基于光电扫描测角与超声测距的全站式空间定位方法研究

摘要

全站式空间定位测量技术以其灵活性高、适应性强等优点，广泛地应用于工业装备制造领域的大尺寸测量。当前全站式测量技术存在以下原理局限性：球坐标式全站测量技术受限于激光干涉测距原理，只能进行单任务测量，测量效率低；角度交会式全站测量技术受限于缺少距离约束，仅依靠被测空间提供的结构约束，导致测量精度较低。为实现多任务、实时性好、精度高的新型全站式测量，本文在旋转扫描激光空间角度测量方法研究的基础上，引入高精度超声测距法，构建新型全站式多任务空间定位测量系统，完成了以下研究内容：
　　1、提出了一种新型全站式空间定位测量方法，采用球坐标测量原理，通过旋转扫描激光测量被测点的空间角度，结合周向阵列式超声测距法测量被测点距离，解算被测点坐标。借助扫描激光与超声阵列的空间发散角，可实现全站（单站）条件下的多任务、实时测量；
　　2、阐述了通过扫描激光测量空间角度的原理，研究了激光平面参数的标定方法，提出了将扫描测角与超声测距相融合的方法，即采用系统互扫描的方法标定超声测距模块在光电扫描基站下的坐标，并详细阐述了基于多平面约束与超声测距的空间坐标定位原理；
　　3、提出并研究了一种对射式高精度超声测距方法，采用粗测与精测结合的方式精确测量飞行时间。粗测法采用带特征点的互相关法提取飞行时间中的整数倍声波周期部分，精测法通过检测发射与接收声波间的相位差对飞行时间中不足整周期的部分作精确修正。对射方式避免了反射物对超声信号的干扰，声波信号质量得到保障，通过相位细分的方式可达到较高精度；
　　4、温度是影响声速变化的最主要因素，直接决定了测量精度。针对工业现场复杂的环境因素，尤其是超声传播路径上温度分布的不均匀与不稳定性，提出了一种基于有限元算法的测量空间三维温度场的构建方法，通过边界温度值来拟合测量空间内部的温度分布，对声速进行精确的补偿；
　　5、分析了扫描测角与超声测距结合的坐标测量不确定度来源，包括激光平面扫描角测量不确定度与超声测距不确定度，并推导了测量靶坐标测量不确定度的传递模型，给出了测量靶最优测量方案，实验验证了本方法的可行性与精度。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究背景及意义

1.3国内外研究现状

1.4课题来源与研究内容

1.5关键问题与内容安排

第二章 光电扫描式空间角度测量原理

2.1光电扫描基站结构及其数学模型

2.2激光平面参数标定方法

2.3空间角度测量原理

2.4平面参数标定及扫描角测量稳定性实验

2.5本章小结

第三章 相位式高精度超声测距法

3.1飞行时间测距原理

3.2带特征点的互相关飞行时间提取法

3.3基于DFT的相位式飞行时间精测法

3.4相位式高精度超声测距法实验验证

3.5本章小结

第四章 基于三维温度场构建的声速补偿方法

4.1温度对声速的影响

4.2三维温度场构建原理

4.3基于耦合迭代的声速精确补偿法

4.4声速补偿验证实验

4.5本章小结

第五章 基于多平面约束及距离信息的空间定位原理

5.1空间定位数学模型

5.2超声测距模块标定方法

5.3合作式接收靶标空间定位原理

5.4全站式空间定位原理验证

5.5本章小结

第六章 空间定位系统不确定度分析

6.1扫描角测量不确定度分析

6.2超声测距不确定度分析

6.3空间坐标定位不确定度传递模型

6.4本章小结

第七章 全文总结及展望

7.1全文总结

7.2论文创新点

7.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