基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)。激光跟蹤儀與主控模塊連接，靶球初始位姿檢測模塊與主控模塊連接，靶球相對位姿檢測模塊通過無線與無線接收模塊連接，無線接收模塊與主控模塊連接，固定靶球座固定安裝在跟蹤底座上，其與激光跟蹤儀之間的相對固定位姿信息輸入到主控模塊，靶球相對位姿檢測模塊固定安裝在靶球內(nèi)部，靶球初始安裝在固定靶球座上，運動軌跡檢測時通過移動靶球座安裝在機器人本體的末端法蘭上。本發(fā)明能夠克服人工引光的不足，可實現(xiàn)斷光續(xù)接功能，亦可實現(xiàn)對難測點或者遮擋位置的測量，提高激光跟蹤儀引光效率和測量自動化程度；同時也減小了純慣性測量長時間未校準，因誤差累積而漂移嚴重問題。
【專利說明】基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種靶球定位系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]對工業(yè)機器人在線檢測需要進行精確的測量，目前大部件的在線檢測常采用激光跟蹤儀來進行測量，傳統(tǒng)激光跟蹤儀的測量都需要人工手動進行引光操作，測量效率低、過程繁瑣，難以滿足工業(yè)機器人快速發(fā)展的的要求。
[0003]工業(yè)機器人軌跡測量是通過對機器人末端法蘭盤上的基準點進行高速連續(xù)測量來獲得。工業(yè)機器人在線檢測系統(tǒng)中廣泛采用激光跟蹤測量系統(tǒng)，它具有測量范圍大、精度高、操作簡單、可現(xiàn)場檢測等特點，是目前廣泛應用并極具應用研究價值的測量方法。然而傳統(tǒng)的激光跟蹤測量儀在效率、便捷性上存在一些不足:使用單臺激光跟蹤儀無法實現(xiàn)靶球的自動測量定位，需要工作人員人工引光，因激光強度較大對工作人員引光時存在一定的危險性，牽引目標靶球進行移動時要保證靶球的位置和角度確保激光能順利反射，操作帶有一定的難度，造成測量效率低下；對于一些高難度點，人工引光一次無法達到；并且靶球在工業(yè)機器人末端法蘭盤運動過程中，難免會發(fā)生光線遮擋或者入射激光角度超出了靶球可接受的入射角，容易發(fā)生斷光現(xiàn)象，影響測量進度，在對發(fā)生激光遮擋的位置更是無法完成測量。
[0004]目前，有基于視覺的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，因其采用的視覺方法，故必然也仍然存在光線遮擋問題，在測量過程中如果發(fā)生了遮擋，則必須退回之前已知點位，并重新規(guī)劃測量軌跡，影響測量進度，同時不能實現(xiàn)機器人全運動空間軌跡測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，能夠克服人工引光操作繁瑣的不足，可實現(xiàn)不影響測量進度的情況下實現(xiàn)斷光續(xù)接功能，亦可實現(xiàn)對難測點或者遮擋位置的測量，提高激光跟蹤儀引光效率和測量自動化程度。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案:
