[发明专利]一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法

说明书

本发明提出了一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法，采用全站仪方式进行距离和角度测量和标定，并且通过转换矩阵将测量坐标和位置朝向转换到机械臂坐标系统中，核心内容包括：采用全站仪测量空间目标的两个位置点，利用全站仪所在的坐标系和机械臂所在的坐标系之间的距离和转角构建平移变换矩阵和旋转矩阵，将测量系统中的目标坐标转换到工作系统中，简单，直接、有效地得到了空间目标首尾两点在全站仪所在坐标系中的坐标及朝向，为机械臂反向运动学分析提供位置和朝向信息。

技术领域

本发明涉及空间测量和坐标系统转换技术领域，具体涉及一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法。

背景技术

目前，在多自由度机械臂自动控制系统工作过程中，需要将机械臂末端的工具台移动到目标所在的空间位置。现目前，通常是利用反向运动学来进行分析求得机械臂的移动轨迹，而这其中就涉及到空间目标位置的测量和标定方法。

空间目标位置的测量和标定方法很多，如激光测距标定，超声波测距标定等。然而，使用激光定位标定，除了激光测量仪测量的距离，还需要知道测距仪的旋转角度和俯仰角度，在对结果精度要求严格的情况下，旋转角度和俯仰角度必须使用高精度的旋转编码器进行测量标定，实际实施比较困难。而超声波对空气介质要求较高，对不同的介质需要采用不同的方法对声速进行校正，并且需要使用复杂的空间定位算法进行位置解算和误差补偿，实际的计算误差也往往较大。由此可见，激光和超声波的标定方法对工作环境都有很大的要求，且难以得到较为理想的结果。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法，该方法简单有效，能快速准确的对空间目标位置及朝向进行标定，为机械臂反向运动学分析提供位置和朝向信息。

为了实现上述目的，本发明提供了提供一种基于全站仪的空间目标的位置和朝向标定方法，包括以下步骤：

S1，构建机械臂所在的坐标系[x1，y1，z1]和全站仪所在的坐标系[x2，y2，z2]，其中z1轴和z2轴保持平行；

S2、确定空间目标首尾两点P、Q在全站仪所在的坐标系中的坐标；

S3、构造全站仪所在的坐标系到机械臂所在的坐标系的平移矩阵和旋转矩阵；

S4、将点P和点Q在全站仪所在的坐标系中的坐标按平移矩阵和旋转矩阵向机械臂所在的坐标系进行转换，得到点P和点Q在机械臂所在的坐标系中的坐标；

S5，确定目标孔的位置点在机械臂坐标系统下的坐标为q(qx,qy,qz)，其朝向向量为至此，空间目标的位置和朝向标定完毕。

全站仪，即全站型电子测距仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。利用全站仪测量得到的空间目标的坐标准确性高，本发明先得到空间目标在全站仪即工作系统所在的坐标系下的空间坐标，然后得到两个坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，进而对给定目标位置的进行追踪。该方法简单，直接，有效，能快速准确的对空间目标位置及朝向进行标定。而反向运动学分析过程需要根据机械臂的具体坐标系统进行设计，因此将标定完成的目标位置和朝向作为机械臂的反向运动学分析的输入数据使用，为机械臂反向运动学分析提供位置和朝向信息，有助于反向运动学分析。

进一步的，所述步骤S2包括以下步骤：