l
34
为第四基站到第一～第三基站的距离。
[0031]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
[0032]
1、本发明首次提出在多站法位姿测量场合下，采用共享同一光源的基站进行站间互瞄式的绝对距离测量方法进行站间距离的标定，进而实现基站坐标的自标定。
[0033]
2、本发明可以直接实现各基站零点之间的绝对距离测量，并直接根据几何关系确定各基站坐标，不需要冗余的测量或最优化算法，对于n个基站的系统，只需要3n-6次测量即可完成自标定，提升了测量前自标定的效率。
[0034]
3、本发明能够使基站间距测量精度达到与基站本身的绝对距离测量精度相同的水平，避免了复杂的基站坐标解算算法导致的自标定精度下降的问题。
[0035]
综上，本发明可以广泛应用于基站坐标的自标定中。
附图说明
[0036]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0037]
图1为本发明一实施例的三站式测量下基站互瞄自标定系统结构示意图。
[0038]
图2为本发明一实施例的基站1和基站2的互瞄式站间测距原理图。
具体实施方式
[0039]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进
行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0040]
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0041]
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
[0042]
激光多站法所使用的测距方法主要包括ifm(干涉测量)与adm(绝对距离测量)。其中，ifm只能测量连续运动的目标点，而adm可以测量基站到目标点的绝对距离，不需要目标从零点连续地移动到目标位置。基于adm的特性，本发明提供一种基于绝对距离测量的多站法自标定方法，包括：设置有基站互瞄自标定系统，该系统包括至少三基站，每一基站的出光位置均设置有跟踪转镜；以第一基站的零点建立空间坐标系；第一基站和第二基站之间的间距测量，包括：旋转第一基站和第二基站相应的跟踪转镜，使第一基站和第二基站出射的测量光的传播方向重合且反向；获得第一基站的测量光与第二基站的参考光之间的第一光程差；获得第二基站的测量光与第一基站的参考光之间的第二光程差；基于第一光程差和第二光程差计算得到第一基站和第二基站之间的间距；依次类推，采用上述第一基站和第二基站的间距测量方法获得各基站之间的间距；基于各基站之间的间距获得各基站坐标，完成基站坐标自标定。因此，本发明使用来自同一光源的多个基站，采用基站与基站之间互瞄，能够实现基站坐标的高效、精确自标定。
[0043]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0044]
本发明提供的多站法基站坐标自标定方法基于绝对距离测量实现多基站坐标自标定。为了实现多基站坐标自标定，本发明提供一种基站互瞄自标定系统，该系统包括至少三个基站，每一基站的出光位置均设置有一跟踪转镜，其中，每个基站内均至少设置有准直镜、分光镜、探测器和参考镜，且所有基站共用一光源和一光学耦合器，需要说明的是，对于实现坐标自标定的基站的数量不进行限制，可以根据实际测量需要进行设置。
[0045]
进一步地，跟踪转镜包括二维转台和反射镜，二维转台可以采用自动或手动的二维转台，转台的两个转轴交于一点，即该基站的零点，反射镜固定设置在二维转台上，反射
镜的镜面经过零点，基站发出的测量光入射到零点通过反射镜进行反射到测量目标上。
[0046]
本发明以三个基站作为实施例详细说明采用基站与基站之间互瞄的方法，实现基站坐标的高效、精确自标定的实现过程，以此为例，不限于此。本实施例的各个基站共享同一个光源，使用adm方法使共享同一光源的其中一个基站的测量光与另一基站参考光相结合，基站内部的光路和光源也可以根据adm方法不同改用其他形式，本实施例使用的adm方法是比较常见的基于脉冲光源的飞行时间测距法，以此为例，不限于此。
[0047]
进一步地，本实施例采用测量光回射的方法标定测距基站零位长度实现基站坐标自标定的具体过程，包括：
[0048]
s1、建立空间坐标系
[0049]
具体地，如图1所示，本实施例以基站1的零点建立空间坐标系，即以基站零点1(0，0，0)为原点，基站零点2(x2，0，0)所在轴为x轴，基站零点3(x3，y3，0)所在平面为xoy平面，建立空间直角坐标系。
[0050]
s2、当需要标定基站1与基站2间间距时，首先旋转基站1和基站2相应的跟踪转镜，使基站1和基站2出射的测量光的传播方向重合且反向，图中基站3发出的测量光未示出。
[0051]
具体地，基站1与基站2的间距指的是基站1和基站2发出的测量光在相对应的跟踪转镜上发生反射的点(基站1零点、基站2零点)的距离。
[0052]
