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      慣性測量單元基準(zhǔn)面與載體平臺的標(biāo)定方法研究

      2015-03-28 06:11:18江來偉崔希民袁德寶
      測繪工程 2015年3期
      關(guān)鍵詞:基準(zhǔn)面測站全站儀

      江來偉,崔希民,袁德寶,王 孟,鄭 瓊

      (中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京100083)

      慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,I MU)是提供載體運(yùn)動時姿態(tài)和位置信息的測量傳感器,通常應(yīng)用于航空遙感、地面激光掃描、載體組合導(dǎo)航等領(lǐng)域,其包含三軸陀螺儀和三軸加速度計。在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,I MU通常與GPS組合安裝于載體之上,測量載體運(yùn)動時的角速率/角速度和加速度,并通過數(shù)學(xué)積分運(yùn)算來實時輸出載體運(yùn)動過程中的姿態(tài)、速度、位置等狀態(tài)信息[1-2]。由于載體外形以及安裝精度等原因,I MU安裝后,I MU測量坐標(biāo)系與載體平臺坐標(biāo)系通常不重合,為了完成I MU測量值到平臺坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[3],實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,需要對I MU與載體平臺之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。目前標(biāo)定工作主要從兩方面進(jìn)行:一是標(biāo)定方法,如條件標(biāo)定法、工具標(biāo)定法、控制場法[4]等;二是數(shù)據(jù)處理,如濾波技術(shù)[2]、智能優(yōu)化算法[5]、四元數(shù)法[6]等。但存在標(biāo)定過程復(fù)雜,數(shù)據(jù)處理困難,通用性差、效率低等問題,難以在實際工作中得到應(yīng)用。在深入研究I MU和載體平臺的基礎(chǔ)上,研究并比較了基于全站儀和攝影測量兩種測量手段的標(biāo)定方法,在通過基準(zhǔn)面建立坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)I MU基準(zhǔn)面與載體平臺關(guān)系的標(biāo)定。

      1 坐標(biāo)系統(tǒng)的定義與建立

      1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)定義

      由于傳感器的測量坐標(biāo)系一般為虛擬坐標(biāo)系,沒有物理實體直接刻畫,也就很難直接建立各傳感器測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系。在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航中,I MU測量坐標(biāo)系定義于傳感器內(nèi)部,由三個軸向方向互相垂直的陀螺儀或加速度計組成[7]。實際工作中,傳感器一般通過安裝基準(zhǔn)面來間接反映其測量坐標(biāo)系,圖1為I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系。

      載體平臺(如飛機(jī))的測量坐標(biāo)系通過基準(zhǔn)點來組建,一般包括航向基準(zhǔn)線和水平基準(zhǔn)面。以I MU安裝基準(zhǔn)面定義I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系,載體平臺的基準(zhǔn)點和基準(zhǔn)面定義載體平臺坐標(biāo)系。I MU安裝基準(zhǔn)面與其測量坐標(biāo)系的關(guān)系一般出廠已知,故確定I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系與載體平臺坐標(biāo)系的關(guān)系后,即確定I MU測量坐標(biāo)系與載體平臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

      圖1 I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系

      1.2 基準(zhǔn)面向量化

      本文將基準(zhǔn)面數(shù)學(xué)化,通過法向量來描述基準(zhǔn)面,建立I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系和載體平臺坐標(biāo)系。如圖2所示,模擬I MU和載體的安裝(實際工作中,按照實際情況布點觀測,本文僅闡述方法)。在I MU和載體平臺粘貼回光反射標(biāo)志和編碼標(biāo)志,其中單點標(biāo)志作為I MU和載體平臺基準(zhǔn)面的采樣點,編碼標(biāo)志用于攝影測量時圖像拼接。為了便于描述,假設(shè)I MU的物理基準(zhǔn)面為面G1和面G2,以面G1和面G2的法向量確定I MU的俯仰和橫滾方向基準(zhǔn)(X,Y),建立右手坐標(biāo)系,確定描述I MU的基準(zhǔn)面坐標(biāo)系。假設(shè)基準(zhǔn)點1和基準(zhǔn)點2確定載體平臺航向基準(zhǔn),面J1為水平基準(zhǔn)面。那么以基準(zhǔn)點1和基準(zhǔn)點2確定X方向,面J1的法向量確定Z方向,建立右手坐標(biāo)系,確定平臺坐標(biāo)系。

