位姿测量方法及系统与流程

1.本发明实施例涉及激光测量领域，具体的涉及一种位姿测量方法及系统。


背景技术：

2.激光跟踪仪是一种大尺寸绝对距离测量仪器，广泛应用于海工装备、飞机制造、轨道交通及高精度机器人测量等领域。在大型零部件装配中，由于部件尺寸大，产线上的装配机器人行程大，激光跟踪仪的测量距离远，现有的激光跟踪仪对待测目标的测量精准度难以得到保证。
3.有鉴于此，有必要提供一种用于对激光跟踪仪的测量精度进行校准的设备，以提高激光跟踪仪对待测目标的测量精准度。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种位姿测量系统，用于解决现有的激光跟踪仪对待测目标的测量精准度难以得到保证的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种位姿测量系统，包括：激光干涉仪测试模块，所述激光干涉仪测试模块包括激光器、八个棱镜、三个反射镜、三个光电探测器、光学隔振平台及滑台，其中，所述八个棱镜包括三个直角棱镜及五个分光棱镜，所述激光器、所述三个光电探测器及所述八个棱镜安装在所述光学隔振平台上，所述三个反射镜安装在所述滑台上，所述激光器发出的激光光束经所述三个直角棱镜、所述五个分光棱镜及所述三个反射镜调理形成三路测量光路，三个所述光电探测器分别接收一路测量光路的光信号，所述激光干涉仪测试模块用于测量所述滑台分别位于第一位置及第二位置的位置信息；环境感知模块，所述环境感知模块包括多个温度传感器、温湿度传感器、气压传感器及信号采集子模块，所述信号采集子模块分别与多个所述温度传感器、所述温湿度传感器及气压传感器通讯连接，所述环境感知模块用于采集环境数据；上位机，所述上位机与所述信号采集子模块通讯连接，所述上位机还分别与三个所述光电探测器通讯连接，所述上位机用于根据所述环境数据及所述位置信息计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
6.可选地，所述三个直角棱镜分别为第一直角棱镜、第二直角棱镜及第三直角棱镜，所述五个分光棱镜分别为第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜及第五分光棱镜，所述三个反射镜分别为第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜，所述三个所述光电探测器分别为第一光电探测器、第二光电探测器及第三光电探测器，所述激光器发出的激光光束经所述第一直角棱镜将所述激光光束偏转90
°
进入所述第一分光棱镜，所述第一分光棱镜将所述激光光束分为第一光路及第二光路，所述第一光路经所述第二直角棱镜偏转90
°
进入所述第二分光棱镜，所述第二分光棱镜将所述第一光路分为第三光路及第四光路，所述第三光路进入所述第一光电探测器，所述第四光路射向所述第一反射镜，所述第
一反射镜将所述第四光路反射进入所述第二分光棱镜，所述第二分光棱镜将所述第四光路分为第五光路及第六光路，所述第五光路进入所述第一光电探测器；所述第二光路射向所述第三分光棱镜，所述第三分光棱镜将所述第二光路分为第七光路及第八光路，所述第七光路经所述第三直角棱镜偏转90
°
进入第四分光棱镜，所述第四分光棱镜将所述第七光路分为第九光路及第十光路，所述第九光路进入所述第二光电探测器，所述第十光路射向所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述第十光路反射进入所述第四分光棱镜，所述第四分光棱镜将所述第十光路分为第十一光路及第十二光路，所述第十一光路进入所述第二光电探测器；所述第八光路射向所述第五分光棱镜，所述第五分光棱镜将所述第八光路分为第十三光路及第十四光路，所述第十三光路进入所述第三光电探测器，所述第十四光路射向所述第三反射镜，所述第三反射镜将所述第十四光路反射进入所述第五分光棱镜，所述第五分光棱镜将所述第十四光路分为第十五光路及第十六光路，所述第十五光路进入所述第三光电探测器。
7.可选地，所述第二直角棱镜位于所述第一分光棱镜的正上方，所述第二分光棱镜位于所述第五分光棱镜的正上方，所述第一反射镜位于所述第三反射镜的上方。
8.可选地，所述滑台包括导轨及滑动块，所述三个反射镜安装在所述滑动块上。
9.可选地，所述多个温度传感器位于所述导轨的正上方。
10.可选地，所述多个温度传感器沿所述导轨等距分布。
11.可选地，所述温湿度传感器和所述气压传感器位于所述导轨底部。
12.本技术还提供一种位姿测量方法，应用于如上所述的位姿测量系统中，所述方法包括：将滑台移动至第一位置，激光器发射激光光束；激光干涉仪测试模块将激光光束调理形成三路测量光路，并将三路测量光路测量到的所述滑台位于所述第一位置的第一位置信息上传至上位机；将滑台移动至第二位置，激光干涉仪测试模块将三路测量光路测量到的所述滑台位于所述第二位置的第二位置信息上传至上位机；环境感知模块将采集到的环境数据上传至上位机，所述环境数据包括温度数据、相对湿度数据及压力数据；上位机根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
