激光跟踪仪误差参数标定方法及设备、介质与流程

本发明涉及激光跟踪仪误差标定，具体涉及一种激光跟踪仪误差参数标定方法及设备、介质。

背景技术：

1、激光跟踪仪是一类用于大尺寸空间坐标测量的精密测量设备，通常通过测距单元、方位角测角单元和俯仰角测角单元获取目标点的极坐标测量值，再经坐标转换得到目标点的三维坐标。激光跟踪仪在航空航天、装备制造、大型构件装配、工业现场检测和精密工程测量中具有广泛应用，其测量精度受测距零点误差、测距比例误差、方位角误差、俯仰角误差、旋转轴系误差、光束偏移误差和光束方向误差等因素影响。为保证测量结果的可靠性，需要对激光跟踪仪的误差参数进行标定，并在后续测量中利用标定参数对测量结果进行补偿。

2、现有激光跟踪仪误差标定方法中，一类方法是利用外部高精度辅助装置提供基准量，将激光跟踪仪测量结果与外部基准结果进行比较，从而辨识激光跟踪仪误差参数。外部高精度辅助装置可以包括三坐标机、标准长度基准、标准球杆、位移平台、干涉测量装置或其他能够提供高精度空间点位或长度基准的装置。三坐标机能够提供较高精度的空间点位坐标，适合用于建立激光跟踪仪测量点与基准点之间的对应关系。该类方法的优点在于基准点坐标精度较高，点位对应关系清晰，标定数据可溯源性较好，适合在实验室或受控环境下进行高精度误差参数辨识。

3、利用三坐标机标定激光跟踪仪时，通常由三坐标机在其测量空间内给出若干基准点位，激光跟踪仪从某一观测位置或某一观测方向测量对应目标点。通过比较激光跟踪仪测量点与三坐标机基准点，可以构造位置误差、距离误差或其他残差项，再通过最小二乘或非线性优化方法求解误差参数。该方式能够较直接地利用三坐标机的高精度点位能力，适合对激光跟踪仪的局部测量误差进行精细标定。

4、该类外部辅助装置标定方法仍存在一定局限。三坐标机具有固定的测量行程和工作空间，测头运动范围、机械结构、夹具布置、目标球安装方式和现场遮挡关系会限制激光跟踪仪可观测的点位分布。激光跟踪仪需要在不同方位角和俯仰角范围内保持一致的测量性能，单一三坐标机视角下采集的点位往往集中在有限空间区域或有限角度范围内。该类点位难以覆盖激光跟踪仪的完整工作视场，容易造成部分角度范围、部分光束方向或部分轴系误差项约束不足。标定结果可能更适合采集点位所在的局部视角，对其他视角下的补偿适应性不足。

5、为扩展标定范围，可以改变激光跟踪仪、三坐标机目标点或辅助装置的相对布置，从多个视角采集数据。多视角采集能够增加方位角和俯仰角覆盖范围，有利于提升误差参数辨识的几何约束条件。多视角数据之间存在新的问题。不同视角下激光跟踪仪测量点与三坐标机基准点之间不再天然处于同一坐标关系内，需要建立各视角测量点集与三坐标机基准点集之间的配准关系。配准关系包括旋转关系和平移关系。若先将各视角数据独立配准后再固定配准结果参与误差参数优化，配准结果会受到初始误差参数影响。误差参数更新后，测量点位置随之变化，原有固定配准关系可能不再与当前误差参数匹配。视角配准误差与激光跟踪仪自身误差参数会发生耦合，影响多视角联合标定的稳定性和参数一致性。

6、另一类常见方法是网络法多视角约束标定方法。该类方法通常在较大空间内布设多个靶标点、公共点或测量站位，通过激光跟踪仪从多个站位或多个姿态观测同一批目标点，建立包含站位外参、目标点坐标和仪器误差参数的网络模型。网络法能够利用多个观测方向和多个空间距离构造冗余约束，适合在较大空间范围内对激光跟踪仪进行整体误差建模。该类方法的优点在于视场覆盖范围较大，观测冗余度较高，可通过网络平差或联合优化方式提高参数辨识的约束强度。

7、网络法多视角约束标定方法也存在工程实施上的限制。该类方法通常需要在较大空间内布设多个稳定靶标或公共测点，需要保证靶标空间分布、站位观测条件和公共点可见性。标定过程对场地、靶标布设、目标稳定性和观测组织要求较高。若网络结构设计不充分或部分视角标定效果不足，往往需要重新调整靶标布设、重新采集多站数据或重新进行整体标定。对于仅某一局部视角补偿效果不足的情况，完全重新执行网络法标定会增加采集工作量和现场实施成本。

8、从上述两类方法可以看出，外部辅助装置标定方法具有基准精度高和点位对应关系明确的优点，主要受限于单一视角覆盖范围不足。网络法多视角约束标定方法具有视场覆盖范围较大和冗余约束较多的优点，主要受限于大空间靶标布设复杂、采集组织工作量较大以及局部视角补偿不足时重新标定成本较高。