s3、基站1发出的测量光进入基站2后，与基站2内部的参考光之间存在一个光程差，通过基站2内部的探测器进行adm测得该光程差，基站2的测量光与基站1的参考光之间的光程差同理可测。
[0053]
本实施例中，上述光程差的测量过程具体为：
[0054]
光源a发出的脉冲光通过光纤经光纤耦合器b到达基站1的准直镜11和基站2的准直镜21。经准直镜11出射的光进入分光镜12被分为测量光和参考光。其中，参考光入射到参考镜13并原路返回，再透过分光镜12进入探测器14。其中，测量光先后经跟踪转镜15和跟踪转镜25的反射到达分光镜22，经分光镜22的反射进入探测器24。脉冲光经过准直镜21、分光镜22及参考镜23的光路与上述完全对称，故不赘述，此时探测器14和探测器24各采集到一对脉冲，通过测量两脉冲到达探测器的时间差，可以求得两脉冲间的光程差，它们的光程差表示为公式(1)。
[0055][0056]
式中，d1、d2是互瞄状态下探测器14和探测器24的绝对测距读数。l
f1
、l
f2
是指从光学耦合器b的分光点分别到准直镜11和准直镜21的出光口的光程；l
d1
、l
d2
是指从准直镜11和准直镜21分别到分光镜12和分光镜22的分光点的光程；l
u1
、l
u2
是指分光镜12和分光镜22的分光点分别到跟踪转镜15和跟踪转镜25的零点光程；l
r1
、l
r2
是指分光镜12和分光镜22的分光点分别到参考镜11和参考镜21的光程。l
12
是基站1和基站2零点之间的光程，也就是要计算的基站间距。
[0057]
s4、基于上述光程差计算得到基站1和基站2之间的间距
[0058]
具体地，在公式(1)的基础上将两者相加并求均值可以得到两基站间距的表达式，如公式(2)所示。等式右侧第一项为两探测器测得光程差之和的平均值，后两项分别为两基
站中从分光镜到跟踪转镜的光程与分光镜到参考镜的光程之差，这个差值是每个基站自身的零位长度。
[0059]
l
12
＝(d1+d2)/2-(l
u1-l
r1
)-(l
u2-l
r2
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
其中，零位长度是指一个基站中分光镜分光点到跟踪转镜零点的光程与分光镜分光点到参考镜的光程之差，也就是当测量臂的光被跟踪转镜从零点沿原路返回时该基站中探测器的绝对测距读数。
[0061]
进一步地，如图2所示，只需要将跟踪转镜15绕反射点转动到与来自分光镜12的测量光垂直，使该光束原路返回，与基站1中的参考光合光并入射到探测器14上，即可测得基站1的零位长度，其余基站的零位长度同理可得，对此不作赘述。
[0062]
需要说明的是，对于不同的基站结构，也可以采用其他的标定零位长度的方法，本发明中采用的互瞄法基站间距标定方案也适用于采用其他零位长度标定方法的情况，以此为例，不限于此。
[0063]
s5、按照上述方法，分别求得基站1与基站2之间、基站1与基站3之间以及基站2与基站3之间的间距l
12
，l
13
以及l
23
，进而得到各基站的坐标。
[0064]
具体地，根据当前所建立的坐标系求出各个基站在当前坐标系下的坐标如公式(3)所示：
[0065][0066]
需要说明的是，由于基站坐标自标定的本质是对基站之间绝对距离的标定，因此更换坐标系建立方式不影响本发明所提出的互瞄式自标定方法的适用性，本实施例的坐标系建立仅作为示例性进行说明，不作为限制。
[0067]
进一步地，对于基站数目超过三个的情况，可以在完成三个基站自标定的基础上，分别测量这三个基站到其他基站的距离，并采用与多站式坐标测量相同的方法计算出当前坐标系下的其余基站坐标。
[0068]
例如，对于一个新的第四个基站(x4，y4，z4)，它到基站1、基站2和基站3的距离分别为l
14
、l
24
和l
34
，其坐标可以用公式(4)计算：
[0069][0070]
综上，本发明是多站式位姿测量系统中基于绝对距离测量的基站坐标自标定方法，共享同一光源的多个绝对距离测量基站，通过站间互瞄的方法实现站间距离的自标定，进而实现基站坐标的自标定，解决了传统自标定方案精度低、标定过程复杂的问题，能够提升多站式位姿测量系统的测量效率和精度。
[0071]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、“进一步地”、“具体地”、“本实施例中”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0072]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于包括：设置有基站互瞄自标定系统，该系统包括至少三基站，每一基站的出光位置均设置有跟踪转镜；以第一基站的零点建立空间坐标系；进行第一基站和第二基站的间距测量，包括：旋转第一基站和第二基站相应的跟踪转镜，使第一基站和第二基站出射的测量光的传播方向重合且反向；获得第一基站的测量光与第二基站的参考光之间的第一光程差；获得第二基站的测量光与第一基站的参考光之间的第二光程差；基于第一光程差和第二光程差计算得到第一基站和第二基站的间距；依次类推，采用上述第一基站和第二基站的间距测量方法获得各基站之间的间距；基于各基站之间的间距获得各基站坐标，完成基站坐标自标定。