13.可选地，所述上位机根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离包括：所述上位机根据所述第一位置信息及所述第二位置信息计算得到每一路测量光路测量得到的原始位置信息；所述上位机根据所述原始位置信息、所述环境数据及预设的折射率修正算法对所述原始位置信息进行折射率修正处理，得到折射率修正处理后的位置信息；所述上位机采用所述阿贝误差修正算法对折射率修正处理后的位置信息进行修正，得到位置标准值，所述位置标准值作为所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
14.可选地，所述将滑台移动至第一位置的步骤之前，还包括：
将激光跟踪仪靶标固定在所述滑台上。
15.本发明的位姿测量系统通过在三路测量光路测量得到第一位置信息及第二位置信息后，可以依据环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法对测量得到的第一位置信息及第二位置信息进行修正，从而可以得到更加精准的第一位置与所述第二位置之间的距离。这样，后续即可以根据这个更加精准的第一位置与所述第二位置之间的距离对待校准的激光跟踪仪测量到的第一位置与所述第二位置之间的距离进行比较，然后，根据比较结果实现对激光跟踪仪的校准。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明实施例中的位姿测量系统的架构示意图；图2是本发明实施例中的三路测量光路示意图；图3为本发明实施例中的环境感知模块分布示意图；图4为本发明实施例中的位姿测量方法的步骤流程图；图5为本发明实施例中的上位机根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离的步骤细化流程图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下接合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.需要说明的是，在本发明实施例中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互接合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的接合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的接合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
19.如图1-3所示，本发明实施例提供了一种位姿测量系统，所述位姿测量系统包括激光干涉仪测试模块10、环境感知模块20及上位机30。
20.所述激光干涉仪测试模块10包括激光器100、八个棱镜、三个反射镜、三个光电探测器、光学隔振平台131及滑台。其中，八个棱镜包括三个直角棱镜及五个分光棱镜。所述激光器100、所述三个光电探测器及所述八个棱镜安装在所述光学隔振平台131上，所述三个反射镜安装在所述滑台上。所述激光器100发出的激光光束经所述三个直角棱镜、所述五个分光棱镜及所述三个反射镜的调理后会形成三路测量光路，分别为测量光路a、b、c。
21.在本实施例中，所述激光器100用于发射激光光束。
22.所述三个直角棱镜分别为第一直角棱镜110、第二直角棱镜112及第三直角棱镜
117，每一个直角棱镜用于对射向其中的光路进行偏转90
°
处理。
23.所述五个分光棱镜分别为第一分光棱镜111、第二分光棱镜113、第三分光棱镜116、第四分光棱镜118及第五分光棱镜121，每一个分光棱镜用于对射向其中的光路进行分光处理，以将射向其中的光路分为两路。
24.所述三个反射镜分别为第一反射镜114、第二反射镜119及第三反射镜122，每一个反射镜的镜面与射向其中的光路垂直，以将射向其中的光路原路反射回去。
25.所述三个光电探测器分别为第一光电探测器115、第二光电探测器120及第三光电探测器123，每一个光电探测器用于接收一路测量光路的光信号，并将接收到的光信号转换为电信号。
26.所述光学隔振平台131用于保证安装在其上的所述激光器100、所述三个光电探测器及所述八个棱镜的稳定性。
27.所述滑台可以由导轨及滑动块130组成。相应地，所述三个反射镜安装在所述滑动块130上。所述滑动块130可以在导轨上滑动。在本实施例中，为了便于移动，滑动块130在导轨上的滑动距离一般不超过10米。
28.在本实施例中， 激光干涉仪测试模块10用于测量滑台分别位于第一位置x及第二位置y的位置信息。
29.在一示例性的实施方式，所述激光器100发出的激光光束经所述第一直角棱镜110将所述激光光束偏转90
°
后进入所述第一分光棱镜111，所述第一分光棱镜111将所述激光光束分为第一光路及第二光路，所述第一光路经所述第二直角棱镜112偏转90
°
