多台激光跟踪仪动态位姿测量数据处理方法研究

多台激光跟踪仪动态位姿测量数据处理方法研究

赵,磊

航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司  辽宁省  110034

摘要：伴随着科技技术的快速发展以及我国工业化水平的不断提高，特别是“中国制造2025”的提出，促使我国的大型工业制造得到了快速发展。在此背景下，现代工业产品结构日益复杂，尺寸不断增加，测量标准也愈发严格。特别是航空等精密仪器的品质要求更甚，对于测量精度的要求更高。因此，文章重点就多台激光跟踪仪动态位姿测量数据处理方法展开研究，仅供参考。

关键词：多台激光跟踪仪；动态位姿；测量；数据处理

伴随着我国科技水平的日新月异，大型工业产品日渐朝向大尺寸、高精度的方向发展。与此同时，对于工业产品的测量精度要求也不断提高，应尽可能降低测量误差，提高测量精度。在现阶段的大尺寸动态位姿测量技术中，多台激光跟踪仪组网联合动态位姿测量应用广泛，其能够有效克服单台激光跟踪仪测量工作中的不足之处，全面提升测量精度，应用前景广泛。

1激光跟踪仪动态测量技术

激光跟踪装置是二十世纪九十年代发展起来的一种大型精确测量设备，具有灵活、快捷、操作简单、测量精度高的优点；能够实现动态物体的实时追踪和检测。采用单机的激光跟踪装置，能够实现自身的动态定位，并与六个自由度的测量装置相结合，实现了对空间物体的姿态测量。该方法的测量范围很窄，现在只有20米，而且其测量的准确度可以达到-35微米。激光跟踪法是一种接触式的，它的测量要求与目标球相结合，它特有的 CateyeReflector为75毫米加0.05毫米，其光学中心的精确度为-0.01毫米，能承受的激光入射角度达到了-60度（见图1.3)，适合LeicaAT403、LeicaAT930、LeicaAT960等机型，能够在更大的区域进行动态姿态的测定。目前大尺度的动态测量技术中，采用激光跟踪法进行动态测量，由于它的采样频率高，测量精度高，测量范围广，因而比其它方法更加适用。由于单一的激光跟踪仪的动态位置测定距离有限，多个系统组成的网络组合可以大大提高其测距的精度，能适应有关行业的大范围的动态测距，在当前的发展中有着很好的发展潜力。

2多台激光跟踪仪动态位姿测量系统误差分析

采用多台激光跟踪器进行运动姿态测量，其误差包括：单个激光跟踪器的测量误差、多台激光追踪器的网络定向误差、各激光跟踪器的同步测量误差、位姿分析中的误差。激光跟踪器的定位精度与其本身的机械构造有关。与经纬仪、全站仪一样，三个轴（水平轴、竖轴和激光发射轴）必须成对垂直排列，并在仪器的中央相交。但是，在实际的仪器制造中，无法保证以上的相互联系，从而导致设备本身的错误。厂商在生产之前，一般都会对其进行各种错误的检测，并标明其准确度。多个激光追踪器的网络定位精度与定位点数目、布点位置和网型结构有关，所以在布设方向点时要尽可能地多，而各个方位点间要有高差，并在各个站点上均匀地分配。不同类型的激光跟踪装置的同步误差是由于各个信道的触发脉冲的同步准确率所决定的。该同步触发器的内部处理单元会产生一个触发讯号，由该分频器将该讯号分成五个。由于各个电平变换晶片和传送线材电气特性的细微差别，使得五个分频器的同步特性出现细微差别。

3动态测量基准

3.1圆轨迹发生器

圆轨迹发生器产生装置能够实现恒定旋转，并且它的旋转轨道为高精度的圆形面。它的主体部分有三个部分：旋转部分，控制箱，控制线。所述旋转部件包括伺服马达，驱动器，控制器；编码机构，旋转臂等。该系统由一台伺服马达驱动，并依据该控制讯号而实现恒速旋转，其转速不确定度在3米/秒时为5%。本文采用的环形轨道产生装置，其直径基准为500.591毫米，直线流速为0.5~10米/秒，采用了两个AT960激光跟踪机，其水平追踪速率为4米/秒，径向追踪速率为6米/秒，能达到实验的需要。本文采用环形轨道产生装置的末端点之间的间距，也就是环形轨道产生装置的半径。采用动量法对环形轨道产生装置的两头移动角棱柱进行了动态测试，并对其在各种工况下的实测资料进行了分析，得出了该方法的两个相对于半径基准进行了二次对比；通过对激光跟踪器的跟踪精度的分析，得出了其径向偏移量和均方根数的变化。