2.根据权利要求1所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，跟踪转镜包括二维转台和反射镜，二维转台的两个转轴交于一点即为基站的零点，反射镜固定设置在二维转台上，反射镜的镜面经过基站的零点。3.根据权利要求2所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，第一基站与第二基站的间距指的是第一基站零点与第二基站零点的距离。4.根据权利要求1所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，以第一基站的零点建立空间坐标系，包括：以第一基站零点(0，0，0)为原点，第二基站零点(x2，0，0)所在轴为x轴，第三基站零点(x3，y3，0)所在平面为xoy平面，建立空间直角坐标系。5.根据权利要求4所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，第一光程差和第二光程差的测试过程，包括：第一基站内至少设置有第一准直镜、第一分光镜、第一探测器和第一参考镜，第二基站内至少设置有第二准直镜、第二分光镜、第二探测器和第二参考镜，所有基站共用一光源和一光学耦合器，其中，第一基站的出光处设置第一跟踪转镜，第二基站的出光处设置第二跟踪转镜；光源发出的脉冲光经光纤耦合器分别到达第一准直镜和第二准直镜，经第一准直镜出射的光进入第一分光镜被分为测量光和参考光，其中，参考光入射到第一参考镜并原路返回后透过第一分光镜进入第一探测器，测量光先后经第一跟踪转镜和第二跟踪转镜到达第二分光镜，经第二分光镜反射进入第二探测器；脉冲光经过第二准直镜、第二分光镜及第二参考镜的光路与上述光路传播完全对称；第一探测器和第二探测器各采集到一对脉冲，通过测量两脉冲到达相应探测器的时间差，得到第一光程差和第二光程差。6.根据权利要求5所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，第一光程差和第二光程差的表达式为：式中，d1、d2是互瞄状态下第一探测器和第二探测器的绝对测距读数；l
f1
、l
f2
是指从光学耦合器的分光点分别到第一准直镜和第二准直镜的出光口的光程；l
d1
、l
d2
是指从第一准直镜和第二准直镜出光口分别到第一分光镜和第二分光镜的分光点的光程；l
u1
、l
u2
是指第
一分光镜和第二分光镜的分光点分别到第一跟踪转镜和第二跟踪转镜的零点光程；l
r1
、l
r2
是指第一分光镜和第二分光镜的分光点分别到第一参考镜和第二参考镜的光程，l
12
是第一基站和第二基站零点之间的光程即要计算的基站间距。7.根据权利要求6所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，第一基站和第二基站的间距为：l
12
＝(d1+d2)/2-(l
u1-l
r1
)-(l
u2-l
r2
)。8.根据权利要求7所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，基于各基站之间的间距获得各基站坐标为：其中，l
13
为第一基站与第三基站之间的间距，l
23
为第二基站与第三基站之间间距。9.根据权利要求1所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，对于基站数目超过三个时，在完成三个基站坐标自标定的基础上，分别测量这三个基站到其他基站的距离，基于各基站之间的间距计算出当前空间坐标系下的其他基站坐标。10.根据权利要求9所述的基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，其特征在于，当设置有第四基站时，第四基站(x4，y4，z4)的坐标为：其中，l
14
、l
24
和l
34
为第四基站到第一～第三基站的距离。

技术总结
本发明涉及一种基于绝对距离测量的多站法基站坐标自标定方法，包括：设置有基站互瞄自标定系统，包括至少三基站，基站的出光位置均设置有跟踪转镜；以第一基站的零点建立空间坐标系；第一基站和第二基站之间的间距测量，包括：旋转第一基站和第二基站相应的跟踪转镜，使第一基站和第二基站出射的测量光的传播方向重合且反向；获得第一基站的测量光与第二基站的参考光之间的第一光程差；获得第二基站的测量光与第一基站的参考光之间的第二光程差；基于第一光程差和第二光程差计算得到第一基站和第二基站之间的间距；依次类推，采用上述第一基站和第二基站的间距测量方法获得各基站之间的间距；基于各基站之间的间距完成基站坐标自标定。站坐标自标定。站坐标自标定。


技术研发人员：吴冠豪 蒋瑞林
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/15