      2 標(biāo)定實驗

      2.1 全站儀標(biāo)定

      圖2 I MU和載體平臺模擬

      全站儀測量的原始觀測值為角度和距離值,在精密測量中,常需要反射合作目標(biāo),如棱鏡、反射片、球棱鏡等。在I MU與載體平臺標(biāo)定工作中,全站儀常規(guī)測量方式主要存在兩個問題:一是沒有反射合作目標(biāo);二是測距精度相對較低,影響標(biāo)定精度。為了解決上述問題,現(xiàn)采取單臺全站儀多測站角度交會的測量方法[8-9],即在不同的測站通過測量采樣點的角度來代替測量角度和距離。這不僅免除了反射目標(biāo),還充分利用了全站儀測角精度高的優(yōu)點,尤其對基準(zhǔn)點的測量顯得更加實用。

      如圖3所示,在被測物體周圍布設(shè)4個控制點P1、P2、P3和P4,用于對測站的恢復(fù)和統(tǒng)一。為了保證控制點在測量過程中的穩(wěn)定和精確,在基座上放置1.5″精密球棱鏡。全站儀為徠卡TCA2003,測角精度0.5″,在A測站對控制點進(jìn)行測角測距,對慣性測量單元和載體平臺上的采樣點進(jìn)行角度觀測,所有點為盤左和盤右觀測。在完成A測站的觀測后,移動全站儀至B測站,再次對控制點和采樣點進(jìn)行觀測。其中控制點為測角測距,采樣點為角度測量,重復(fù)測量五組,每組為兩個測站。

      圖3 控制場建立

      2.2 測站統(tǒng)一定向解算

      在角度交會計算之前,需要確定兩個測站之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)典的空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為布爾莎模型(Bursa-wolf)[10],轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)關(guān)系為

      式中:XAYAZA為控制點在測站A下的坐標(biāo);XBYB,ZB為公共點在測站B下的坐標(biāo);m為尺度比例因子,R(ωZ)R(ωY)R(ωX)為三軸旋轉(zhuǎn)矩陣。式(1)適用于公共點沒有誤差的情況下,當(dāng)公共點存在觀測誤差時,需要考慮兩個測站下坐標(biāo)誤差的影響。利用廣義的最小二乘配置法求解精確的轉(zhuǎn)換參數(shù),誤差方程為

      其中:

      將P1、P2、P3、P4在測站A和測站B下的坐標(biāo)值代入式(2),計算出測站A和測站B 的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了得到更加精確的轉(zhuǎn)換參數(shù),對誤差方程進(jìn)行迭代計算,當(dāng)δXA,δYA,δZA小于某個閾值T 時停止迭代。

      表1是每個控制點的轉(zhuǎn)換誤差,從表中可以看出最大轉(zhuǎn)換誤差為0.03 mm,最小為0.008 mm。圖4是5組測站B相對于測站A的轉(zhuǎn)換誤差,表明5組定向誤差RMS為0.015 mm。以上數(shù)據(jù)表明測站B相對于測站A定向解算精度高,穩(wěn)定性好。

      表1 控制點轉(zhuǎn)換誤差 mm

      2.3 空間前方角度交會

      圖4 測站統(tǒng)一誤差

      單臺全站儀空間前方角度交會是已知測站A和測站B的關(guān)系,即完成測站A和測站B的定向后,在測站A和測站B對待測點進(jìn)行角度觀測,通過三角交會計算得到待測點三維坐標(biāo)[11],如圖5所示。該方法最大優(yōu)點就是免除了反射目標(biāo),只利用高精度的角度觀測值,大大減少坐標(biāo)解算的誤差。

      圖5 空間前方角度交會

      I MU測量面為面G1(包括測量點:G1-1、G1-2、G1-3、G1-4)和面 G2(包括測量點:G2-1、G2-2、G2-3、G2-4、G2-5、G2-6),載體平臺測量面為面J1(包括測量點:J1、J2、J3、J4)。按照順時針方向?qū)λ胁蓸狱c的水平角度和豎直角度進(jìn)行觀測。

