本發明涉及大尺度空間三維坐標測量方法，具體的說，是涉及一種基于光電掃描室內空間測量基站的姿態的自動補償技術。

背景技術：

室內測量定位系統，是基于多站空間約束的新型大尺度空間坐標測量系統，因其具有精確度高、量程廣、多任務同時測量等優點，被廣泛應用于大尺寸部件生產中的精密測量和定位。室內測量定位系統是多站式高精度測量系統，借鑒全球定位系統的概念，多個發射站有規則地布置在測量空間內，通過定向建立大范圍高精度測量網絡。在整體測量網絡中，發射站的定向參數對整體系統的測量精度有很大的影響，準確穩定的定向參數是高精度測量的基本前提。然而，隨著應用環境越來越復雜，測量空間內的發射站不可避免地被外部振動或者長期結構蠕動所影響，導致定向參數失準。目前較有效的方式是周期性的系統重新校正標定，但是重復性的標定(包括基準尺標定和坐標控制場標定)必然導致大量重復性人工操作，十分低效。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種基于傾角傳感的室內測量定位系統基站姿態自動補償方法，此方法旨在實時自動補償測量基站的定向參數，增加系統的穩定性，可以以通過傾角傳感器自身姿態的改變量，實時補償發射基站的姿態變化，增強測量系統的穩定性，適應惡劣的測量環境。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

基于傾角傳感的室內測量定位系統基站姿態自動補償方法，包括以下步驟：

步驟一：根據發射站內部機械結構，設置嵌入有傾角傳感器的發射站；

步驟二：基于自動安平水準儀與導軌機構，搭建水平基準坐標系；

步驟三：結合傾角傳感器測量模型與發射站旋轉測量模型，輔以水平基準坐標系，標定傾角傳感坐標系與發射站測量坐標系相互位姿關系；

步驟四：通過傾角傳感器的輸出，結合姿態補償算法，實時更新發射站姿態。

步驟二中建立水平基準坐標系的步驟如下：

步驟2-1：布置自動安平水準儀，根據水準泡將其調平；

步驟2-2：設置球形接收器和與其配套的承載球座；

步驟2-3：布置可升降的所述導軌機構，導軌機構上固定所述承載球座，承載球座上放置替代所述球形接收器的激光跟蹤儀的反射靶球，調節導軌機構使反射靶球的球心處于水準器目鏡十字叉絲交點處，即完成了等高控制點的布置；所述反射靶球為1.5英寸；

步驟2-4：通過激光跟蹤儀測量等高控制點及其他控制點，以等高控制點為xoy平面建立水平基準坐標系oh-xhyhzh。

步驟三標定傾角傳感坐標系與發射站測量坐標系相互位姿關系的步驟如下：

步驟3-1：結合發射站測量范圍，在水平基準坐標系前布置發射站，發射站測量水平基準坐標系的所有點；

步驟3-2：定義發射站坐標系ot-xtytzt，根據發射站測量模型，計算出發射站坐標系與水平基準坐標系oh-xhyhzh的旋轉矩陣，其中兩個坐標系滿足以下關系：

其中(am,bm,cm,dm)m＝1,2是發射站的光平面方程,m是光平面方程序號，θ是發射站掃描角，(xh,yh,zh)為水平基準坐標系下坐標；分別是發射站到水平基準坐標系的旋轉矩陣與平移矩陣；

步驟3-3：通過空間后方交會測量方法，計算得到發射站到水平基準坐標系的旋轉矩陣

步驟3-4：建立傾角傳感器測量模型，定義傾角傳感器坐標系為oi-xiyizi；

步驟3-5：根據傾角傳感器測量模型，將傾角傳感器讀數轉化為繞相應軸的旋轉角：

其中a和β是傾角傳感器輸出讀數，θi和γi為傾角傳感器繞自身x,y軸的旋轉角；

則水平基準坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣為：

其中γi為旋轉矩陣中繞z軸旋轉角；

步驟3-6：定義發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣為并將旋轉矩陣參數化

其中r1…r9為已知參數，ri1…ri9為待求參數；

步驟3-7：根據坐標系剛性變換關系，可以得到：

數學處理后即為：

步驟3-8：調整測量基站至少三個姿態，結合旋轉矩陣正交約束條件，構建非線性最優化目標方程，迭代優化求解；

步驟四實時更新發射站姿態的步驟如下：

步驟4-1：實時獲取傾角傳感器讀數，計算水平基準坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣；

步驟4-2：基于已標定的發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣，計算發射基站姿態更新矩陣，實時補償更新發射站姿態，得到姿態補償算法如下：