3.2铟钢四面体

四面体是用铟钢制作而成，其热胀率在1.5X10-6/C以下，且在常温下长度基本不变化，故其稳定性能良好。四面体四面体底、四面体上端均设有四个标点，可用此四面体做为标定标点。在此试验中，采用四面体的基座3作为观察对象，采用轴向对齐方法，并计算出了位移量。

4精度测试实验

4.1点位测量精度

根据以上的结果，分别进行了两个实验，分别测试了不同的频率和不同的运动速率下的跟踪测量结果。（1）对各种转速的测定准确度进行检验。CCR1.5寸角偏心棱柱（P1、P2）置于圆形轨道产生装置的两个末端的靶架上，并将它置于两个激光跟踪机（L1、L2）的前面，对角度偏角反射棱柱进行了动力学追踪。在此基础上，将激光跟踪仪置于外触发状态，通过同步触发器来触发，激光跟踪装置的取样频率设定在500赫兹，环形跟踪装置与激光跟踪装置相隔6米，每个旋转速率不低于30英寸。将测定的资料进行加工后，所得的结果见表1。

表1　 不同转动速度数据分析结果

从表1可知，在转速为6米/秒的情况下，可以将测定的准确度维持在某一程度，而随着观察到的物体的移动速率增加，其准确率会下降，而在6米/秒以上时，即使仍能维持追踪，其准确率也会大幅下降。

(2)对取样频率进行测定的准确度。采用相同的方法实现了两个激光跟踪机在三个不同的取样频率上进行动态追踪，并对两个激光跟踪机的测径和平均方根值进行了对比。如表2所示，在不同的取样频率下，光束的平均误差几乎没有改变，因此可以解释；在此基础上，对跟踪系统的跟踪和跟踪系统的工作特性进行了研究。

表2　不同采样频率数据分析结果

4.2姿态测量精度

姿态测量的准确性试验采用了三种不同的四面体结构，将一种角反射棱柱置于四面体的三个靶上。3个激光跟踪器在进行了定位之后，对一个拐角的棱柱进行了观察，先进行了静力的测量，每一次都进行20次的测量，得到了三种不同的点的平均坐标值，从而确定了三种不同的位置。在此基础上，通过设定跟踪装置，触发脉冲触发，取样频率设定在500 Hz，四面体恒定不变，3个激光跟踪计对3个角三面体角坐标进行了分析，得到了误差为±18.3"，而单一的激光跟踪仪测量误差为±36"，差异显而易见。因此，多个激光跟踪器的动态姿态检测具有很高的准确率，能够很好地适应大尺度的工业生产需要。

综上所述，本论文主要研究了多个激光跟踪装置的动态姿态测试的准确性，采用环形轨道产生装置和铟钢四面体作为动力学基准，建立了一种以物体为前提的多个跟踪装置的动态姿态测量精度评估的新思路。结果表明：在姿态的测定中，姿态的测量准确率达到了-18.3英寸，比单一的激光跟踪计的精度提高了36'，并且能够极大地扩展动态位姿的测量领域。多个激光跟踪器的动态姿态检测能更好地适应现场的需要。

综上，本文针对多台激光跟踪仪动态位姿测量精度评定这一问题，利用圆轨迹发生器和铟钢四面体提供动态测量基准，提出了基于物方先验约束条件的多台激光跟踪仪动态位姿测量精度评定方法。可知：在姿态测量方面，姿态测量精度得到了误差为±18.3"，而单一的激光跟踪仪测量误差为±36"，差异显而易见且可以显著扩大动态位姿测量的范围。因此多台激光跟踪仪动态位姿测量可以更好的满足实际需求。

参考文献

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