      全站儀在A,B設(shè)站后,對采樣點Pi進(jìn)行角度觀測,觀測值分別為αi,Zi(A)和βi,Zi(B),則采樣點Pi的三維坐標(biāo)為[11]

      其中b為測站A、測站B的基線長度,通過控制場恢復(fù)測站得到。角度交會計算得到慣性測量單元和載體平臺表面采樣點的三維坐標(biāo)。

      2.4 攝影測量

      攝影測量采用尼康D700對慣性測量單元和載體平臺進(jìn)行拍照,在不同位置和不同姿態(tài)下采集I MU和載體平臺的圖像。鏡頭內(nèi)參數(shù)已標(biāo)定,掃描識別出測量標(biāo)志點后,通過編碼標(biāo)志完成圖像的拼接匹配[12],如圖6所示。

      圖6 測量點掃描與識別

      在圖6中,為保證攝影測量網(wǎng)的尺度與實際的被測目標(biāo)一致,利用基準(zhǔn)尺來提供尺度信息。在每張圖像掃描后,識別編碼標(biāo)志作為平差的控制點,進(jìn)行整體光束法自由網(wǎng)聯(lián)合平差[13-14],得到I MU和載體平臺上測量點在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),如圖7所示。

      圖7 單點測站交會

      3 數(shù)據(jù)分析

      3.1 I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系和載體平臺系

      如圖8所示,I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系建立:采樣點G1-1-G1-4擬合得到面 G1,采樣點 G2-1-G2-6擬合得到面G2。采樣點G2-3投影到面G2得到投影點G X,將點G X投影到面G2和面G1交線上作為原點G0,G0與G X連線方向作為X軸,面G2的法向量作為Y 軸,建立I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系G0-XYZ。載體平臺坐標(biāo)系建立:采樣點J1-J4擬合得到面J1,采樣點J3投影到面J1作為載體系原點J0,點J0與采樣點J1到面J1的投影點連線作為X方向,面J1的法向向量作為Z軸方向,建立平臺右手坐標(biāo)系J0-XYZ。

      圖8 I MU和載體平臺基準(zhǔn)建立

      3.2 點位誤差對比

      圖9 為全站儀和攝影測量5組測量對比,橫軸表示5組重復(fù)測量,縱軸表示每組測量中全部采樣點的點位誤差(RMS)。

      圖9 5組測量誤差對比

      全站儀測量點位平均誤差為0.023 9 mm,5次測量誤差的中誤差為0.008 4 mm;攝影測量的點位平均誤差為0.016 5 mm,5次測量誤差的中誤差為0.001 1 mm;攝影測量相比于全站儀測量的點位精度高,誤差小,穩(wěn)定性高,重復(fù)性好。

      3.3 標(biāo)定誤差分析

      I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系與載體平臺坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)包括3個平移量X0,Y0,Z0,3個旋轉(zhuǎn)量Rot X,Rot Y,Rot Z,以及一個尺度比例因子m,本次標(biāo)定中m=0。表2為I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系與載體平臺坐標(biāo)系的具體標(biāo)定結(jié)果,其中TS代表全站儀標(biāo)定參數(shù),PG代表攝影測量標(biāo)定參數(shù)。

      根據(jù)表2五組標(biāo)定結(jié)果,取均值得到全站儀標(biāo)定I MU基準(zhǔn)面坐標(biāo)系和載體平臺坐標(biāo)系的最優(yōu)結(jié)果為:X0=265.341 77 mm,Y0=132.681 8 mm,Z0=95.546 7 mm;Rot X =4.640 748°,Rot Y =-1.235 304°,Rot Z=50.308 710°。攝影測量標(biāo)定的 最 優(yōu) 結(jié) 果 為:X0=265.449 9 mm,Y0=132.742 2 mm,Z0= 95.736 2 mm;Rot X =4.620 449°,Rot Y = - 1.225 600°,Rot Z =50.314 443°。

