[发明专利]一种基于多传感信息融合的相对位姿测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明利用多传感器信集成测量装置采集、融合测量数据，获取大部件对接过程中的相对位姿，直观、精确地引导作业人员完成位姿监测工作，属于针对大尺寸部件的测量辅助对接领域。

背景技术

随着国家经济的发展和先进制造水平的提高，航空、航天、船舶等传统工业领域在工艺水平上不断提升，尤其在大部件对接领域也得到了极大的发展。目前多采用全站仪、摄影测量和激光跟踪仪等适用于大尺寸测量的仪器。其一般操作过程是在两个部件上选取几个关键测量点，通过测量仪器获取关键点在测量坐标系下坐标，从而将两部件拟合到同一对接坐标系下，得到部件的相对位姿，包括相对位置和相对姿态角，分别用三个位置分量(x,y,z)和三个角度分量(a,b,c)来表示。

随着大部件对接任务的复杂化提升与精度要求提高，单一传感器难以取得更好的效果，往往需要多传感器联合测量，通过对多组测量数据的调整、分析和融合，完成对接任务。而由此带来的多传感器的紧密集成问题、多源异构数据融合问题等等成为研究的重点。多传感器集成与融合技术已经成为测量辅助装配领域的重要研究方向，它横跨信号处理、硬件设计、通信技术、机器视觉等多个领域，是新一代智能制造技术的核心基础之一。在面对复杂测量任务时，可以在集成测量技术帮助下得到更为丰富的对接过程信息，数据融合技术能够使各类传感器随时准确地共享、校验处理信息数据，进而为用户的决策和评估带来更有力的支持，因而在测量技术发展中突显出重要价值和作用。

针对集成测量技术在大部件对接领域的应用，国内外许多专家学者对此进行了大量的研究。文献“多路法激光激光跟踪干涉测量系统的研究”利用激光跟踪仪测距单元精度高的优点，研究了多路激光跟踪融合测量系统(张国雄，李杏华，林永兵.多路法激光激光跟踪干涉测量系统的研究[J].天津大学学报，2003,36(1):23-27.)；文献“基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法”提出了多传感器融合的姿态测量方法，应用倾角仪、陀螺仪融合测量姿态角，当倾角仪失效情况下采用修正后的陀螺仪数据计算姿态角(张春草，张剑波，朱国力.基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2015，43(12):48-51)；文献“基于多传感器融合的航天器间位姿参数估计”提出了利用单目视觉与激光测距仪混合的航天器间相对位置和姿态参数测量的解析算法(冯春，吴洪涛，陈柏.基于多传感器融合的航天器间位姿参数估计[J].红外与激光工程，2015，44(5):1616-1622)。He Zhao采用超声波传感器和磁力计来补偿惯性传感器漂移的方法，利用磁力仪与三轴加速度计相结合，通过测量重力和地球磁场矢量来确定物体的位置和姿态(He Zhao,Zheyao Wang.Motion measurement using inertial sensors,ultrasonic sensors,and magnetometers with extended kalman filter for data fusion[J],IEEE Sensors Journal.2012)；YW Zhou提出了一种基于多传感器融合的测量列车速度和位置的方法，多传感器系统包括轴数计、多普勒雷达、加速度计，最终通过卡尔曼滤波实现多传感器融合测量列车速度和位置(YW Zhou.Research of Multi-Sensor Integration System for Train Speed and Position Measurement[J]Applied Mechanics&Materials,2012,105-107:1920-1925)。在以上研究中，利用多台传统仪器融合测量大尺寸部件相对位姿的方法，所需的设备昂贵、体积大、操作复杂，需要人工大量参与测量过程，难以在部件运动的过程中获取实时位姿。本发明将视觉测量、激光测距、惯性测量系统融合为一个独立、体积小巧的集成测量单元，只需简单与待装件连接便可测量其与基准件的相对位姿关系，以及其他对接过程运动参数，能够直观、精确地引导大部件对接过程。

发明内容

本发明为解决大部件对接过程中相对位姿跟踪测量的问题，面向实际工程应用，合理地构建了一套针对部件对接的相对位姿监测方法；装置包含下位机、上位机与辅助设备，下位机即集成测量单元负责采集图像、激光、惯性数据，完成数据融合处理，所得结果以无线信号形式发回上位机；上位机负责进一步处理接收数据，形成部件相对位姿并以直观方式显示，引导对接作业；辅助设备包含在对接精测阶段所使用的光学靶标板，以及用于固定下位机、靶标板于待装件与基准件的转接板。