技术实现思路

1、本发明针对现有激光跟踪仪误差标定中存在的问题，提供了一种激光跟踪仪误差参数标定方法及设备、介质，可以低成本获得激光跟踪仪全视角误差参数，提高了视角覆盖范围。

2、第一方面，提供了一种激光跟踪仪误差参数标定方法，所述方法包括：

3、获取多视角下激光跟踪仪对目标点的测量数据点集、基准测量装置对目标点测量的基准点坐标数据点集，以及建立并初始化误差参数向量；

4、基于所述误差参数向量，对所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的测量数据点集进行补偿，得到每个视角下的补偿测量点集；

5、基于所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的补偿测量点集和所述基准点坐标数据点集，获取各个视角的旋转矩阵和平移向量，并基于所述各个视角的旋转矩阵和平移向量构建配准后位置误差项，以及构建同一视角下点对距离误差项；

6、基于所述配准后位置误差项、所述点对距离误差项，构建多视角联合目标函数，以及利用所述每个视角下的补偿测量点集和所述基准点坐标数据点集，求解所述多视角联合目标函数并对所述误差参数向量进行迭代更新后返回步骤：基于所述误差参数向量，对所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的测量数据点集进行补偿，得到每个视角下的补偿测量点集，以得到所述多视角联合目标函数最小情况下的误差参数向量和三维测量结果。

7、在一些实施例中，基于所述误差参数向量，对所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的测量数据点集进行补偿，得到每个视角下的补偿测量点集，包括：

8、基于所述误差参数向量中的测距系统参数误差、测角系统参数误差，对每个视角的激光跟踪仪的测量数据点集中的距离、方位角、俯仰角进行修正；

9、基于所述误差参数向量中的旋转轴系参数误差、光束方向参数误差，对修正后的距离、方位角、俯仰角，计算当前误差参数下的补偿测量点集。

10、在一些实施例中，基于所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的补偿测量点集和所述基准点坐标数据点集，获取各个视角的旋转矩阵和平移向量，包括基于下式计算各个视角的旋转矩阵和平移向量：

11、；

12、其中，表示误差参数向量在第个视角的旋转矩阵，表示第个视角的平移向量，表示取最小值对应的自变量，表示补偿测量点集，表示基准点坐标数据点集，表示待更新旋转矩阵，表示待更新平移向量，表示测量点数量，表示测量点序号。

13、在一些实施例中，所述配准后位置误差项为：

14、；

15、其中，表示第个视角的位置误差项。

16、在一些实施例中，所述点对距离误差项为：

17、；

18、；

19、；

20、；

21、；

22、其中，表示第个视角的点对距离误差项，表示第个视角内的点对数量，表示误差惩罚函数，表示同一视角不同测量点和在当前误差参数下的测量点对距离，表示测量点的补偿数据集，表示测量点的补偿数据集，表示基准测量装置基准点对距离，表示测量点的基准点对距离，表示测量点的基准点对距离，表示点对距离误差。

23、在一些实施例中，所述多视角联合目标函数为：

24、；

25、其中，表示位置误差权重，表示点对距离误差权重，表示视角数量。

26、在一些实施例中，所述方法还包括：初始化误差参数向量为零，并且，当新增补充视角，或局部视角补偿效果不足时，将已有标定的误差参数向量作为初值，将新增补视角数据和已有多视角数据共同纳入多视角联合目标函数，并继续执行迭代优化。

27、第二方面，提供了一种激光跟踪仪误差参数标定设备，所述设备包括：

28、数据及误差向量获取模块，用于：获取多视角下激光跟踪仪对目标点的测量数据点集、基准测量装置对目标点测量的基准点坐标数据点集，以及建立并初始化误差参数向量；

29、补偿测量点集计算模块，用于：基于所述误差参数向量，对所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的测量数据点集进行补偿，得到每个视角下的补偿测量点集；

30、误差项构建模块，用于：基于所述激光跟踪仪在所述多视角下每个视角的补偿测量点集和所述基准点坐标数据点集，获取各个视角的旋转矩阵和平移向量，并基于所述各个视角的旋转矩阵和平移向量构建配准后位置误差项，以及构建同一视角下点对距离误差项；

31、目标函数构建求解模块，用于：基于所述配准后位置误差项、所述对距离误差项，构建多视角联合目标函数，以及利用所述每个视角下的补偿测量点集和所述基准点坐标数据点集，求解所述多视角联合目标函数并对所述误差参数向量进行迭代更新后返回补偿测量点集计算模块迭代执行，以得到所述多视角联合目标函数最小情况下的误差参数向量和三维测量结果。

32、第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上任一项所述的方法。

33、第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上任一项所述的方法。

34、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：能够利用三坐标机等外部高精度辅助装置提供的基准点位，保持点位基准精度和对应关系清晰的优势；还能够引入主视角和辅视角数据，扩展单一视角下受限的标定覆盖范围；进一步需要在误差参数优化过程中处理各视角测量点与三坐标机基准点之间的配准关系，使配准关系随误差参数迭代同步更新，并通过多视角数据共同优化同一套激光跟踪仪误差参数；对于标定完成后局部视角补偿效果不足的情况，还支持基于已有标定参数和补充视角数据进行参数微调，从而减少完整重新标定的工作量。