      表2 標(biāo)定結(jié)果對比

      全站儀在X,Y和Z方向平移量標(biāo)定誤差分別為:0.095 8 mm、0.051 mm 和0.183 9 mm;旋轉(zhuǎn)量標(biāo)定誤差分別為:0.036 7°,0.043 2°和0.024 0°。攝影測量在X,Y和Z方向平移量標(biāo)定誤差分別為:0.025 2 mm,0.029 3 mm 和0.044 2 mm;旋轉(zhuǎn)量標(biāo)定誤差分別為:0.012 0°,0.007 0°和0.005 5°。

      4 結(jié) 論

      1)實現(xiàn)單臺全站儀多測站角度交會標(biāo)定I MU和載體平臺,免除反射目標(biāo)支持,避免測距誤差帶來的影響,標(biāo)定精度高。

      2)全站儀標(biāo)定每組的平均時間為70.6 min,攝影測量標(biāo)定每組平均時間為15.8 min。攝影測量標(biāo)定效率更高。

      3)全站儀標(biāo)定結(jié)果表明,平移量標(biāo)定精度優(yōu)于0.2 mm,旋轉(zhuǎn)角標(biāo)定精度優(yōu)于0.05°;攝影測量平移量標(biāo)定精度優(yōu)于0.05 mm,旋轉(zhuǎn)角標(biāo)定精度優(yōu)于0.01°;由于地面的影響,Z方向平移誤差較另外兩個方向大。

      4)綜合得出攝影測量標(biāo)定I MU與載體平臺的精度更高,穩(wěn)定性更好,受環(huán)境影響小,現(xiàn)場操作更方便快捷,更適用于I MU與載體平臺的標(biāo)定工作。

      [1] TITTERTON D H,WESTON J L.Strapdo wn Inertial Navigation Technology,2nd[C].The Institution of Electrical Engineers:Hertfor-dshire,HK,2004.

      [2] 鐘圣.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定與傳遞對準(zhǔn)技術(shù)研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

      [3] GOU Zhi-yang,JIANG Lai-Wei,F(xiàn)AN Sheng-h(huán)ong.Attit ude solution for carrier based on quater nion differential equation of Picard solver[C].International Conference on Sensors,Measurement and lntelligent Materials,2014,475:1572-1577.

      [4] 范亞兵,黃桂平,高寶華.三目立體工業(yè)攝影測量系統(tǒng)外部參數(shù)的快速標(biāo)定[J].測繪工程,2012,21(5):48-52.

      [5] 汪霖,曹建福,韓崇昭.基于粒子群優(yōu)化的機(jī)器人多傳感器自標(biāo)定方法[J].機(jī)器人,2009,31(5):391-396.

      [6] 牟魯西,尹周平,熊有倫.一種多傳感器測量系統(tǒng)全局標(biāo) 定 方 法 [J].中 國 機(jī) 械 工 程,2012,23(12):1428-1432.

      [7] 劉錫祥,徐曉蘇.慣性測量組建整體標(biāo)定技術(shù)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2009,17(5):568-572.

      [8] 陳繼華,黃桂平,李廣云.一種新的經(jīng)緯儀/全站儀工業(yè)測量系統(tǒng)標(biāo)定算法[J].測繪通報,2006(8):19-23.

      [9] 劉勇,孫玉平,強(qiáng)博文.高精度工業(yè)測量模擬器交互動態(tài)測試技術(shù)研究[J].測繪與空間地理信息,2014,37(7):47-49.

      [10]李瀟,尹暉.基于最小二乘配置的三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J].測繪工程,2008,17(2):16-18.

      [11]黃桂平.經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)定向及單點解算[J].測繪學(xué)院學(xué)報,2001,30(2):93-98.

      [12]王寶豐.計算機(jī)視覺工業(yè)測量系統(tǒng)的建立與標(biāo)定[D].鄭州:信息工程大學(xué),2004.

      [13]詹總謙,張祖勛,張劍清.基于稀疏矩陣技術(shù)的光束法平差快速算法設(shè)計[J].測繪通報,2006(12):5-8.

      [14]陳令羽,賈奮勵,宋國民.基于全景影像的增強(qiáng)地理現(xiàn)實配準(zhǔn)方法研究[J].測繪工程,2014,23(10):4-8.

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