本發(fā)明包括激光跟蹤儀、通信模塊、主控模塊、無線接收模塊、靶球相對位姿檢測模塊和靶球初始位姿檢測模塊，激光跟蹤儀經(jīng)通信模塊與主控模塊連接，靶球初始位姿檢測模塊與主控模塊連接，靶球相對位姿檢測模塊通過無線方式與無線接收模塊連接，無線接收模塊與主控模塊連接，總電源連接靶球初始位姿檢測模塊、無線接收模塊、主控模塊、通信模塊和激光跟蹤儀進行供電；激光跟蹤儀包括跟蹤底座、跟蹤轉(zhuǎn)臺和激光跟蹤頭，靶球初始位姿檢測模塊包括固定靶球座以及安裝在固定靶球座上的初始位置檢測傳感器和初始姿態(tài)檢測傳感器；激光跟蹤頭通過跟蹤轉(zhuǎn)臺安裝在跟蹤底座上，固定靶球座水平固定安裝在跟蹤底座上，固定靶球座與跟蹤底座之間的相對固定位姿信息通過初始位置檢測傳感器和初始姿態(tài)檢測傳感器檢測后輸入到主控模塊，靶球相對位姿檢測模塊固定安裝在靶球內(nèi)部，初始檢測時靶球通過固定靶球座安裝在激光跟蹤儀上，運動軌跡檢測時靶球通過移動靶球座安裝在機器人本體的末端法蘭上；靶球相對位姿檢測模塊包括無線發(fā)送模塊、三軸加速度計和三軸陀螺儀以及進行供電的檢測電源，三軸加速度計和三軸陀螺儀檢測靶球運動的慣性參數(shù)信息傳送到無線發(fā)送模塊后發(fā)出無線信號，由無線接收模塊接收后傳送到主控模塊處理，主控模塊通過通信模塊與激光跟蹤儀連接，將靶球位姿信息傳輸給激光跟蹤儀，由激光跟蹤儀控制激光跟蹤頭定位跟蹤靶球。
[0007]所述的固定靶球座上表面中心設(shè)有球曲面,球曲面一側(cè)為圓柱曲面,球曲面上安裝有至少三個初始位置檢測傳感器，圓柱曲面上安裝有至少兩個初始姿態(tài)檢測傳感器。
[0008]所述的初始位置檢測傳感器和初始姿態(tài)檢測傳感器均為壓電傳感器。
[0009]所述的球曲面的直徑與靶球的球面直徑相同，所述圓柱曲面的直徑與靶球的圓柱面直徑相同。
[0010]所述的固定祀球座采用磁性材料。
[0011]所述的無線發(fā)送模塊和無線接收模塊均采用射頻單片機。
[0012]所述的檢測電源采用電池，設(shè)有外接供電接口進行供電。
[0013]本發(fā)明的有益之處在于:
本發(fā)明能夠克服人工引光的不足，可實現(xiàn)斷光續(xù)接功能，亦可實現(xiàn)對難測點或者遮擋位置的測量，提高激光跟蹤儀引光效率和測量自動化程度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3是本發(fā)明的固定靶球座示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明的引光流程框圖。
[0018]圖5是本發(fā)明的斷光續(xù)接流程框圖。
[0019]圖中:1:機器人本體；2:末端法蘭；3:移動靶球座；4:靶球；5:激光跟蹤頭；6:跟蹤轉(zhuǎn)臺:跟蹤底座；8:固定靶球座；9:球曲面；10:初始位置檢測傳感器；11:圓柱曲面；12:初始姿態(tài)檢測傳感器。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明包括激光跟蹤儀、通信模塊、主控模塊、無線接收模塊、靶球相對位姿檢測模塊和靶球初始位姿檢測模塊，激光跟蹤儀經(jīng)通信模塊與主控模塊連接，靶球初始位姿檢測模塊與主控模塊連接，靶球相對位姿檢測模塊通過無線方式與無線接收模塊連接，無線接收模塊與主控模塊連接，總電源連接靶球初始位姿檢測模塊、無線接收模塊、主控模塊、通信模塊和激光跟蹤儀進行供電。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明的激光跟蹤儀包括跟蹤底座7、跟蹤轉(zhuǎn)臺6和激光跟蹤頭5，靶球初始位姿檢測模塊包括固定靶球座8以及安裝在固定靶球座8上的初始位置檢測傳感器10和初始姿態(tài)檢測傳感器12 ;激光跟蹤頭5通過跟蹤轉(zhuǎn)臺6安裝在跟蹤底座7上，固定靶球座8水平固定安裝在跟蹤底座7上，固定靶球座8與跟蹤底座7之間的相對固定位姿信息通過初始位置檢測傳感器10和初始姿態(tài)檢測傳感器12檢測后輸入到主控模塊，靶球相對位姿檢測模塊固定安裝在祀球4內(nèi)部,初始檢測時祀球4通過固定祀球座8安裝在激光跟蹤儀上，運動軌跡檢測時將靶球4移到移動靶球座3上，通過移動靶球座3安裝在機器人本體I的末端法蘭2上。
