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激光跟踪仪高精度位姿测量技术研究

杨振  
【摘要】:高精度位姿测量技术是近年来在精密工程测量领域的热门研究内容。近年来,随着我国大规模工业制造的开展,对装备制造业的支持与投入不断加大,各种高端工业装备的发展十分迅速。同时,作为该领域发展水平体现之一的精密测量技术也越来越得到重视,对测量的要求也不断提高,由于测量对象自身结构的多样性和运动状态的复杂性,测量时不仅要获取更高精度的位置信息,同时也需要获取姿态信息和对应的时间信息。现有位姿测量的手段和方法较多,但大多只针对某一具体应用环境,对于大尺寸工业装备的安装和检测缺乏统一的测量手段,能兼顾高精度和动态测量的要求。本文在总结和分析现有位姿测量方法基础上,结合大型科学工程建设、武器装备检测需求、载人航天工程等应用背景,提出了一套基于激光跟踪仪的位姿测量方法,本文的主要工作内容如下:1.归纳和总结了现有位姿测量技术,包括位姿测量中常用坐标系的定义方式、静态和动态位姿测量的原理和方法。以iGPS系统与经纬仪联合测量为例研究了基于立方镜的多传感器联合位姿测量方法,分析和推导了激光跟踪仪专用位姿测量附件的原理和计算模型。2.提出了一种基于激光跟踪仪对立方镜进行准直测量的静态姿态测量方法。立方镜姿态测量的经典方法是使用高精度电子经纬仪进行光学准直测量,但存在测量过程复杂,仪器准备时间过长,人为观测影响大等问题。利用激光跟踪仪对镜面反射测量的原理,设计了激光跟踪仪对立方镜的姿态测量方法,并结合误差分析和实验,验证了方法的可行性和可靠性,分析了其相对于经典方法的优势。3.为提高位置测量精度,研究了基于多台激光跟踪仪距离观测的三维测边网平差模型,分析了平差过程中坐标初值对结果的影响,提出了公共点转换法解算测站坐标初值,通过与激光干涉仪的测量值进行对比验证了解算结果;为同时解算位置和姿态值,研究了多台激光跟踪仪三维边角网平差模型,针对以往模型中经验定权的不足,基于Helmert方差分量估计的原理提出了利用验后信息对水平角、垂直角和距离观测值重新定权的方法,使不同类型观测量之间的权比更加合理,解算结果更加精确和稳定;探讨了激光跟踪仪控制网的优化设计问题,根据遗传算法原理,选择适当的目标函数和约束条件,设计了针对跟踪仪控制网的优化方法和步骤,并进行了精度验证。4.提出了一种高精度的多台跟踪仪时间同步测量方法,设计并研制了一款同步触发器。利用GNSS时间系统对高稳恒温晶振器加以驯服,完成了精准的本地守时,研究并实现了多台激光跟踪仪同步触发测量的方法。分析了时间同步触发各项误差的来源,设计了测试方法对同步触发器的时间同步精度进行了综合测试。5.建立了基于多台激光跟踪仪动态位姿测量的解算模型,提出了一套位姿测量数据处理策略和方法,包括数据粗差的探测与剔除、数据插值以及数据滤波。根据多站激光跟踪仪同步测量的数据特点,提出了利用附加状态约束条件的粗差剔除法和卡尔曼滤波方法,并进行了验证。6.开发了位姿测量系统软件,实现了多台激光跟踪仪的联机控制、控制网建立、同步触发测量和实时位姿解算,并进行了具体应用。


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