后进入所述第二分光棱镜113，所述第二分光棱镜113将所述第一光路分为第三光路及第四光路，所述第三光路进入所述第一光电探测器115，所述第四光路射向所述第一反射镜114，所述第一反射镜114将所述第四光路反射进入所述第二分光棱镜113，所述第二分光棱镜113将所述第四光路分为第五光路及第六光路，所述第五光路进入所述第一光电探测器115，所述第六光路会重新射向所述第一反射镜114；所述第二光路射向所述第三分光棱镜116，所述第三分光棱镜116将所述第二光路分为第七光路及第八光路，所述第七光路经所述第三直角棱镜117偏转90
°
后进入第四分光棱镜118，所述第四分光棱镜118将所述第七光路分为第九光路及第十光路，所述第九光路进入所述第二光电探测器120，所述第十光路射向所述第二反射镜119，所述第二反射镜119将所述第十光路反射进入所述第四分光棱镜118，所述第四分光棱镜118将所述第十光路分为第十一光路及第十二光路，所述第十一光路进入所述第二光电探测器120，所述第十二光路重新射向所述第二反射镜119；所述第八光路射向所述第五分光棱镜121，所述第五分光棱镜121将所述第八光路分为第十三光路及第十四光路，所述第十三光路进入所述第三光电探测器123，所述第十四光路射向所述第三反射镜122，所述第三反射镜122将所述第十四光路反射进入所述第五分光棱镜121，所述第五分光棱镜121将所述第十四光路分为第十五光路及第十六光路，所述第十五光路进入所述第三光电探测器123，所述第十六光路会重新射向所述第三反射镜122。
30.需要说明的是，第一次进入所述第一光电探测器115的所有光通路以及第二次进入所述第一光电探测器115的所有光通路组成第一路测量光路a。第一次进入所述第二光电探测器120的所有光通路以及第二次进入所述第二光电探测器120的所有光通路组成第二路测量光路b。第一次进入所述第三光电探测器123的所有光通路以及第二次进入所述第三
光电探测器123的所有光通路组成第三路测量光路c。
31.在一示例性的实施方式中，所述第二直角棱镜112位于所述第一分光棱镜111的正上方，所述第二分光棱镜113位于所述第五分光棱镜121的正上方，所述第一反射镜114位于所述第三反射镜122的上方。
32.所述环境感知模块20包括多个温度传感器、温湿度传感器221、气压传感器222及信号采集子模块。所述温度传感器用于采集当前所处环境的温度数据，所述温湿度传感器221用于采集当前环境的相对湿度数据，所述气压传感器222用于采集当前环境的压力数据，所述信号采集子模块用于将温度传感器、温湿度传感器221、气压传感器222采集的数据上传至上位机30。
33.作为示例，所述环境感知模块20包括六个温度传感器，分别为第一温度传感器210、第二温度传感器211、第三温度传感器212、第四温度传感器213、第五温度传感器214及第六温度传感器215。
34.在一示例性的实施方式中，所述多个温度传感器位于所述导轨的正上方。
35.在一示例性的实施方式中，为了提高当前环境的环境温度的检测精度，所述多个温度传感器沿所述导轨等距分布，各个温度传感器之间距离优选为2米。
36.在一示例性的实施方式中，温湿度传感器221、气压传感器222位于所述导轨底部。
37.所述上位机30可以为计算机、服务器等终端设备。所述上位机30与所述信号采集子模块通讯连接，所述上位机30还分别与三个所述光电探测器通讯连接，所述上位机用于根据所述环境数据及所述位置信息计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离。在本实施例中，上位机30具体如何根据所述环境数据及所述位置信息计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离可以参照下面的实施例。
38.在本实施例中，上位机30在计算得到所述第一位置与所述第二位置之间的距离后，可以与待校准的激光干涉仪测量到的第一位置与所述第二位置之间的距离进行比较，然后根据比较结果对待校准的激光干涉仪进行校准。
39.其中，待校准的激光干涉仪可以通过如下步骤测量得到第一位置与所述第二位置之间的距离：步骤1、将激光跟踪仪靶标固定放置在滑台上，当激光干涉仪测试模块测量到所述滑台分别位于第一位置的位置信息时，也通过待校准的激光干涉仪测量激光跟踪仪靶标的位置信息a；步骤2、当激光干涉仪测试模块测量到所述滑台分别位于第二位置的位置信息时，再次通过待校准的激光干涉仪测量激光跟踪仪靶标的位置信息b；步骤3、根据位置信息a与位置信息b计算第一位置与所述第二位置之间的距离。
40.本技术中的位姿测量系统通过在三路测量光路测量得到第一位置信息及第二位置信息后，可以依据环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法对测量得到的第一位置信息及第二位置信息进行修正，从而可以得到更加精准的第一位置与所述第二位置之间的距离。这样，后续即可以根据这个更加精准的第一位置与所述第二位置之间的距离对待校准的激光跟踪仪测量到的第一位置与所述第二位置之间的距离进行比较，然后，根据比较结果实现对激光跟踪仪的校准。