[0023]如圖1所示，靶球相對位姿檢測模塊包括無線發(fā)送模塊、三軸加速度計和三軸陀螺儀以及進行供電的檢測電源，三軸加速度計和三軸陀螺儀檢測靶球運動的慣性參數(shù)信息傳送到無線發(fā)送模塊后發(fā)出無線信號，由無線接收模塊接收后傳送到主控模塊處理，主控模塊通過通信模塊與激光跟蹤儀連接，將靶球位姿信息傳輸給激光跟蹤儀，由激光跟蹤儀控制激光跟蹤頭定位跟蹤靶球。
[0024]本發(fā)明的靶球需要先放著在固定靶球座上并確保初始位置狀態(tài)正確，通過檢測得到相對固定位姿信息傳送到主控模塊后，然后才將靶球安裝在機器人末端的移動靶球座上，通過三軸加速度計和三軸陀螺儀檢測得到慣性參數(shù)信息傳送到主控模塊，并由主控模塊利用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合方法以及積分運算計算出靶球相對位姿，進行定位靶球。
[0025]如圖3所示，固定靶球座8上表面中心設(shè)有球曲面9，球曲面9 一側(cè)為圓柱曲面11，球曲面9上安裝有至少三個初始位置檢測傳感器10，圓柱曲面11上安裝有至少兩個初始姿態(tài)檢測傳感器12。
[0026]初始位置檢測傳感器10和初始姿態(tài)檢測傳感器12均為壓電傳感器。
[0027]球曲面9的直徑與靶球的球面直徑相同，所述圓柱曲面11的直徑與靶球的圓柱面直徑相同。
[0028]固定靶球座采用磁性材料。
[0029]無線發(fā)送模塊和無線接收模塊均采用射頻單片機，包括MCU及天線。
[0030]檢測電源采用電池，設(shè)有外接供電接口進行供電。
[0031 ] 本發(fā)明的靶球相對位姿檢測模塊通過無線電方式連接以將檢測到的靶球相對位置信息輸送給主控模塊，激光跟蹤儀帶有外部數(shù)據(jù)通信功能，通過通信模塊與主控模塊連接。主控模塊，將靶球初始位置信息以及加速度傳感器測得的相對變化位置信息，根據(jù)坐標系轉(zhuǎn)化的理論原理確定靶球位置坐標信息，通過通信模塊與激光跟蹤儀3連接將靶球位置信息傳輸給激光跟蹤儀3并由激光跟蹤儀控制其執(zhí)行機構(gòu)對靶球進行跟蹤。
[0032]固定靶球座通過高精度機械安裝在激光跟蹤儀上，以保證其在所述激光跟蹤儀的坐標系下位置坐標已知。
[0033]靶球包括反射凌鏡、相對位置檢測模塊、靶球外殼。靶球的外殼表面為高精度機械加工的球面，用于其安裝在靶球座上時確定靶球球心的位置坐標。
[0034]優(yōu)選的壓電傳感器是eTouch壓電薄膜傳感器型號為GBZ3514，其用于檢測靶球的初始位置是否正確。
[0035]優(yōu)選的三軸加速度計采用AKE392B三軸數(shù)字型加速度計。
[0036]優(yōu)選的三軸陀螺儀采用TL632B三軸數(shù)字型陀螺儀。
[0037]優(yōu)選的無線接收模塊和無線發(fā)送模塊采用串口 RS232/485/TTL無線通信傳輸模塊。
[0038]優(yōu)選的激光跟蹤儀3采用Leica絕對激光跟蹤儀型號為AT901-B。
[0039]優(yōu)選的通信模塊采用串口 RS232/485/TTL通信傳輸模塊。
[0040]優(yōu)選的主控模塊采用STM32控制芯片。
[0041]本發(fā)明的實施工作過程:
