激光跟踪仪多站测量方法

本发明涉及一种基于距离约束自标定和热变形补偿的激光跟踪仪多站测量方法，属于测量。

背景技术：

1、近年来，随着航空、能源等领域对大尺寸复杂装备制造精度不断提高，大型复杂构件的制造精度是影响装备整体制造精度关键因素之一，而高精度的数字化测量技术成为影响高精度装备制造的关键因素。由于大型复杂构件的尺寸较大，一般可达数米到数十米，常用的激光跟踪仪由于其测角误差的存在，其测量误差会随着测量距离的增加而显著增大，导致其测量精度难以满足大型复杂构件的加工制造要求。在激光跟踪仪多站测量中，各激光跟踪仪测量坐标系之间的数据转换通过测量多个公共点实现，公共点的位置精度，会影响激光跟踪仪的转站精度，仅利用激光跟踪仪测距信息多站测量法可以进行测量系统中公共点的自标定精度，进而提高激光跟踪仪的转站精度。由于激光跟踪仪测量每个公共点都存在测量误差，通过公共点之间的距离约束和公共点加权成为提高激光跟踪仪配准精度的有效手段。

2、对于激光跟踪仪多站测量的研究主要集中在优化激光跟踪仪空间站位、分析并降低激光跟踪仪的固有误差、优化公共点的空间布局等方面。目前很少有研究会考虑环境因素对公共点的位置精度的影响，从而提高激光跟踪仪的转站精度。公开号为cn112050733a的发明专利《基于高精度虚拟标准器的多站转换精度提高方法》中，提出一种基于高精度虚拟标准器的多站转换精度提高方法。该方法基于虚拟标准器公共点间的长度约束和levenberg-marquardt非线性优化方法实现公共点坐标优化修正，降低了坐标系间的数据转换的误差，该方法提高了各站位公共点坐标的测量精度，但其采用虚拟标准器，并未考虑在大尺寸加工过程中产生的热变形对公共点的影响，存在一定的局限性。2015年12月，清华大学wan等在《2015ieee international conference on robotics and biomimetics》的《a new survey adjustment method for laser tracker relocation》上，提出了一种基于测量平差的激光跟踪仪重定位方法，该方法通过降低fle来提高目标点的配准精度。该方法采用的算法优于直接基于点的刚性配准方法，但是对于在现场环境中对大尺寸工件的测量存在一定的局限性，且其方法配置复杂，难以满足现场大尺寸工件的测量。

技术实现思路

1、针对现有激光跟踪仪多站测量方法难以满足现场大尺寸工件测量的问题，本发明提供一种充分考虑激光跟踪仪测量误差及加工现场温度变化对误差影响的激光跟踪仪多站测量方法。

2、本发明的一种激光跟踪仪多站测量方法，其应用于球壳体工件测量，包括：

3、s1、搭建多站位的测量系统，该网络中包括激光跟踪仪的m个标定站位和n个空间公共点，利用n个空间公共点中三个空间公共点建立全局坐标系，激光跟踪仪依次在各标定站位测量到各空间公共点的距离，根据测量的距离确定空间公共点在全局坐标系中的理论坐标pi，i＝1,2,…,n；

4、s2、确定多站位测量系统内的最优站位；

5、s3、移动激光跟踪仪到最优站位设定区域内，并利用激光跟踪仪测量当前站位到空间公共点的距离，并利用测量得到距离确定各个空间公共点的测量坐标pi'，空间公共点i的测量坐标pi'为利用热变形系数补偿后的：

6、

7、其中，表示旋转参数矩阵，表示平移参数矩阵，qi表示移动后激光跟踪仪测量到空间公共点坐标值，球壳体工件热变形系数球壳体工件热变形量δlt＝αl0(t-t0)，α表示材料线膨胀系数，t0表示s1中在各标定站位测量时球壳体工件的温度，l表示t0温度下的球壳体工件长度，t表示移动激光跟踪仪测量时球壳体工件的的温度；

