基于空间角度交会测量网络的大范围位姿测量方法研究

针对大型装备制造、装配过程需要解决的大范围目标位姿估计问题，本项目旨在研究探索基于空间角度交会测量网络的目标位姿测量理论与测量精度评价方法。在已有预研基础上，进一步深入研究空间角度交会测量网络测量原理，研究光电传感器几何结构与光电信号峰值特征时间的转换，以及发射机网络时间基准高精度同步传输机制。在此基础上，研究在空间角度交会测量网络系统下的不确定度表达方式，揭示不确定度在不同类型测量模型、非线性拟合、空间坐标变换过程中合成、传递规律，建立测量网络覆盖空间不确定度分布模型。研究发射机网络拓扑结构变化对覆盖空间不确定度分布的影响规律，研究发射机网络拓扑结构的约束多目标优化问题。研究目标位姿信息度量方法，识别对目标位姿估计精度影响最大的关键几何特征点集，以此为依据确定光电传感器在目标上设置。以信息增益为依据，研究目标移动中发射机自适应配置。为大型装备制造、装配提供一种新的位姿在线测量方法。

现场大尺寸空间精密定位与坐标测量是飞机、船舶等重大装备装配过程中的关键问题之一。本课题研究一种新型的非正交坐标系下的大尺寸空间精密定位方法，该方法结合光电经纬仪空间角度前方交会测量与GPS定位原理，实现了大尺寸范围内被测构件低成本、高精度、多目标并行在线定位。测量系统由发射机网络和光电传感器组成，其工作犹如“GPS系统”，激光发射机如同“太空中的卫星”，每台发射机上的旋转激光平面对整个测量空间进行扫描，具有特定几何形状的光电传感器如同“GPS接收机”，用来接收激光扫描信号，将空间角度的测量变换为时间的精密测量，根据空间角度前方交会原理确定光电传感器的三维空间坐标。研究内容包括：空间角度交会测量模型和标定方法，空间角度-精密时间测量变换与光电传感方法，多发射机扫描信号辨识与特征时间计算方法，以及现场测量不确定度评估方法。在空间角度交会网络定位系统位姿基础上，研究了移动式三坐标测量系统，研究了手持式测头的位姿测量模型与标定方法、研制了便携式三坐标光电测头，开展了相关应用试验，试验结果证明了测量方法的有效性；在研制大型构件数字化自动装配系统基础上，研究了基于空间角度交会测量网络的大型构件装配位姿在线测量方法；同时以空间角度交会测量网络为基础，开展了集成末端三维激光成像设备的大尺寸空间组合式测量方法及相关实验。为了进一步提高定位系统精度，研究了一种基于空间距离交会定位的高精度GPS系统，根据多站式激光目标跟踪与高精度绝对测距，确定目标点的三维空间位置，避免了空间角度测量误差随测量范围增大引起的误差放大问题。研究了外腔可调谐半导体激光器光频扫描的高精度干涉绝对测距方法，提出了一种光频扫描过程由PZT非线性驱动引起的干涉条纹相位测量误差修正方法，提出了一种光纤组量程扩增的绝对测距方法，为有效解决了大尺寸测量范围的高精度绝对测距提供了一种有效方法。