具體實施中，壓電傳感器米用型號為GBZ3514的eTouch壓電薄膜傳感器,三軸加速度計采用AKE392B三軸數(shù)字型加速度計，三軸陀螺儀采用TL632B三軸數(shù)字型陀螺儀，無線接收模塊和無線發(fā)送模塊采用串口 RS232/485/TTL無線通信傳輸模塊，激光跟蹤儀3采用Leica絕對激光跟蹤儀型號為AT901-B，通信模塊采用串口 RS232/485/TTL通信傳輸模塊，主控模塊采用STM32控制芯片。
[0042]將固定靶球座8水平固定安裝在跟蹤底座7上，以固定靶球座8上的球面的球心為原點，以重力反方向為z軸正方向，以固定靶球座8上的圓柱面的軸線為X軸，根據(jù)右手坐標系法則確定I軸，建立直角坐標系M。
[0043]直角坐標系M原點與激光跟蹤儀坐標系原點之間的固定位姿信息已知，且靶球4在固定靶球座8上有唯一正確的安裝方式，通過的靶球初始位姿檢測模塊的壓電傳感器(如圖3中的10和12所示)，檢測靶球4初始位姿信息確定與否，如果靶球4初始位姿不正確，則報警并提示請將靶球4人工放置到固定靶球座8上，如果靶球4初始位姿正確，則將靶球4在固定靶球座8上的固定已知位姿信息輸入到主控模塊。
[0044]靶球初始位姿正確時，取下靶球4并將其通過移動靶球座3安裝在機器人本體I的末端法蘭2上。通過三軸加速度計和三軸陀螺儀高頻采樣靶球因運動物體慣性的存在而產(chǎn)生的慣性特征信息，即三軸加速度和三軸角速度，所述的三軸加速度計和三軸陀螺儀都是數(shù)字型傳感器可通過RS232/485/TTL串口輸出，故通過無線通信模塊將慣性特征信息傳輸給主控模塊。
[0045]陀螺儀精度高，但時間長了會有漂移；加速度動態(tài)精度差，但沒有長期漂移。主控模塊綜合利用陀螺儀和加速度計的特點，用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合方法對其進行優(yōu)勢互補獲得準確的靶球姿態(tài)角度；
通過重力加速度和慣性特征轉(zhuǎn)化的合加速度的矢量運算確定由于運動物體存在的慣性而引起的在加速度計本體坐標系下的瞬時加速度，并通過坐標系轉(zhuǎn)換方法將其轉(zhuǎn)化成直角坐標系M下的加速度ax、ay、az并高速記錄所有值,利用所得的一系列加速度信號ax、ay、az對其進行關(guān)于時間t的積分得瞬時速度vx、vy、vz，同時也高速記錄所得到的瞬時速度值，再對vx、vy、vz對其進行關(guān)于時間t的積分得瞬時坐標值X、y、z，即可完成對靶球的相對位置信息的檢測。
[0046]如圖4所示，結(jié)合輸入到主控模塊的靶球初始位姿信息和靶球相對位姿信息即可確定靶球位置坐標和姿態(tài)；主控模塊通過通信模塊與激光跟蹤儀連接，將靶球位姿信息傳輸給激光跟蹤儀，激光跟蹤儀控制激光跟蹤頭定位跟蹤靶球。完成激光跟蹤儀靶球靶球自動引光功能。
[0047]如圖5所示，在完成激光跟蹤儀靶球自動引光操作以后，因慣性測量過程中，時間長了必然會因誤差累積而有漂移存在，故在滿足精度要求的時間范圍內(nèi)，定時利用激光跟蹤儀測量得到的靶球位置信息對慣性檢測得到的靶球位置信息進行校準，控制誤差累積而引起的漂移誤差在允許精度范圍內(nèi)，進一步提高慣性檢測的精度；即使在發(fā)生斷光或者遮擋的時候也能對被檢測點進行一定時間內(nèi)的高精度的慣性測量，同時，可再次利用慣性測量得到的靶球坐標信息對激光跟蹤儀進行自動引光，實現(xiàn)斷光續(xù)接問題。由此，本發(fā)明能夠克服人工引光的不足，可實現(xiàn)斷光續(xù)接功能，亦可實現(xiàn)對難測點或者遮擋位置的測量，提高激光跟蹤儀引光效率和測量自動化程度，具有顯著的技術(shù)效果。
