[发明专利]一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统与方法，属于姿态测量领域。系统装置包括惯性导航元件和激光扫描装置，相比于传统激光扫描装置，本发明针对实际环境进行光学结构设计优化，使得激光扫描装置可以紧凑的安装在外部玻璃上。通过建立模型位姿状态方程，根据惯性导航元件和激光扫描装置的输出值分别计算模型位姿信息，并以两者的差值作为迭代扩展卡尔曼滤波器的量测值，计算出最终的模型位姿。本发明通过结合惯性导航元件和激光扫描装置的优点，克服了单一传感器的局限性，实现了长时间条件下的高精度模型位姿测量。

技术领域

本发明涉及姿态测量领域，具体涉及一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统与方法。

技术背景

传统的模型位姿测量法为接触式测量，通过将包括加速度计、高精度陀螺仪在内的惯性导航元件放置在被测物体内，实现高速的动态测量，短时间内可以达到高精度的姿态测量，但其缺点在于位姿计算的积分过程会导致长时间的累积误差，无法满足长时间的测试需求，并且无法实现对多个位置的同时测量。立体视觉方案在空间物体的三维重建与测量领域有广阔的应用前景，已经在在国外试验中得到的广泛的应用，但是其通常需要在被测物表面贴置标记点，且角度测量精度不高，存在现场系统安装困难、系统在线标定困难等问题。因此迫切需要一种可以实现在长时间工作下保持高精度的模型位姿测量系统与方法，实时提供待测目标相对于初始位置的三维位移和三维旋转角度信息。

因此本发明提供了一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统与方法，并且针对实际应用场景中激光扫描装置通常无法放置在模型安装台房间内，只能放在房间观察窗外，而传统激光扫描装置隔着玻璃时衰减严重无法正常工作，因此本发明针对这种场景需求对激光扫描装置进行了相应的特殊设计，并通过结合惯性导航元件和激光扫描装置的优点，使用迭代扩展卡尔曼滤波算法，克服了单一传感器的局限性，实现了长时间条件下的高精度模型位姿测量。

发明内容

为了解决现有技术中的位姿测量方法的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统与方法，改善了长时间工作条件下的模型位姿测量精度。

本发明通过使用惯性导航元件和激光扫描装置，结合了惯性导航元件短时间内位姿测量精度高的优势以及激光扫描装置无需标记点且长时间位姿测量结果不存在漂移的优势。其中惯性导航元件放置于待测模型的内部；激光扫描装置以紧凑的方式安装到外部玻璃的支撑结构中。惯性导航元件内置无线通信模块，可以将数据实时传输至上位机中，无需额外布置线缆。利用迭代扩展卡尔曼滤波器，可以实现惯性导航元件与激光扫描装置的多传感器融合，提升了位姿测量精度。

本发明提供如下的技术方案：

本发明的一个目的在于提供一种基于多传感器融合的模型位姿测量系统，包括模型安装台、惯性导航元件、激光扫描装置和数据处理模块；

所述的惯性导航元件固定在模型安装台的内部，激光扫描装置的激光出射口正对于模型安装台，所述的惯性导航元件、激光扫描装置均与数据处理模块实现通讯连接；

所述的惯性导航元件包括三轴加速度计、三轴光纤陀螺和无线通讯模块，所述的无线通讯模块与数据处理模块无线连接；

所述的激光扫描装置包括光学阵列、准直透镜、偏转棱镜和扫描振镜，所述的光学阵列上均匀布置有若干激光发射/接收单元，由所述的激光发射/接收单元发出的激光束依次经过准直透镜、偏转棱镜、扫描振镜后，激光束垂直于激光出射口发射至位于模型安装台上的待测模型上，其反射光束原路返回后被数据处理模块接收。

本发明的另一目的在于提供一种基于多传感器融合的模型位姿测量方法，包括以下步骤：

1)将待测模型固定在模型安装台上，调试三轴加速度计、三轴光纤陀螺和无线通讯模块；