一种主动对准靶标定位误差补偿方法、装置、设备及程序产品

本公开涉及激光精密测量领域，更具体地，涉及一种主动对准靶标定位误差补偿方法、装置、设备及程序产品。

背景技术：

1、激光跟踪仪是一种集激光干涉测距、光电探测、精密机械和自动控制等多项技术于一体的通用型大尺寸几何量精密测量仪器，具有测量范围广、精度高、动态性能优良等特点，不仅适用于静态目标几何参数精密测量，还能对运动目标位姿参量进行实时跟踪测量，在飞行器制造与装配质量检测、大型设备关键几何参数测量、大型科学实验装置建设与运行过程监测、军工装备科研生产保障等众多行业领域发挥着重要作用。

2、在激光跟踪测量过程中，仪器通过内置的激光测距模块与二维测角模块测定合作靶标相对仪器主机的距离、方位角与俯仰角，再经过坐标变换得到合作靶标在仪器三维直角坐标系下的坐标。传统的合作靶标形式为球形反射镜或安装有多个球形反射镜的固定式靶标。固定式靶标光束接收范围较小（通常约22.5°），测量光束相对合作靶标偏角超过靶标空间角度接收范围时光线中断，需要人工调整靶标位置，导致测量效率低下且无法实现自动测量。与传统合作靶标相比，主动靶标是一种具备自适应对准功能的合作靶标，当被测对象进行大范围平移、旋转运动时，主动靶标能够通过调整自身二维角度，使反射镜始终面向激光跟踪仪主机，实现对测量光的主动对准，确保不会因测量光束超出合作靶标的角度接收范围导致测量过程中断，可实现测量全过程无需人工干预，显著提高测量效率。

3、现有的主动对准靶标包含二维旋转轴系，其机械结构相对复杂，在靶标部件加工、装配等环节不可避免地包含一系列几何误差，导致激光跟踪仪坐标测量误差增大。现有的针对主动跟踪式测量系统的几何误差分离检测与补偿技术研究，存在实施过程复杂、难以实现误差参数完全解耦等问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本公开提供了能提高坐标测量精度的主动对准靶标定位误差补偿方法、装置、设备和程序产品。

2、根据本公开的第一个方面，提供了一种主动对准靶标定位误差补偿方法，包括：获取目标位置下靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的坐标测量值、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值；基于靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的坐标测量值、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值和预确定的主动对准靶标的几何误差参数和结构参数，确定靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的补偿后的坐标值；基于靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的补偿后的坐标值和预确定的靶标基座坐标系与激光跟踪仪坐标系转换关系，确定靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的补偿后的坐标值。

3、根据本公开的实施例，预确定的主动对准靶标的几何误差参数和结构参数的确定方法，包含：获取若干个不同位置的靶标反射棱镜顶点在靶标基座坐标系下的坐标测量值，以及对应若干位置的主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值；基于反射棱镜顶点在靶标基座坐标系下的坐标测量值、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值，获得主动对准靶标的几何误差参数和结构参数。

4、根据本公开的实施例，获取靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的坐标测量值，包括：基于与靶标基座相对位置关系始终保持不变的三个自定心磁性球座坐标测量值，靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的坐标测量值，确定靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的坐标测量值。

5、根据本公开的实施例，获得主动对准靶标的几何误差参数和结构参数，包括：以主动对准靶标的几何误差参数和结构参数为待求参数，以若干个位置反射棱镜顶点在靶标基座坐标系下的坐标估计值与相应的坐标测量值偏差的和作为适应度函数，求解主动对准靶标的几何误差参数和结构参数。

6、根据本公开的实施例，获得主动对准靶标的几何误差参数和结构参数，包括：以主动对准靶标的几何误差参数和结构参数为遗传个体，基于主动对准靶标几何误差模型，以若干个位置反射棱镜顶点在靶标基座坐标系下的坐标估计值与相应的坐标测量值偏差的和作为适应度函数，以遗传算法求解主动对准靶标的几何误差参数和结构参数；基于遗传算法求解的几何误差参数和结构参数为初始值，进一步求解几何误差参数和结构参数的最小二乘解。

7、根据本公开的实施例，主动对准靶标定位误差补偿方法包括：基于主动对准靶标运动学几何误差模型、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值，确定反射棱镜顶点相对参考位置的补偿量；基于补偿量对反射棱镜顶点在靶标基座坐标系下的坐标测量值进行修正。

8、本公开实施例的另一方面提供了一种主动对准靶标定位装置，包括：参数获取模块，用于获取目标位置下靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的坐标测量值、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值；位置确定模块，用于基于靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的坐标测量值、主动对准靶标转台的方位角度值、主动对准靶标转台的俯仰角度值和预确定的主动对准靶标的几何误差参数和结构参数，确定靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的补偿后的坐标值；基于靶标反射棱镜顶点在基座坐标系下的补偿后的坐标值和预确定的靶标基座坐标系与激光跟踪仪坐标系转换关系，确定靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的补偿后的坐标值。

9、本公开实施例的另一方面提供了主动对准靶标定位设备，包括：主动对准靶标、控制系统和定位分析系统；主动对准靶标包含：基座、方位轴系、俯仰轴系、反射棱镜、位置敏感探测器；方位轴系设于基座上，用于绕方位轴转动并带动俯仰轴系转动；俯仰轴系设于方位轴系上，用于绕俯仰轴转动并带动反射棱镜转动；反射棱镜顶点处设有孔，孔基本上位于方位轴与俯仰轴的中心线交点处；位置敏感探测器设于反射棱镜的一侧，与反射棱镜的相对位置关系固定，用于基于从反射棱镜另一侧入射并透过孔的光束确定光束偏移量；控制系统，用于基于光束偏移量控制方位轴系、俯仰轴系转动，使反射棱镜对准光束；定位分析系统用于基于主动对准靶标定位误差补偿方法，确定靶标反射棱镜顶点在激光跟踪仪坐标系下的几何误差补偿后的坐标值。

10、根据本公开的实施例，主动对准靶标定位设备还包含：球形反射镜，用于反射接受到的光束；三个自定心磁性球座，用于承载所述球形反射镜；刚性平板，用于承载所述磁性球座和所述靶标基座。

11、本公开实施例的另一方面提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。

12、上述一个或多个实施例具有如下有益效果：本公开的一些实施例的定位误差补偿方法通过建立包含全部几何误差参数与运动参数的运动学模型，提出了完整的靶标几何误差参数辨识方法，实现了对靶标定位误差的补偿。

13、本公开的一些实施例提供了一种具备主动对准功能的激光跟踪仪的合作靶标，通过建立包括电流环、速度环和位置环的三闭环反馈控制模型和分段式pid控制算法，实现靶标对测量激光的主动对准。

14、通过本公开实施例的方法补偿靶标几何误差后，激光跟踪仪测得的靶标位移误差极值由0.182mm下降至0.034mm，均方根误差由0.088mm下降至0.014mm，分别降低了81%和84%，能够满足以工业机器人校准为代表的快速自动化高精度激光跟踪测量需求。