[0048]最后指出，以上實施例子僅是本發(fā)明較有代表性的例子。顯然，本發(fā)明不限于上述實施例子，還可以延伸到很多方面。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于包括:包括激光跟蹤儀、通信模塊、主控模塊、無線接收模塊、靶球相對位姿檢測模塊和靶球初始位姿檢測模塊，激光跟蹤儀經(jīng)通信模塊與主控模塊連接，靶球初始位姿檢測模塊與主控模塊連接，靶球相對位姿檢測模塊通過無線方式與無線接收模塊連接，無線接收模塊與主控模塊連接，總電源連接靶球初始位姿檢測模塊、無線接收模塊、主控模塊、通信模塊和激光跟蹤儀進行供電； 激光跟蹤儀包括跟蹤底座(7)、跟蹤轉(zhuǎn)臺(6)和激光跟蹤頭(5)，靶球初始位姿檢測模塊包括固定靶球座(8 )以及安裝在固定靶球座(8 )上的初始位置檢測傳感器(10 )和初始姿態(tài)檢測傳感器(12);激光跟蹤頭(5)通過跟蹤轉(zhuǎn)臺(6)安裝在跟蹤底座(7)上，固定靶球座(8 )水平固定安裝在跟蹤底座(7 )上，固定靶球座(8 )與跟蹤底座(7 )之間的相對固定位姿信息通過初始位置檢測傳感器(10)和初始姿態(tài)檢測傳感器(12)檢測后輸入到主控模塊，革巴球相對位姿檢測模塊固定安裝在祀球(4 )內(nèi)部,初始檢測時祀球(4 )通過固定祀球座(8 )安裝在激光跟蹤儀上，運動軌跡檢測時靶球(4)通過移動靶球座(3)安裝在機器人本體(1)的末端法蘭(2)上； 靶球相對位姿檢測模塊包括無線發(fā)送模塊、三軸加速度計和三軸陀螺儀以及進行供電的檢測電源，三軸加速度計和三軸陀螺儀檢測靶球運動的慣性參數(shù)信息傳送到無線發(fā)送模塊后發(fā)出無線信號，由無線接收模塊接收后傳送到主控模塊處理，主控模塊通過通信模塊與激光跟蹤儀連接，將靶球位姿信息傳輸給激光跟蹤儀，由激光跟蹤儀控制激光跟蹤頭定位跟蹤靶球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的固定靶球座(8)上表面中心設(shè)有球曲面(9)，球曲面(9)一側(cè)為圓柱曲面(11)，球曲面(9)上安裝有至少三個初始位置檢測傳感器(10)，圓柱曲面(11)上安裝有至少兩個初始姿態(tài)檢測傳感器(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的初始位置檢測傳感器(10)和初始姿態(tài)檢測傳感器(12)均為壓電傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的球曲面(9)的直徑與靶球的球面直徑相同，所述圓柱曲面(11)的直徑與靶球的圓柱面直徑相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的固定靶球座采用磁性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的無線發(fā)送模塊和無線接收模塊均采用射頻單片機。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性檢測的激光跟蹤儀靶球定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的檢測電源采用電池，設(shè)有外接供電接口進行供電。
【文檔編號】G01C21/16GK104406585SQ201410661823
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】柳順兵, 李青, 沈斌, 厲志飛, 陳兆波, 劉春學 申請人:中國計量學院, 杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院