其中(ct)new,(ct)old分別為發射站最新姿態與發射站初始姿態，分別為傾角傳感器最新輸出矩陣與初始輸出矩陣。

自動安平水準儀的安平精度≤0.3″，每公里往返測量的標準偏差≤±1mm。

與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

本發明根據傾角傳感器的高精度測角原理，不斷獲取傾角傳感器姿態變化，結合傾角傳感坐標系與發射站坐標系的姿態關系，實時更新發射站的自身姿態。此方法解決了在惡劣環境下測量基站姿態因抖動變化而無法實時補償的問題，有效避免了重復性大范圍重新定向，增強了系統魯棒性。

附圖說明

圖1是傾角傳感器嵌入的發射站透視剖面示意圖。

圖2是水平基準坐標系的建立方式示意圖。

圖3是傾角傳感器測量模型示意圖。

圖4是發射站測量模型示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的描述。

該發明將高精度雙軸傾角傳感器嵌入到室內測量定位系統測量基站中，提供一種實時補償基站姿態變化的方法，通過后方交會方法實現發射站坐標系與傾角傳感坐標系的標定，根據傾角傳感器變化值，實時補償測量基站姿態，增強系統在惡劣環境下的魯棒性。

步驟一、參見圖1，根據發射站內部機械結構，結合傾角傳感器特性，將傾角傳感器嵌入到發射站中；

步驟二、參見圖2，空間中固定自動安平水準儀，通過水準泡將其調平；本實施例中自動安平水準儀選擇蘇州一光儀器有限公司生產的dsz2，其安平精度≤0.3″，每公里往返測量的標準偏差≤±1mm。

設計1.5英寸球形接收器與配套的承載球座，其中1.5英寸球形接收器與激光跟蹤儀的反射靶球尺寸一致，保證兩接收球互換后球心處于同一點；空間中布置可升降導軌，球座固定導軌之上，球座上放置激光跟蹤儀的反射靶球，其中靶球的球心可視，調節導軌使激光跟蹤儀的反射靶球的球心處于水準器目鏡十字叉絲交點處，即完成了等高控制點的布置；

使用激光跟蹤儀測量等高控制點以及空間中其他控制點，以等高控制點為xoy平面建立水平基準坐標系oh-xhyhzh；

結合發射站測量范圍和發射站測量模型(見圖4)，在水平基準坐標系前布置發射站，將球形接收器分別放到水平基準坐標系各個點上，接收發射站的掃描光平面信號以及同步標記光信號，通過后方交會方法得到發射站坐標系到水平基準坐標系的旋轉關系

步驟三、參見圖3，定義傾角傳感器坐標系為oi-xiyizi，得到傾角傳感器兩軸讀數，根據傾角傳感器測量模型將傾角傳感器讀數轉化為繞相應軸的旋轉角：

其中a和β是傾角傳感器輸出讀數，θi和γi為傾角傳感器繞自身x,y軸的旋轉角；

通過以上關系，計算水平基準坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣為：

其中γi為旋轉矩陣中繞z軸旋轉角；

定義發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣為并將旋轉矩陣參數化如下

其中r1…r9為已知參數，ri1…ri9為待求參數

根據發射站坐標系、水平基準坐標系和傾角傳感器坐標系三者旋轉關系，可以得到：

通過上式聯立方程組：

調整測量基站至少三個姿態，通過線性方程求解最小二乘解，計算得到ri1…ri9，即發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣；

結合旋轉矩陣約束條件，構建非線性最優化目標方程，通過迭代算法進行優化求解最終發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣精確解；

其中

步驟四、實時獲取傾角傳感器讀數，基于已標定的發射站坐標系到傾角傳感器坐標系的旋轉矩陣，計算發射站姿態更新矩陣，實時補償發射站姿態，得到姿態補償算法如下：

綜上所述，本發明實現了基于傾角傳感的室內測量定位系統基站姿態自動補償方法，通過傾角傳感器的高精度姿態感知，進行發射站姿態補償更新，有效避免了在復雜惡劣環境下由于振動或者蠕動導致的測量基站姿態改變，大大提高整體測量場的穩定性，符合如今的高精度、大范圍的測量要求，提高了工作空間測量系統的適用性。

其中，本發明技術方案中涉及的傾角傳感器測量模型可參考文獻:“文香穩.盾構姿態測量中的傾角儀誤差補償研究[d].華中科技大學,2011.”；

發射站測量模型可參考文獻：“楊凌輝.基于光電掃描的大尺度空間坐標測量定位技術研究[d].天津大學,2010”；

空間后方交會測量方法可參考文獻：“劉哲旭.面向大型復雜現場的測量定位方法研究[d].天津大學,2014”。

本發明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發明的技術方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發明的保護范圍之內。