8、通过反距离加权算法求解在最小权重值下的最优旋转参数矩阵r'和最优平移参数矩阵t'：

9、

10、其中，ei表示空间公共点i的测量坐标pi'和理论坐标的差值pi；

11、根据最优旋转参数矩阵和平移参数矩阵确定空间公共点i的坐标。

12、作为优选，在球壳体工件内部设置环境系统，将k个空间公共点设置在环境系统上，n≥k≥2，空间公共点i和空间公共点j之间的距离为：

13、

14、且满足：

15、表示每两个空间公共点之间在s1中测量到的距离。

16、作为优选，所述环境系统为大理石。

17、作为优选，n≥6时，根据m个标定站位测量到各空间公共点的距离，建立m个距离误差方程，将m个距离误差方程转换成非线性最小二乘优化问题，求解后得到空间公共点在全局坐标系中的理论坐标pi。

18、作为优选，s3中，根据激光跟踪仪测量到的距离，使用svd法求取旋转参数矩阵和平移参数矩阵进而得到空间公共点i的测量坐标pi'。

19、作为优选，s2中，以最小的pdop值确定多站位测量系统内的最优站位。

20、作为优选，s3中，最优站位设定区域为最优站位在x轴、y轴、z轴三个方向正负200mm的范围。

21、本发明的有益效果，本发明充分考虑激光跟踪仪测量误差的存在，为提高激光跟踪仪转站精度，计算转站后激光跟踪仪测量的公共点与多站测量的公共点的误差，作为该点的权重，求解移动后激光跟踪仪准确的转换参数。本发明充分考虑到加工现场温度变化对工件产生热变形的影响，从而导致公共点位置误差，将部分公共点安装在热膨胀系数较低的大理石平面上，将安装在大理石平面上精确自标定后的公共点作为大尺寸测量场中的一个实体标准器，提高了标准器的复用性。该方法基于实体标准器公共点间的长度约束和多边站位的优化方法实现公共点坐标优化修正，降低了坐标系间的数据转换的误差，提高了各站位公共点坐标的测量精度。本发明减少激光跟踪仪的设备数量，降低传统多站测量的成本；本发明充分考虑热变形对公共点的误差，并对其进行有效地补偿；本发明提高转站精度，优化激光跟踪仪在测量过程的站位。

技术特征：

1.激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，应用于球壳体工件测量，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，在球壳体工件内部设置环境系统，将k个空间公共点设置在环境系统上，n≥k≥2，空间公共点i和空间公共点j之间的距离为：

3.根据权利要求2所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，所述环境系统为大理石。

4.根据权利要求1所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，n≥6时，根据m个标定站位测量到各空间公共点的距离，建立m个距离误差方程，将m个距离误差方程转换成非线性最小二乘优化问题，求解后得到空间公共点在全局坐标系中的理论坐标pi。

5.根据权利要求1所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，s3中，根据激光跟踪仪测量到的距离，使用svd法求取旋转参数矩阵和平移参数矩阵进而得到空间公共点i的测量坐标pi'。

6.根据权利要求1所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，s2中，以最小的pdop值确定多站位测量系统内的最优站位。

7.根据权利要求1所述的激光跟踪仪多站测量方法，其特征在于，s3中，最优站位设定区域为最优站位在x轴、y轴、z轴三个方向正负200mm的范围。

8.一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述激光跟踪仪多站测量方法。

9.一种激光跟踪仪多站测量装置，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至7任一所述激光跟踪仪多站测量方法。

技术总结激光跟踪仪多站测量方法，解决了现有激光跟踪仪多站测量方法难以满足现场大尺寸工件测量的问题，属于测量技术领域。本发明包括：搭建顺次多站测量系统；在多站测量系统的空间区域内移动激光跟踪仪，测得每一个站位点到各个公共点的距离值，确定全局坐标系中各公共点的理论坐标值；在已标定出公共点基础上，以激光跟踪仪最小的PDOP值确定最优站位；待激光跟踪仪移动到最优站位附近后，使用激光跟踪仪测量公共点的坐标值，并使用SVD法求解转换参数。计算转站后激光跟踪仪测量的公共点与多站测量的公共点的误差，作为该点的权重，求解移动后激光跟踪仪准确的转换参数。本发明提高了激光跟踪仪多站测量精度。技术研发人员：路勇,邓柯楠,梁骏然,马守东,高栋受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9