41.参阅图4，本技术还提供一种位姿测量方法，应用于上述所述的位姿测量系统中，
所述方法包括：步骤s40，将滑台移动至第一位置，激光器发射激光光束；具体地，所述第一位置作为零位，所述零位是相对于导轨而言的。在本实施例中，所述零位为导轨上方的第一个温度传感器的位置。
42.步骤s41，激光干涉仪测试模块将激光光束调理形成三路测量光路，并将三路测量光路测量到的所述滑台位于所述第一位置的第一位置信息上传至上位机；具体地，上位机在得到第一位置信息后，可以对第一位置信息进行归零，归零后三路测量光路测量到的滑台零位位置信息为0mm，滑台的位置以零点为起点。
43.步骤s42，将滑台移动至第二位置，激光干涉仪测试模块将三路测量光路测量到的所述滑台位于所述第二位置的第二位置信息上传至上位机；具体地，所述第二位置作为目标点为，滑台在移动到第二位置后静止不动，此时，激光干涉仪测试模块会将三路测量光路测量到的所述滑台位于所述第二位置的第二位置信息上传至上位机。
44.步骤s43，环境感知模块将采集到的环境数据上传至上位机，所述环境数据包括温度数据、相对湿度数据及压力数据；具体地，在滑台移动到第二位置后，环境感知模块将采集到的环境数据上传至上位机。
45.步骤s44，上位机根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
46.具体地，上位机在得到所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据后，会先使用折射率修正算法修正三路测量光路测量到的第二位置信息，再通过阿贝误差修正算法对修正后的第二位置信息进行进一步修正，得到位置标准值，即得到所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
47.在一示例性的实施方式中，参阅图5，上位机根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述环境数据、预设的折射率修正算法以及预设的阿贝误差修正算法计算所述第一位置与所述第二位置之间的距离包括：步骤s50，所述上位机根据所述第一位置信息及所述第二位置信息计算得到每一路测量光路测量得到的原始位置信息；所述原始位置信息=第二位置信息-第一位置信息。
48.作为示例，三路测量光路测量得到的原始位置信息分别为ox1、ox2、ox3。
49.步骤s51，所述上位机根据所述原始位置信息、所述环境数据及预设的折射率修正算法对所述原始位置信息进行折射率修正处理，得到折射率修正处理后的位置信息。
50.具体地，折射率修正算法如下所示：；其中，ex1为对原始位置信息分别为ox1进行折射率修正处理后的位置信息；；其中，ex2为对原始位置信息分别为ox2进行折
射率修正处理后的位置信息；；其中，ex3为对原始位置信息分别为ox3进行折射率修正处理后的位置信息；上式中分别是激光光路上的空气温度、气压、二氧化碳含量及空气水蒸气分压；；；；；上式中分别是激光光路上的空气温度、气压、二氧化碳含量及空气水蒸气分压，为激光波长；所述气压为气压传感器采集得到的压力信息，二氧化碳含量为常数0.04%；空气水蒸气分压采用如下公式计算得到：；为温湿度传感器221读取得到的相对湿度信息，t为温湿度传感器221读取得到的温度信息，a、b、c、d各系数如下：； ； ； ；所述空气温度由多个温度传感器（以6个温度传感器为例）采集得到的温度信息计算得到，具体地，空气温度为6个温度传感器210、211、212、213、214、215采集到的6个温度t1、t2、t3、t4、t5和t6结合以下所示的权总分区间空气温度修正法计算得到：；x为滑块的位置，其中，滑块的位置为ex1、ex2及ex3中的任意一个值。
51.由温度信息t1、t2、t3、t4、t5和t6结合以下所述的拉格朗日插值法计算得到；；式中 、为温度传感器所在的位置，每一个温度传感器的位置根据第一个传感器器的位置进行确认，比如设置第一个温度传感210的位置为0，则第二个温度传感器221的位置为第一个传感器与第二传感器之间的距离，若该具体为2米，则第二个温度传感器221的位置为2米。
52.需要说明的是，本实施例中的采用折射率修正算法是非线性的修正算法，因而，采用该折射率修正算法对原始位置信息进行的折射率修正也是非线性的。
53.步骤s52，所述上位机采用所述阿贝误差修正算法对折射率修正处理后的位置信息进行修正，得到位置标准值，所述位置标准值作为所述第一位置与所述第二位置之间的距离。
54.具体地，阿贝误差修正算法如下所示：；其中，反射镜122的中心点在全局坐标下的坐标记为()，l1为反射镜114与反射镜122之间的直线距离，l2为反射镜112与反射镜119之间的直线距离。
55.在一示例性的实施方式中，为了后续方便对激光跟踪仪进行校准，所述将滑台移动至第一位置的步骤之前，还包括：将激光跟踪仪靶标固定在所述滑台上。
56.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。